解放村水库清淤方案制定研究.pdf

人民黄河YELLOWRIVER第45卷S12023年6月Vol.45，Sup.1Jun.，2023收稿日期：2023-02-24基金项目：河南省重大公益专项（201300311600）；国家自然科学基金项目（52209090）；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项（HKY-JBYW-2021-09）；黄河水利科学研究院推广转化基金（HKY-YF-2022-03）作者简介：王仲梅（1974），女，河北井陉人，正高级工程师，博士，主要从事湖库环保清淤技术、工程水力学、水利管理技术等研究工作通信作者：赵荥（1991），男，河南焦作人，工程师，博士，主要从事工程水力学及河流泥沙动力学等研究工作E-mail：解放村水库清淤方案制定研究王仲梅1，2，3，赵荥1，2，3，张文皎1，2，3，仲伟4，吕鸣聪1，2，3（1.黄河水利委员会 黄河水利科学研究院，河南 郑州 450003；2.河南省湖库功能恢复与维持工程技术研究中心，河南 郑州 450003；3.河南省黄河流域生态环境保护与修复重点实验室，河南 郑州 450003；4.金塔县解放村水库管理所，甘肃 酒泉 735300）摘要：我国西北地区普遍存在资源性缺水、土质疏松等问题，水流往往裹挟大量泥沙，这导致西北水库淤积严重，清淤问题亟待解决。以甘肃省金塔县解放村水库为例，进行清淤方案的可行性研究，预采用挖泥船清淤、运输机械清淤、泥浆泵清淤相结合的方式进行清淤，设计了施工方案和施工流程，规划了试验和堆放场地，论证了组合式清淤在西北地区水库运用的适用性与有效性，为该类水库清淤工程提供了新思路。关键词：水库淤积；清淤工程；挖泥船；水下开挖中图分类号：TV697.31文献标志码：Adoi：10.3969/j.issn.1000-1379.2023.S1.003我国水库数目众多，根据最新水利普查数据，库容超10万m3的水库数量达98 000余座1。同时，我国也是水土流失最严重的国家之一，据不完全统计，水库平均年淤积速率超过了2%，北方河流尤其是黄河中游水土流失严重地区的水库淤积情况尤为突出，部分水库年淤积率甚至达4%，明显高于美国的0.24%、日本的1.02%及世界平均水平0.5%1%2。国内水库库容淤损严重，最大淤损可达30%，库容的严重淤损不仅会影响水库功能的正常发挥，同时也会对生态环境造成危害，严重时甚至会导致水库淤满报废，淤积问题已成为制约水库功能和综合效益的突出短板3。水库清淤是恢复水库有效库容、延长水库使用寿命、改善水质、充分发挥其兴利作用的重要措施。通过清淤提高现有水库的调节能力，有效利用洪水资源，充分发挥水库的效益，对缓解缺水现状、实现可持续发展有着十分重要的现实意义4。经过前人多年的不懈研究，水库淤积治理技术已经有了许多比较成熟的方法可供选择5。水库清淤技术主要包括水动力排沙和机械清淤两种方式。水动力排沙是借助水流动力将淤积在水库中的泥沙排除，包括空库排沙、泄洪排沙、异重流排沙、旁通输沙等，主要适用于水资源充足的大中型水库6-7。其中：空库排沙（也叫泄空排沙）是指在水库放空过程中利用回水对沿程泥沙进行冲刷；泄洪排沙是指在汛期前降低水位，使淤积物暴露并坍塌，利用汛期大洪水将泥沙排出水库；异重流排沙是指通过异重流的方式，在洪水来临时开启闸门，将挟沙浑水排出库外；旁通输沙是指汛期开启旁通道使高含沙洪水绕过水库直接输送到下游河道。机械清淤则是利用挖泥船、运输机械（挖掘机）、管道（泥浆泵）等机械工具实施水库清淤工作8-9。