城固县堰沟河水库清淤工程浅析

2021-05-13田可

地下水 2021年2期

田可

(陕西水环境工程勘测设计研究院，陕西西安 710018)

近年来我国干旱和洪涝灾害问题日趋尖锐，可用水资源量的时空分布更不均匀，水库库容用以保障灌溉和抵御洪水的需求越来越强烈。同时，移民和生态环境问题的日益突出与备受关注，新建水库受到的限制条件越来越多，且可供建设的优良坝址也在逐渐减少。水库泥沙淤积不仅侵占水库库容，直接影响水库灌溉、发电的效益，削弱水库防洪能力，危害水库运行安全，还会导致上游支流水位抬升，加大区域防洪压力。通过水库清淤工程，不仅能恢复水库库容，延长水库使用寿命，还可达到除害为利、变废为宝的目的。

1 水库概况

城固县位于陕西南部汉中盆地腹部，总人口54.3万，是古丝绸之路的重要源点、汉中副中心城市和汉中第二人口大县。堰沟河为汉江一级支流，发源于城固县米仓山北麓观音岩，由南向北流经天明镇、三合镇等2个乡镇，在三合镇余观村穿过堰沟河水库继续北流，于三合镇龙王庙村西汇入汉江，河道全长61 km，流域面积168 km2。平均比降13.2‰。堰沟河水库位于城固县三合镇，堰沟河入汉江口，水库坝址以上流域面积147 km2，河道长58 km。

堰沟河水库位于城固县三合镇，堰沟河入汉江口，水库坝址以上流域面积147 km2，河道长58 km。堰沟河水库是一座以灌溉为主，兼防洪、养殖等综合利用的小(一)型水库，总库容515万 m3，设计核定兴利库容180万 m3，滞洪库容200万 m3，死库容20万 m3。设施灌溉面积1.1万亩，养鱼水面290亩。堰沟河水库始建于文革时期，是边勘测边设计边施工的“三边”工程。设计标准低、施工质量差，工程地质复杂，设计、施工中存在着不可忽视的技术问题，致使工程多次出现险情,工程带病运行三十多年，老化严重，险情加剧。2005年对堰沟河水库进行了除险加固。

该水库保护下游城固县城、三合镇、316国道、西汉高速公路以及9.5万人口与1.5万亩农田，位置十分重要。水库经过多年的运行，水库淤积问题严重，导致水位抬高，严重影响水库运行。

2 库区淤积现状

堰沟河水库兴建于20世纪60年代，水土流失严重，水流含一定泥沙量，经多年运行之后已出现泥沙淤积现象，严重削减了水库的有效库容，影响水库效益正常发挥。根据《堰沟河水库除险加固工程初步设计报告》，水库自1975-2004运行30 a，水库淤积量125万 m3，占水库总库容515万 m3的24.2%。

根据2020年测量资料显示，水库淤积高程呈上升趋势，淤积总长度为6.99 km，平均清淤厚度5.20 m，最大淤积厚度为8.3 m，淤积总量为178.7万 m3，占总库容的34.7%。水库淤积现状纵断面见图1。

图1 堰沟河水库淤积

3 清淤的必要性分析

堰沟河水库现状库容为336.3万 m3，淤积库容178.7万 m3，占总库容的34.7%。淤积占兴利库容127.3万 m3，侵占兴利库容的70%。水库淤积已经严重影响水库效益及自身防洪安全。故急需进行水库清淤。

3.1 防洪保安，提高防洪能力

防洪库容是衡量水库防洪能力，保护下游人民群众以及重要基础设施防洪安全的重要指标。泥沙在水库防洪库容内大量淤积，势必导致防洪库容的减少，相应降低水库防洪能力。另外，淤积物在入库河流段淤积，会导致上游河道行洪断面变小，降低行洪能力，影响两岸群众、耕地及道路等的安全。淤积的逐年增大影响防洪安全。有效实施水库清淤工程，可达到防洪保安，提高防洪能力的目的。

3.2 兴利增效

兴利库容是水库工程发挥灌溉、养殖等效益的基础。兴利库容内存在大量淤积物，会减少水库兴利库容，减弱水库兴利能力，进而影响水库兴利增效的能力。

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水库经多年运行，死库容已被淤积物侵占，淤积问题严重，现状水库兴利库容已有70%库容被淤积物侵占，导致水库原设计的灌溉规模大打折扣。根据现场调查，每年已有6 000余亩农田得不到有效灌溉，粮食产量急剧减少，影响群众收入，对农民脱贫致富产生负面影响。因此为确保水库的灌溉效益及综合效益的发挥，缓解水库淤积对粮食安全的影响，对水库进行清淤是十分必要和相当迫切的。

3.3 保护环境

泥沙淤积导致水库有效水深降低，减少了水生生物的活动范围，对水生生物的生存环境产生负面影响，同时对库区养殖产生负面影响。泥沙淤积导致上游河床抬高，淤积带向上延伸，两岸地下水位也随之抬高，从而造成两岸农田次生盐碱化对生态环境的破坏，清淤后可恢复和保护生态环境。

水库淤积所损失的不仅是库容，更浪费了建造水库的良好坝址。选择新的坝址需要淹没大量优质农田或大量移民，投入成本巨大且容易成为社会不稳定因素，并对自然生态造成破坏。

4 清淤的可行性

实施水库清淤工程能恢复水库的有效库容，技术上可行，成本相对也较低。

4.1 淤积物可再利用

清淤改善了水库水质，清出的淤泥可用来制作有机肥、改善土壤和填土造田，砂料可用作制砖或建筑材料，实现淤积泥沙的资源化产业化利用，变废为宝且降低了清淤成本。

4.2 成本低

清淤恢复有效库容的成本低于新建水库成本，其优势在于不占用耕地、不产生移民及费用，不损耗建材。水库库尾河漫滩处采用旱采方式，其工艺成熟，开采费用低，水库库内采用陆地清淤，不影响水库正常运行。

