水库清淤技术概述

董索 李建清 陈利强

摘要：我国江河大多含沙量高，水库经多年运行后，普遍存在不同程度的淤积。水库淤积严重影响水库防洪安全、运行安全、生态安全，是水库运行管理中亟待解决的重要问题。总结了水库淤积性态规律研究、淤积物勘测、机械清淤及淤泥处理技术现状，提出了水库清淤面临的深水清淤、环保清淤、水下孔洞清淤、淤泥处置及资源化利用方面的技术难点和对策思考。虽然目前国内外在水库清淤技术和设备研究应用上均有所进展，但总体还处于研究試点阶段。未来还需结合技术难点和已有研究成果，加大开展水库淤泥勘测、清淤、干化、资源化利用一体化水上施工平台及设备研究，为水库清淤工作的大规模开展奠定良好基础。

关键词：水库淤积;深水清淤;环保清淤;水下孔洞清淤;淤泥资源化利用

中图法分类号：TV697.3文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.11.009

1 研究背景

我国江河大多含沙量高，在河流上修建水库后，水位抬高，流速降低，必然导致泥沙在水库中淤积。我国现有水库约9.8万座，90%以上修建于20世纪50～70年代，经过几十年运行，普遍存在不同程度的淤积。目前，在全国范围内尚未系统地开展水库淤积调查。根据2012年水利部组织对山西、陕西、贵州、江西4个典型省份水库淤积情况的调查结果，山西省有水库731座，总库容47.65亿m3，淤积库容约16.20亿m3;陕西省有水库1 019座，总库容40.43亿m3，淤积库容约13.75亿m3;贵州省有水库1 971座，总库容25.40亿m3，淤积库容约1.1亿m3;江西省有水库9 793座，总库容295.5亿m3，淤积库容约8.93亿m3[1]。

水库淤积会产生一系列问题：导致库容损失，降低水库防洪和兴利效益;抬高回水位、增加水库淹没损失;坝前堆淤影响工程正常和安全运行;清水下泄引起下游河道冲刷;污染物随泥沙淤积沉淀污染水质等。因此，水库淤积严重影响水库防洪安全、运行安全、生态安全，是水库运行管理中亟待解决的重要问题。

2 水库清淤研究现状

2.1 水库淤积形态研究

韩其为[2]对水库泥沙运动、水库淤积形态等方面开展了大量研究工作，目前普遍认为水库淤积形态取决于坝前水位壅高程度、含沙量和泥沙粒径、水库地形条件、水库运用方式等。水库淤积的典型形态有三角洲、锥体、带状等3种淤积体[2]。

三角洲淤积体的特点是淤积厚度达到一定程度后，淤积体向库区推进，呈现出中间厚、两端薄的特点。锥体淤积体的特点是淤积厚度沿程递增，至坝前淤积厚度达到最大;带状淤积体的特点是库尾淤积厚度沿程分布较均匀。三角洲淤积体一般出现在坝前水位较稳定、壅水较高且具有一定回水长度的水库。锥形淤积体一般出现在水库壅水低、坝前仍有一定流速，水库回水短、含沙量高或颗粒很细区域，通常因水库较小，淤积无法充分发展。带状淤积体一般出现在坝前水位变幅很大，有较长回水区。此外，水库淤积平衡后均为锥形淤积体[3]。

2.2 水库淤积勘测技术

国内外淤泥测量普遍采用钻孔取样、静力触探、声呐探测、放射线探测等方法，目前水库淤泥主要采用浅地层剖面仪进行探测。浅地层剖面仪通过声波的传播和反射特性对浅底地层剖面结构进行探测[4]。浅地层剖面仪底层穿透深度大、分辨率较高，具有图像连续、便于操作、探测速度快的特点，可快速、精确探测淤泥厚度;探测深度可达200 m，能够穿透40 m的泥层，精度可达厘米级，已在柴河水库[5]等清淤工程成功应用。