其中：挖泥船清淤是指利用装有不同类型清淤设备的船只进行水库清淤，常见的有绞吸式挖泥船、射流冲吸式挖泥船、耙吸式挖泥船以及链斗式、硬臂抓斗、铲斗式挖泥船，后3种挖泥船主要应用于大型水面；运输机械清淤是指先将水库放空，之后使用挖掘机和运输机械等常用挖方设备进行清淤施工；管道排沙是指通过泥浆泵、气力泵等装置将底泥起动，并通过管道将泥沙排到指定堆场，常见的有气力泵清淤、自吸式管道排沙清淤和泥浆泵清淤。目前，我国大规模的水库清淤工作开展较少，缺乏水库清淤规划设计以及方案编制相关的规范和标准，一些开展试点水库清淤的地区，尤其是西北地区大多采用旱挖的方式，造价较高，效率较低，较少有采用挖泥船等水下开挖方式进行清淤作业的案例，缺乏相关经验10。本文以金塔县解放村水库为例，经过生态清淤方案的比选，最终决定采用挖泥船清淤、运输机械清淤、泥浆泵清淤3种技术有机组合的方式开展解放村水库清淤工程。论证了方案的可行性和适用区域，优化了传统清淤作业方案，以期为以后在西北地区开展大规模水库清淤工作提供参考。1工程概况金塔县解放村水库位于金塔县县城西南7.0 km的黑河支流讨赖河上，于1969年开工，1971年建成投入使用。解放村水库为鸳鸯池水库的反调节水库，是一座以灌溉为主，兼有防洪、发电、养殖等综合效益的年调节中型水库。水库坝址以上控制流域面积 12 439 km2，总库容为3 905 万 m3，属中型水库。水库校核洪水位 1 298.98 m，正常蓄水位 1 297.77 m，死水位1 293.05 m。经过1998年和2006年两次除险加固后，现水库防洪标准按一百年一遇设计，一千年一遇校核。水库建筑物主要有主坝、副坝、正常溢洪道、新建溢洪道、输水洞、发电站等建筑物组成，主要建筑物按 3 级设计，设计抗震设防烈度7度。土坝总长3 050 m，其中主坝1 150 m，副坝1 900 m，坝型为黏土心墙砂壳坝。主坝最大坝高16 m，坝顶宽5 m，坝顶高程1 300.5 m，正常溢洪道采用实用堰，堰顶高程 1 295.00 m，最大泄洪流量 332 m3/s，新建溢洪道最大泄洪流量 867 m3/s。2018 年进行了大坝安全鉴定，鉴定为二类坝。水库主要承担的工作职能是按照上级防汛调蓄要求，做好水库的蓄水、防汛调度、护库、向下游鸳鸯灌区金塔片区7乡镇54.43万亩耕地的灌溉输水任务，同时做好装机容量2 500 kW的发电站经营管理任务和金沙湖水利旅游风景区管理任务。2水库泥沙解放村水库位于鸳鸯池水库的下游，区间基本不产沙，因此鸳鸯池水库下泄的泥沙就是解放村水库入库泥沙。根据 甘肃省金塔县鸳鸯池水库除险加固工程初步设计报告（1993年版），鸳鸯池水库1982年以前水库拦沙率90%（排沙比10%），19821993年水库拦沙率为73%（排沙比27%）。根据 甘肃省金塔县鸳鸯池水库安全鉴定 分析得到19942015年水库拦沙率为74%（排沙比26%）。结合已有鸳鸯池水库悬移质输沙量的计算成果，分析得到 5人 民 黄 河2023年S1解放村水库入库泥沙见表1，解放村水库多年平均入库沙量为29.99 万 t，其中 1982 年以前多年平均入库沙量 15.42 万 t，19831993年多年平均入库沙量23.93万t，19942015年多年平均入库沙量44.28万t。3淤积现状解放村水库与鸳鸯池水库为上下母子库，在多年的运行过程中，受鸳鸯池水库下带泥沙以及风积沙影响，2018年实测解放村水库正常蓄水位对应库容为2 187.3万m3，死水位对应库容为183.7万m3；1972年解放村水库正常蓄水位对应库容为3 104.4万m3，死水位对应库容为957.85万m3。正常蓄水位1 297.77 m高程以下累积库容减少了917.10万m3，正常蓄水位以下累计库容约为1972年的70%左右；死水位1 293.05 m高程以下累积库容减少了774.15万m3，死库容约为1972年的19%左右，总淤积面积约5.63 km2，平均淤积深度约1.63 m。