朔州市下米庄水库清淤措施探讨

2024-03-07韩卓雄

水科学与工程技术 2024年1期

韩卓雄，刘勃

（永定河流域投资有限公司，北京 100091）

水库清淤对维持水库正常运营、保护水资源、提升水库经济效益等有重要意义，但受制于技术设备欠缺、淤泥堆放等条件，一直是水利工程中一大难题。2022 年国家发展和改革委员会等批复的《永定河综合治理与生态修复总体方案（2022 年修编）》规划从大同市墙框堡水库引水，通过口泉河向永定河生态补水，在此基础上永定河流域投资有限公司开展对口泉河进行生态治理，对下米庄水库进行清淤。

1 工程概况

下米庄水库位于下米庄村北，地理位置东径113°13′41″，北纬39°52′21″，属于海河流域，位于永定河水系桑干河支流口泉河中下游。水库控制流域面积约314.1 km2，总库容1144.8 万m3，是一座以防洪、灌溉为主，兼有水产养殖的中型水库。

水库于1961 年建成完工，经过60 多年运行，存在淤积严重、生态景观效果不满足周边需求等问题。2023 年由永定河流域投资有限公司委托相关单位进行测量，淤积量229.4 万m3。

下米庄水库现状灌溉面积为2466.66 hm2，50%保证率时，灌溉需水量886 万m3。根据《山西省朔州市怀仁市下米庄水库续建配套工程与节水改造工程实施方案》，项目经节水改造后，预计灌区灌溉面积4733.33 hm2，50%保证率时，灌溉蓄水量926 万m3。目前水库最大年供水量295 万m3，远不能满足灌溉需求。为提升水库兴利库容，减少内源污染，永定河流域投资有限公司决定在朔州市口泉河河道综合治理与生态修复工程一期的基础上实施二期工程：下米庄水库清淤扩容，打造水库周边生态廊道。

2 工程清淤方案

水库运行60 多年来，期间经过两次除险加固，但从未进行水库清淤。本次清淤充分考虑水库管理、淤积现状及淤积物组成，选择满足防洪、供水、养殖和旅游要求的综合治理方案： ①全面分析水库淤积型态、淤积物分布和组成等，制定清淤方案。②尽可能清除兴利库容范围内的淤积质，满足养殖要求。③清淤过程中避免影响现有建筑物，保证大坝、溢洪道等枢纽工程安全运行。 ④结合国内平均先进水平清淤装备，合理对水库进行分区，结合施工试验完善施工参数，降低投资成本。⑤考虑施工及场坝尾水回收，保证脱水水质达标排放。⑥合理安排清淤物堆放位置，充分考虑淤积物资源化利用。⑦充分考虑工程的经济效益和资金来源。

2.1 清淤方式比较

2.1.1 水下清淤

利用适宜挖泥船对水库库底进行清淤，主要特点是可不受水库调度影响，且耗水量小、机动性强；但清淤能力不足，易在汛后再次返工，成本较高。

（1）绞吸式挖泥船。利用绞刀绞松库底淤积物，在绞刀头的旋转运动下，形成固液两相混合物，与水混合成泥浆，泥浆含水率达80%以上，经过吸泥管吸入泵体后，排至指定堆泥区。适用于风浪小、流速低的区域清淤。

（2）耙吸式挖泥船。配有耙头挖掘部件和吸泥装置。工作时，将耙吸管放至库底，通过耙头和吸泥管把泥浆吸进挖泥船的泥仓中，泥仓吸满后，运输至抛泥区，适用于敞开式、狭长的港口航道，开挖效率高。

（3）抓斗式挖泥船。在挖泥作业时，将钢缆上的抓斗插入泥层来挖掘和抓取淤泥，再通过船上起重机将抓斗提出水面，将淤泥卸入泥舱或泥驳中，如此反复操作。抓斗式挖泥船一般用于航道、海底挖泥工作，适用于淤泥、砾石、卵石的挖掘。部分抓斗式挖泥船不具备动力航行，需采取泥驳装泥和卸泥的方式。

不同水下清淤方式优缺点对比如表1。

表1 不同水下清淤方式优缺点对比

综合分析，根据地质勘探成果，水下清淤部分最大水深1.5 m，水下部分主要为淤泥质黏土，适宜绞吸式挖泥船清理坝前区域。

2.1.2 陆地清淤

陆地清淤需要创造干地清淤条件，库区导流后，库区中上游底泥全部暴露，可采用挖掘机或水力冲挖进行施工。

（1）挖掘机清淤。通过库区铺设临时道路、铺垫钢板及挖掘机倒运等工艺进行干地挖泥、自卸汽车运输淤泥。其优点是水量消耗小、可控性强、清淤彻底，清淤料可直接运走堆放，环境影响较小；缺点是雨季对陆地清淤机械装置影响较大，难以估计淤泥深处的排泥和排水速度，对工程工期产生较大的不确定因素。