目前，水库淤泥性状勘察常用重力取样器，其基本原理是利用取样器本身的重力，将中空的取样管直接贯入湖泊沉积物，并用密封装置确保样品在提升过程中不会掉落。重力取样器结构简单、操作方便、取样质量高。淤泥取样后需测定不同深度的检测指标，包括物理指标及污染物指标，为清淤方案选择提供基础资料。基础物理指标包括pH值、含水率、含沙率、颗粒分析、物理力学性能指标等;污染物指标包括一般性污染物指标、无机元素及其化合物指标、有机污染物指标、农药类指标等。

2.3 水库机械清淤技术

选择水库清淤设备时，应综合考虑水库水深、淤泥成分、排泥场设置与距离、动力源配备及要求、水库地形地貌条件、施工强度要求、设备运输及进出场道路状况、气象条件及水库水质状况等。常用的干地清淤机械有挖掘机、水力冲挖;水下清淤机械有抓斗挖泥船、绞吸式挖泥船、环保绞吸式挖泥船、气动泵船等（见表1）。挖掘机干地开挖效率高，但需放空水库，适用于小型水库或有条件放空的水库。抓斗挖泥船取料浓度大，对水体搅动大，效率低，适用于浅水区作业及对水体环境无要求的水库。绞吸式挖泥船取料浓度小，对水体有一定搅动，适用于对水体环境要求不高的水库。环保绞吸式挖泥船取料浓度大，作业过程基本无污染，适用于对水体环境要求高的水库。气动泵船取料浓度大，工作效率一般，工作水深大，适用于对水体环境要求高的水库。

淤泥输送一般有汽车运输、管道输送、泥驳输送等方式。汽车运输方便灵活，但运输效率较小，运输费用较高，对环境影响大。管道输送是最常用的输送方法，适用于淤泥输送目的地稳定不变，淤泥流动性较高、含水率较高，该法环保性好、操作方便、效率高，但投资较大。泥驳输送适用于输送不同含水率的淤泥，具有灵活方便、运行费用低的优点，但须在岸上设中转站。

2.4 水库淤泥处置及资源化利用技术

常用淤泥脱水处理方法有自然脱水干燥法、真空预压排水固结法、土工管袋法、机械脱水法、搅拌固化法等（见表2）。自然脱水干燥法是指淤泥在干化场内自然风干;土工管袋法是利用自重和加压管袋过滤水;搅拌固化法是在淤泥中添加固化剂;机械搅拌固化、机械脱水法是利用离心机、带式压滤机、板框式压滤机等机械将淤泥中水分挤出。淤泥自然脱水干燥法处理成本低，但占地面积大，其他固化方法成本均较高。

总体来说，我国水库淤积性态研究已开展数十年，对水库淤积形态有较深入的了解，淤积物勘测、机械清淤及淤泥处理技术在港口、河道、湖泊清淤工程中均有应用基础，具备开展常规水库清淤的条件。

3 水库清淤技术难点及对策

3.1 水库深水清淤

我国水库多选择在高山峡谷地区建坝，最大坝高已超过300 m。相较于湖泊和河道清淤，水库清淤具有坝前水深大、水深变化范围大、淤积物粒径差别大的特点，且水库多建于内陆地区，不具备通航条件，大型挖泥船难以进入。荷兰、意大利、日本等国企业研发的深水清淤设备价格和施工成本均较高。研究开发出易拆装、施工简便、工效高、成本低、适应性强的清淤设备是水库深水清淤面临的技术难题。