库容淤损严重，水库淤积问题不容忽视。4工程设计方案4.1清淤技术确定综合分析现有清淤方案可知，水动力排沙适宜水量充沛地区，单位水体排沙量相对较低；管道排沙中的气力泵清淤耗能大且造价高；自吸式管道排沙亦需要一定的作业水深以及上下游水头差，三者均不适用于本工程。经初步勘测水库淤积物密实度不高，粒径大小有差异，结合水库地形勘测成果，最终决定采用挖泥船清淤、运输机械清淤、泥浆泵清淤3种技术有机组合的方式开展解放村水库清淤工程。以泥沙为主的坝前水上部分采用管道排沙技术中的泥浆泵清淤作业；针对粗、细砂部分库区水上作业采用绞吸式挖泥船；针对卵砾石库区采用水陆两用挖掘机清淤作业；根据库区泥沙淤积特性，结合水库运行调度，对水库中部及水深处于410 m之间的区域采用挖泥船作为清淤作业主要方案。4.2清淤场地规划依据解放村水库现状条件、地形测量结果、淤积分布特性、泥沙资源利用情况、选定的清淤技术等，以输送距离短为原则，拟定J1、J2为水库库区沿线堆放区域，JD1为人工岛堆放区域。其中J1区域堆放宽度为80300 m，堆放高程为1 305 m，堆放体积为112万m3，此堆放区域用于水库岸边景观带的基础铺设。J2区域堆放宽度为660860 m，堆放高程为1 313 m，对应的淤积物堆放体积约为534万m3。解放村水库中堆建人工岛JD1共1座，人工岛直径500 m，高度约20 m，填筑坡比为15，堆放体积约256万m3。解放村水库清淤量汇总见表2。当水库低水位运行时，淤积严重的区域露出水面，可采用挖泥船、运输机械挖沙与泥浆泵清淤相结合的清淤方式。水库深水区使用挖泥船合理调度开展清淤。清理出的泥沙大部分用于水库岸边景观带的基础铺设，部分用于水库内人工岛堆建，部分淤积泥沙可作为建筑用沙。4.3第一期清淤作业方案解放村水库第一期清淤作业方案布置如图1所示。水库清淤量为500万m3，工程区域面积约5.63 km2，分为Q1、Q2、Q3共3个清淤区域，平均淤积深度约0.89 m，采用挖泥船、运输机械挖沙与泥浆泵清淤相结合的清淤方式，将清淤区开挖的淤积物，分别就近运至水库库区沿线堆放区域（J1、J2区域）和人工岛堆建区域（JD1）。对于水库库区沿线堆放区域，J1区域堆放宽度为80300 m，堆放高程为1 298.981 305.00 m，堆放淤积物方量约为112万m3，设置两个排泥区。J2 区域堆放宽度为 660860 m，堆放高程为1 298.981 306.20 m，堆放淤积物方量约为208万m3，设置两个排泥区。堆放区域布置在解放村水库校核洪水位以外范围。淤泥自然脱水后，与堆放区围堤形成岸边景观带。对于人工岛堆建区域，人工岛JD1直径500 m，高度12 m，填筑坡比为15，堆放淤积物方量约184万m3。在人工岛与左侧临水堤之间应进行流道疏通，从而不阻挡左岸新建溢洪道泄水，并适当考虑景观效果，留置上岛道路。根据水库泄流能力计算，解放村水库正常蓄水位1 297.77 m下的泄流量为714.86 m3/s；一千年一遇校核洪水时（校核洪水位1 298.98 m），最大入库流量为1 300 m3/s，最大出库流量为1 209.4m3/s。人工岛JD1中心剖面左侧的流道宽度约为148.91 m，右侧库水面宽度约为1 923.71 m，人工岛的修建对水流下泄的影响较小。4.4清淤施工设计施工准备阶段，首先应对库区淤泥情况进行复测，探明淤泥的分布范围和数量，定量分析开挖库区淤泥程度，为库区淤泥开挖处理提供依据，其后参考复测结果，做好标识布设、设备设施进场以及报批审核等工作；准备阶段后进行排淤管线安装工程，包括水陆管线、管线接头以及接头平台的安装等；开挖阶段，主要由指挥人员根据已有淤泥分布成果和坐标成果进行指挥，遵循“分段、分道开挖方式，施工中坚持勿超稍欠”的原则进行清淤作业；在进行吹填工程时，为保证安全，首先对排泥区围堰实施吹填防护，其后视吹填情况，将排泥管口顺着围堰延伸。