4.3 风险可控

水库清淤只是对库区内淤积物进行清理，对水库安全无任何影响。水下清淤采用绞吸式挖泥船，其工艺成熟，对施工人员人身安全无威胁。陆地清淤采用挖掘机进行清淤，操作简便不留死角，施工安全。

4.4 对供水对象无大的影响

水下清淤过程中会引起局部库水浑浊，但其影响是暂时的，局部的，绞吸式挖泥船巨大的吸力将其一并清理，对农业灌溉等不会产生大的影响。而陆地清淤施工成熟，对供水对象基本无影响。

恢复水库的有效库容，提高水库调蓄能力，延长水库使用寿命，采取清淤方式增效是恢复水库调蓄能力和充分发挥水库防洪、灌溉效益的一项费省效宏的重要措施，经济上合理。

因此，水库清淤在技术上可行，在经济上是合理的，运行期间影响小，且工程实施后对水库的安全运行也是有利的。

5 清淤范围确定

为保证水库大坝枢纽工程稳定安全，本次清淤范围为大坝保护范围以外的水库库区。

根据《河湖和水利工程管理范围及保护范围划界技术指南(试行)》，小型水库工程管理范围外缘控制线上游为从坝上游脚线向上游50～100 m，此次取100 m；工程保护范围从工程管理范围边界线外延，小型水库上游100～200 m，此次取100 m。

本次清淤水平范围：起点为堰沟河水库坝上游脚线200 m处，末点为坝上游坡脚线6 992 m处，清淤总长度为6 792 m，水库校核洪水位以下高程；

6 清淤设计

6.1 开挖纵向比降

根据地形图，原库区段河底比降为3.38‰；根据测量数据分析，现状河道淤积面纵比降为1.98‰，设计开挖纵向比降采用库区段原河底比降3.38‰，开挖设计库底高程范围为480.48～503.29 m。

6.2 开挖横断面

6.3 水库清淤方案选定

目前，水库机械清淤主要有两类，一类是无水作业，一类是无水作业与带水作业相结合。无水作业需要排空作业区，带水作业主要由专业船舶完成。两类方法均可以满足本工程清淤要求，但各有利弊，两方案对比如下：

方案一：因水库死水位以下已基本淤满，此方案将水库放空，施工安排上，从9月开始，将库区清淤区晒干至11月上冻初期，待解冻后采用挖掘机直接进入清淤区挖掘。

方案二：保持水库水位于运行水位，水下采用具有自排功能的清淤设备，陆地采用挖掘机直接进入清淤区挖掘。水下施工时，可选用适合施工条件的挖泥船，经水下清淤，再通过排泥管将淤积物排至堆积点。

方案一优点是采用挖掘机挖掘，施工工艺简单、节省投资。缺点是施工场地要求高，水库腾库晾晒时间长，影响灌溉、养殖及发电效益；方案二优点是不影响水库效益及正常运行，施工条件较好。缺点是施工工艺相对复杂，清淤费用相对较高。

由于方案二不影响灌溉、养殖及发电效益，并且放空水库产生的损失较清淤工程费用高。因此本次清淤工程选取方案二，即保持水库运行水位，采用挖掘机清淤与挖泥船结合的方式共同清淤，即本次清淤采用陆地清淤和水下清淤结合清淤的方式。

6.4 清淤量及清淤方式

水库淤积量根据测量资料及原水库库容资料进行计算，经分析计算，此次设计清淤量为152.53万 m3。其中水下清淤量为73.97万 m3，陆地清淤量为78.56万 m3。堰沟河水库常年运行水位为494.7 m，根据绞吸式挖泥船最低工作水深的要求，需保持挖泥船的最小吃水深度2 m。根据绞吸式挖泥船最低工作水深的要求及水库近年运行常水位高程494.7 m，确定设计桩号0+200至1+111段采用水下清淤工艺；桩号1+111至3+820段采用水下和陆地结合清淤工艺，其中淤积高程高于492.70 m采用陆地清淤工艺，淤积高程低于492.70 m采用水下清淤工艺；桩号3+820至6+992段采用陆地清淤工艺。

在水库水深较大处，采用绞吸式挖泥船开挖，淤积物由管道输送至堆积点，排出积水后外运；在水库水深较浅及库尾处，采用挖掘机开挖卡车外运；陆地与水下结合清淤区，先施工导流围堰，然后对表层淤积物进行陆地清淤，待水深达到要求后进行水下清淤。清淤由上游至下游、由高至低进行，每年汛期停止清淤。

本工程水下清淤量为73.97万 m3，根据绞吸式挖泥船的工作特点，清理出的淤积物形态为泥浆，含水体积约为60%，使用绞吸式挖泥船预计共清理泥水混合物185万 m3，根据总进度安排及施工条件分析，本次选用一艘200 m3/h绞吸式挖泥船施工，动力系统采用柴油发动机。挖泥船在水库内回水尾部先进行横向清淤，再逐渐向大坝处移动进行清淤。

此次清淤释放库容152.53万 m3，占水库设计总库容的30%，依据近15 a水库淤积情况，可延长水库使用寿命约40 a。