国内企业研发的深水清淤设备通常利用气力提升原理。如江苏气力泵疏浚系统疏浚深度可达160 m，排距达2 500 m，适用于淤泥、粉细砂等细颗粒松散淤积物，管道输送距离远。使用该设备在云南抚仙湖进行了深水清淤，最大作业水深154 m。新型气动式深水清淤系统作业深度可达160 m，施工效率高，作业无污染，适用于粒径较大的砂砾石、砂卵石等淤积物，管道输送距离较短。该系统在三峡库区万州段进行了深水清淤，作业水深60～110 m，淤积物为砂砾石，采用船舶外运出渣方式，完成清淤63.9万m3，生产能力达325 m3/h[6]。我国水库深水清淤机械的应用整体还处于试点阶段，还需根据试点工程经验，研发成本低、工效高、对淤积物粒径及水位变幅适应性强的水库深水清淤设备。

3.2 水库环保清淤

环保清淤是指以改善水环境为目的，对水库淤泥进行清淤，其对清淤的精度、防污染物二次扩散、底泥处理等要求较高。环保绞吸式挖泥船和气力泵船是应用较为广泛的环保清淤设备，其优点是施工时对底泥的扰动影响小，吸入泥浆浓度高，可有效减少污染物的扩散。环保绞吸式挖泥船一般作业水深在30 m以内，气力泵船最大挖深可达200 m。近年来，环保清淤技术已成功应用于我国部分湖泊清淤工程，典型案例有江苏太湖、云南滇池[7-8]等工程，但在水库中的应用较少。

水库环保清淤的难点有：

（1）对具有供水功能的水库，水库环保清淤不能影响水库供水。具体体现在两个方面：①水库无法放空施工，需进行水下清淤作业;②施工时不能扰动底泥污染物，以免影响供水水质。

（2）水库库底环境复杂，水深变化较大，而环保清淤作业对清淤要求高，因此对清淤机械适应性要求高。

（3）清淤后底泥、余水中污染物需进行环保处理。

随着我国对水生态环境的要求逐渐提高，水库环保清淤正在进行试点工作，如通济桥水库环保清淤试点工程[9]。通济桥水库水质常年为III类、IV类，主要影响因子为TN，库底淤积量达258万m3，库区水深10～30 m。选用深水环保绞吸式挖泥船清淤，通过对清淤点附近水质的跟踪监测，清淤施工仅对距离绞刀头20 m范围内的水体产生一定的扰动，清淤作业扰动范围较小，影响持续时间较短，对取水口水质基本无影响。疏浚底泥经格栅机、沉淀池、物料池、板框式压滤机处理脱水干化后用于修复矿山和制砖，余水经过滤、添加絮凝剂处理，水质达标后排放至河道。

3.3 孔洞水下清淤

除库区及坝前淤积外，水库泄洪建筑物、引水建筑物在长期运行后，也会存在泥沙、石块、树枝、垃圾在孔洞口及洞内淤积情况，降低建筑物过流能力，严重时会造成堵塞，使闸门无法顺利提升开启，影响水利工程正常、安全运行。当水库不具备放空清淤条件时，需要进行水下清淤。孔洞水下清淤施工作业面小，孔洞内部淤积物复杂，作业条件差，普通挖泥船无法施工。目前孔洞水下清淤实施案例较少，一般由潜水员配合清淤机械施工。鸭河口水库循环水泵站进口淤积了大石块、碎石、泥沙等杂物，清淤深度约18 m，清淤工程采用潜水员配合钢索牵引式犁耙将大块石、胶泥块等杂物排出涵洞，再由潜水员手持水枪冲刷淤泥，气升式吸泥器吸泥[10]。该工程耗时8个月，清淤约1 800 m3，潜水员下水作业1 286次。

孔洞水下清淤的难点有：水利工程孔洞水深较大、洞身长、洞内杂物多、能见度低、作业条件差，潜水员在孔洞内操作高压水枪、吸泥管等机械时容易发生机械伤害，尤其对于深水部位长的孔洞，清淤潜水员施工风险较大，亟需研发适应于水下孔洞清淤的施工机械。