4.5淤积泥沙处理根据现场取样和室内实验室分析成果，解放村水库拟清淤泥沙湿密度平均值为1.875 g/cm3，泥沙中值粒径在00.200 mm之间。粗骨料除坚固性偏大，其余指标均符合质量技术要求；细骨料含少量泥块、平均粒径偏大，其余指标符合质量技术要求。调查临近各已建工程，该料场粗、细骨料中无碱活性成分存在。粒径组成中小于0.1 mm的较细部分也能够得到利用。表2解放村水库清淤量汇总淤积物处理方式J1区域堆放J2区域堆放JD1人工岛堆放合计清淤量/万m3112534256902图1解放村水库第一期清淤作业方案表1解放村水库多年平均入库泥沙年份19661982年19831993年19942015年19662015年鸳鸯池水库悬移质/万t154.288.6170.3鸳鸯池水库排沙比/%102726解放村水库入库沙量/万t15.4223.9344.2829.99（下转第20页）6人 民 黄 河2023年S1（4）强化党建宣传。现场指挥所采取“帐篷党课”“现场党小组会”等形式，引导全体指战员强化抢大险、救大灾的责任担当和必胜信心；紧贴任务实际，制定下发 关于做好盘锦抢险救援任务中党建工作的通知；采取多种形式激励斗志，鼓舞士气，成立党员突击队，组织开展“战地送清凉”“重温入党誓词”等活动；累计在 人民日报 光明日报 经济日报 等多家媒体刊发转载报道1 400余篇，首次在央视 新闻直播间 东方时空 等多档栏目滚动播报救援情况80余次，特别是溃口封堵当天央视新媒体5 h连播，极大激发了救援队员的荣誉感和自豪感。（5）联动保障有力。坚持“你需我能、我需你供，地方保障为主、自我保障为辅”的救援保障模式，积极与联指、当地政府、地方企业沟通对接，充分发挥大后方联合保障效能，强化政企合作，先后统筹调配各类所需救援装备设备、物资、油料，足额供应热饭、住房等；成立后勤保障分队，充分发挥自我保障作用，全面统筹内、外部救援力量的综合保障工作；充分发挥企企合作互补优势，救援专业装备等合作单位全程提供相关技术服务保障，确保了抢险装备24 h持续运转。3几点启示（1）专业救援队伍的高质量建设刻不容缓。我国自然灾害多发频发，特别是地震、泥石流、山体滑坡、洪涝等基本年年发生，因此提升自然灾害防灾减灾救灾能力，高质量建设随时能够“拉得出、上得去、打得赢”的自然灾害专职国家救援队十分迫切。作为自然灾害工程专业救援国家队，中国安能在绕阳河溃口封堵中发挥了独特的专业优势，在整个救援任务中起到了“压舱石”作用。“术业有专攻”，为更好应对复杂灾害形势，国家专业救援队建设应当在“专”“精”上不断深化改革，确保能在最关键时刻发挥关键作用。（2）在应对自然灾害救援综合能力上有待加强。我国有关自然灾害救援相关标准、法律法规相比安全生产行业较少，自然灾害救援相关法规体系、规范流程等不够健全，因此急需从行业或国家部委以上层面或采取“揭榜”方式委托专业救援队出台规范性政策文件。在处置技术方案决策上，工程类救援专业性极高，同样是工程技术，应急救援中的工程施工和常规工程建设截然不同，最大区别在于保证安全的前提下，突出“急”“救”，无论是救援的意识理念，还是技术常识，再或是管理指挥能力，都对各级指挥人员提出了更高要求，特别是地方各级领导具备一定的防灾减灾救灾相关知识也是一种必然，通过个人综合能力的提高，能不开会直接快速决策的当即决策，减少救援现场非必要论证审批等行政化流程环节，进而提高一线决策指挥效率。