（2）水力冲挖。通过高压泵水流产生压力，在库底土体进行切割、粉碎，使其湿化、崩解，浆液通过排水沟汇流至集浆坑内，再通过输泥管道输送至弃土场。其优点是机械化程度高，挖土效率高，可代替挖泥船在浅水区域进行清淤，同时避免库区临时施工道路的铺设；缺点是从水库中抽水冲泥，形成一定范围无水区域，造成淤泥黏粒小、沉淀慢、渗水性能差、脱水时间过长等问题。

2.1.3 淤泥脱水方案比较

（1）自然干燥法。利用太阳光能、空气对流等对淤泥进行脱水、干燥，促使含水率下降，主要方法有自然暴晒、人工翻晒、底面脱水、挖掘堑壕等方式。其优点是施工工艺简单，直接费用低，宜处理原状淤泥量少、含水率低且无污染；缺点是自然状态下淤泥脱水效率不高，干燥周期较长，如淤积物存在污染就可能对周边环境造成较大影响，施工周期受天气状况影响大且临时占地时间较长，导致费用增加。

（2）板框压滤脱水法（脱水固结一体化）。板框压滤脱水法主要原理是通过添加特制泥水分离剂，改变库底泥水结合方式，再利用特制的脱水机高压和浓缩泥浆，高效实现泥、水分离，加快淤泥脱水干化，可使淤泥含水率控制在35%～60%。本工艺可实现淤泥体积大幅减量，脱水效果好，场地占用小，脱水时间灵活，可根据需要对重金属、微生物等有害物质进行钝化、固结或消毒，缺点是脱水处理成本高。

（3）带式脱水法。利用滤带与辊轴之间的剪切力对淤泥进行挤压搓揉，将淤泥中的水分强行挤出的一种脱水工艺。该工艺能耗大、产量低，脱水效果不佳，一般只应用于污水处理厂的少量淤泥处理；不宜用于处理量大、施工周期短的水库清淤工程。此外带式机只能脱去淤泥中的表层水，残留含水率依然在60%以上。

（4）淤泥处理工艺比较。根据地质勘查成果，下米庄水库底泥污染性较小，淤泥经处理后可直接造地。本次水下清淤绞吸式挖泥船清理淤泥含水量达90%以上，需要进行脱水处理，拟定采用自然晾晒结合板框压滤脱水法。两种工艺相互补充，提高脱水保证率，可在计划工期内完成清淤任务。

2.1.4 清淤方式的确定

综合以上比较，项目区位于北方内陆，水资源较为匮乏，水下清淤消耗水量较大。同时考虑到水库的养殖功能，水下清淤对鱼类的影响较大，考虑到项目清淤范围为水库一部分，因此采用干地清淤较为适合。清淤时采用导流明渠与围堰相结合的方式保证清淤范围不被淹没，使淤积物在水库内排水晾干有了可能。同时，为合理利用项目资金，本项目清淤采用自然排水晾干方式。

根据分析比较，清淤方式选择绞吸式挖泥船、挖掘机相结合方式，再通过自卸汽车运输至弃土场。

2.2 堆场布置及处理

本次清淤总土方量为147.1 万m3，清淤量较大，需设专门弃土场。淤积物弃土场主要考虑以下因素：尽量选择距项目地较近处，以合理控制项目投资；对弃土场地性质进行提前调查，禁止占用基本农田，尽量少占耕地。结合以上原则，经对库区周边调查，选择弃土场共6 处，均为低洼地。经对各弃土场现状地形分析，确定各弃土场弃土量如表2。

表2 各弃土场弃土量

3 施工组织设计

下米庄水库设计总库容1142 m3，依据相关规范，导流建筑物级别按5 级考虑。在施工过程中应采用盆式开挖顺序，从中央到四周，减少基坑暴露时间，防止侧壁发生过大变形。

施工工艺流程：进场临时道路修筑→淤泥槽挖排水→淤泥顶高程测量→开始清淤→清淤控水→挖机装自卸汽车→运输至回填区内→淤泥底高程测量。

宜采用逐段掘进方式，从上往下分层分段依次进行，为便于下泄而制造一定坡度，遇到积水，随时用污水泵排除。

4 生态措施

4.1 生态理念

项目选址在口泉河国家湿地公园，结合永定河流域治理目标，将口泉河恢复成“流动的河、绿色的河、清洁的河、安全的河”，在水库清淤的同时，进行生态修复，选择抗盐碱、抗旱的树种，以粗犷式管理为主；配套部分划分了功能分区，塑造不同的景观节点；融入当地文化，建立科普教育场地，以下米庄水库为基底，水库两岸打造绿色生态廊道。