目前，国内一些企业和科研院所正在開展水下清淤机器人的研究工作。浙江大学研发了一种基于水下机器人的水下孔洞清淤方法[11]，利用水下机器人替代潜水员，将耙子的耙齿钉入淤积物，由卷扬机通过牵引绳将耙子拉出水下孔洞外，可清除树枝等大块物体;还可利用水下机器人放置碎淤设备和渣浆软管清除淤泥。长沙矿冶研究院研发了一种深水清淤车[12]，结构包括车体、行走装置和搅吸装置，可实现不依靠船载设备，自行进行水下清淤工作。总体来说，水下孔洞机械清淤还处于研究及试点阶段。未来结合工程实际需要，可研发搭载水下孔洞勘察、检测、清淤等多功能模块的水下机器人。

3.4 淤泥脱水处理

淤泥常规脱水处置需要布置干化池或沉淀池、调理池、脱水固化工厂等，而位于高山峡谷地区的水库，难以找到大面积的淤泥固化及处置地点，淤泥脱水处理是水库清淤面临的重要问题之一。美国密西西比国际水务有限公司研究了一种水面平台上就地实施淤泥清理的系统[13]，浮动平台上包括抽吸淤泥装置、前处理装置和干馏装置，淤泥最终制成生物碳土。该设施不占用土地，无淤泥外运，不造成水体和环境的二次污染，为水库清淤机械及淤泥脱水处理方式提供了新的思路。

3.5 淤泥资源化利用

水库淤积量大、淤泥成分和分布复杂，如何无害化、资源化处置水库淤泥是亟待解决的水库清淤难题。根据国内湖泊和河道疏浚经验，对于含沙量高的淤泥，可用作建筑材料、烧制砖等;对于有机质含量高的淤泥，可用作覆土造田、改造低产田、场矿治理等。如红崖山水库[14]淤积物为壤土或粉质黏土，经沉淀和晾晒脱水后用作回填料，掺配黏土岩粉碎细磨料用于坝体防渗料。赋石水库淤积物含沙量高，淤泥筛分砂石料出售，经济效益较好[15]。

水库淤积物成分、淤泥处理条件不尽相同，需结合水库实际情况，因地制宜地采用经济、环保的处置方式。国内水库清淤淤泥处置方式以弃渣场堆存或用作造地回填料为主，是由于水库位于偏远山区，建材需求较低，运距远，且淤泥加工为建筑材料成本较高。目前，经处理后，水库淤积物作为砂料利用仍存在政策方面的问题。

4 结 语

水库淤积严重影响水库防洪安全、运行安全、生态安全，是水库运行管理中亟待解决的重要问题。我国水库淤积性态研究已开展数十年，对水库淤积性态规律有较深入的了解，淤积物勘测、机械清淤及淤泥处理技术均较成熟，具备开展常规水库清淤条件。但水库清淤仍存在深水清淤、环保清淤、淤泥处置及资源化利用方面的技术难点。虽然目前已在深水清淤船、环保式绞吸船、淤泥环保处理工艺、孔洞水下清淤机器人研发、水上清淤及固化处理平台、淤泥制作建筑材料等方面开展了研究，并应用于一些水库清淤试点工程，取得了一些研究成果，但总体还上还处于研究试点阶段。

结合上述技术难点和研究成果，可开展水库淤泥勘测、清淤、干化、资源化利用一体化水上施工平台及设备研究，简化施工工艺，提高施工效率，降低清淤成本，提高淤泥资源化利用经济效益，有利于大规模开展水库清淤工作。

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[12] 长沙矿冶研究院有限责任公司. 一种深水清淤车：中国，201810576600.0[P]. 2018-09-11.

[13] 密西西比国际税务有限公司. 大型水库、湖泊环保清淤的方法和系统：中国，201710345863.6[P]. 2017-05-16.

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[15] 李宝虎，俞益铭. 赋石水库清淤工程的效益评价[J]. 浙江水利科技，2014，2：80-87.

（编辑：李晓濛）