我国专业救援队伍数目类别较多，建设质量参差不齐，国家级、省级、行业的等，为提升国家整体应急管理水平，对各类应急救援队伍，特别是专业性较强的救援队伍加大整合很有必要，通过整合实现精而优。（3）大融合协同保障是未来应急救援必然趋势。此次救援中各方力量各尽所能，各显神通，密切配合，中国安能作为国家工程救援专业队，在辽宁绕阳河抢险中联合指挥部当即决断赋予其道路抢通和溃口封堵核心区任务，救援队伍现场各要素与地方政府、企业的保障体系紧密衔接，深度融合，充分发挥了联合作战、综合保障的协同优势，一线救援队伍从大量繁重的后方保障事务中得到解放，使救援人员更加专注于灾情一线处置任务，确保了救援任务顺利完成。盘锦绕阳河救援期间，盘锦市各层级、各单位之间有效协调，全面做好大后方各类保障服务，为救援队伍提供饮食、住宿、维修、油料、各类所需物资，基本做到有求必应。各有关装备生产企业从四面集结，志愿者等积极主动配合，配人调装，全程提供技术保障，确保了高效救援。4结语随着全球气候变化，国际国内洪涝、泥石流等灾害多发，特别是近年我国北方地区洪涝不断，防汛抗旱形势不再是以前的南涝北旱，防汛已成为全国各地区应急任务，防灾救灾形势严峻。面对灾情，是否能够高效救援，最大程度挽救生命、减少损失，除了做好灾前充分准备外，有相应专业救援力量快速出动同样重要。此次绕阳河溃口险情处置有其独有之处，对今后类似险情也有可借鉴之处。【责任编辑吕艳梅】拟清淤库区所处的河段水质相对较好，对拟清淤泥沙取样的重金属和有机污染物实验室分析结果表明，所有检测项目均在正常数值范围内。总体来看，解放村水库库区拟清淤泥沙中较细泥沙可以用于耕地复垦、土地回填、生态绿等化工程利用。解放村水库拟清淤泥沙的重金属和有机污染物检测项目指标均未超过农用地土壤污染风险筛选值，细颗粒泥沙进行农用地复垦或区域造地回填利用不会对土壤生态环境造成不利影响。5结论通过对解放村水库淤积现状的复测和分析，确定了清淤工程的施工区域；并根据库岸交通情况、山体地形等因素规划出了清淤堆放场地。根据黄河水利科学研究院以往清淤工程的经验和解放村水库实地情况，最终确定采用挖泥船清淤、运输机械清淤、泥浆泵清淤相结合的清淤作业模式，并设计了施工方案和具体流程。根据工程区淤积泥沙理化性质检测试验结果，泥沙处理方式确定为农田和园林回填土利用。通过以上工程设计拟完成解放村水库库区500万m3开挖量的第一期清淤任务，基于以上论证可为同类水库大规模清淤工程作业提供施工经验和技术支持。参考文献：1 中华人民共和国水利部.中国河流泥沙公报2020 M.北京：中国水利水电出版社，2021：21-23.2 张士辰，盛金保，李子阳，等.关于推进水库清淤工作的研究与建议 J.中国水利，2017（16）：45-48.3 郭晓雅.水库清淤可行性分析 J.工程技术研究，2021，6（4）：245-246.4 魏月梅，池丽敏.河道清淤方法及淤泥固化技术的应用 J.城市道桥与防洪，2017（12）：88-89，111，12.5 邓安军，陈建国，胡海华，等.水库淤损控制与库容恢复研究综述J.人民黄河，2019，41（1）：1-5.6 李国英.黄河干流水库联合调度塑造异重流 J.人民黄河，2011，33（4）：1-2，8，150.7 王楠，何炎平，黄超.射流清淤船技术进展 J.船海工程，2013，42（3）：1-6.8 刘厚恕.国外挖泥船发展新态势 J.船舶，2009，20（6）：1-7.9 于再红，刘厚恕.国内外中小型耙吸挖泥船动力配置综述 J.上海造船，2010，26（3）：41-46.10 谢兴万，朱超，邢正锋.鸳鸯池水库试验性清淤工程分析 J.水利技术监督，2022（6）：173-174，246.【责任编辑张帅】（上接第6页）20