乌拉泊水库清淤方案比选分析

(湖南兴禹建设有限公司，湖南 常德 415000)

1 工程概况

乌拉泊水库位于乌鲁木齐市南部，是乌鲁木齐河中游的一座拦河水库，也是乌鲁木齐河治理的骨干工程，为Ⅰ级大(1)型工程，大坝和放水涵洞等主要建筑物为1级，次要建筑物为3级。乌拉泊水库清淤工程主要任务是在保证正常供水的前提下，将1068.40～1082.40m(正常蓄水位)水位间淤积质清除，恢复乌拉泊水库汛限水位以下的兴利库容。乌拉泊水库清淤工程具有规模大、主体施工内容单一、施工期长、水下施工等特点。

乌鲁木齐河泥沙主要来自流域内暴雨对表土的侵蚀，乌鲁木齐河输沙量的年际变化较大，年内分配极不均匀，多年平均悬移质输沙率4.73kg/s，多年平均悬移质输沙量14.93万t；多年平均推移质输沙率1.56kg/s(多年平均推移质含沙量为0.20kg/m3)，多年平均推移质输沙量为4.93万t。多年平均总输沙量为19.86万t/年，5—8月的输沙量占年输沙量的90%以上。乌拉泊水库泥沙淤积量实测资料见表1。

表1 乌拉泊水库泥沙淤积量实测表单位：104m3

2 工程方案比选

结合乌拉泊水库的管理和淤积现状以及淤积物组成和形态，为使水库清淤方案符合城市防洪和城市供水的要求，考虑到施工条件、工期、工程量、投资、环境影响、运行条件等因素，选择对以下四个清淤工程施工方案进行比选。

方案一：采用挖泥船进行库内挖掘清淤。该方案在技术上可行，且施工难度相对不大，施工期间水库可以正常运行，发挥效益。

方案二：在乌拉泊水库左坝段增建排沙洞，进行间隙性冲沙。

方案三：在乌拉泊水库库区周边选择傍山处等可开挖隧洞及下游具备沉沙条件的地形处，选择水力冲沙，由挖泥船采砂投入自流排放，机械对沉沙池进行机械清淤。

方案二、三施工可能会造成水库空蚀破坏，安全隐患极大。

方案四：从大西沟水库放水闸接一输水管道至乌拉泊水库放水闸，腾空库容，晾晒后采用常规机械挖运清淤。该方案施工期内水库不能发挥效益，且工程量较大，对时间要求较高，技术上实施起来难度较大。

通过实地考察及论证分析结果选取方案一：采用挖泥船进行库内挖掘清淤，在技术上是可行的，经济性相对较优。

3 工程主要设备比选

3.1 工作原理

挖泥船的工作原理就是挖泥机械借助于水的携砂运动，来进行挖掘及输送转移水下土方。将水下土层经过机械切割使之松动，使泥沙与水相混合，形成一定浓度的泥浆，然后吸泥管吸入泥泵再经过输泥管道输送到排泥场或滤泥池。

挖泥船通过横移系统的作用，使挖泥船以定位桩为中心呈扇形移动。除换桩时挖泥船短暂停止外，挖泥过程中一直处于轨迹弧线的基本均速运动。摆动的速度取决于“吃”泥量的多少。当泥浆浓度较高时，主机负荷增大，速度减慢；当泥浆浓度较低时，速度加快。通过观察驾驶室内的真空表与压力表，使挖泥船始终处于正常偏高的泥浆状态，以保持较高的生产能力。

完成该定位桩控制范围的挖泥后，通过换桩使挖泥船整体前移，进入下一个挖泥作业。挖泥船通过绞刀及绞刀桥架、横移、定位桩系统的有序动作，使挖泥船实现在挖槽断面内连续实施挖宽、挖深及前移定位的施工动作。

3.2 挖泥船生产能力及疏浚土与挖掘特性

绞吸式挖泥船或斗轮式挖泥船作为一种主要用于开挖水下土方的水上施工机械，可以完成人力和其他陆上土方机械所不能胜任的开挖工程，被广泛应用于河道(或航道)的加宽、加深及港池挖泥及水库清淤等。

挖泥船生产能力见表2。

表2 挖泥船生产能力

疏浚土与挖掘相关特性是根据自然条件对所选设备的初步适应性的选择，在具体工程施工时，还需考虑高产、低耗、安全、优质等方面的综合因素，在现场的施工进度、工期、运距等条件下，合理组织安排清淤施工。疏浚土与挖掘特性见下页表3。

3.3 挖泥船设备选型

3.3.1 挖泥船类型

绞吸式挖泥船是利用转动着的绞刀绞松河底或海底的土壤，与水和泥混合成泥浆，经过吸泥管吸入泵体并经过排泥管送至排泥区。绞吸式挖泥船挖泥，输泥和卸泥一体化，自身完成，生产效率较高。适用于风浪小、流速低的内河湖区和沿海港口的疏浚，以开挖砂、砂壤土、淤泥等土质比较适宜，采用有齿的绞刀后可挖黏土。绞吸式挖泥船清淤作业照片见下页图1。

表3 疏浚土与挖掘特性

图1 绞吸轮式挖泥船清淤作业图

斗轮式挖泥船除了挖掘设备不同，其余与绞吸式挖泥船大同小异。斗轮式挖泥船斗轮转动轴与支臂成一定的角度，而绞吸式挖泥船绞刀头转动轴则平行于支臂。斗轮式挖泥船清淤作业见图2。

图2 斗轮式挖泥船清淤作业图

3.3.2 挖泥船设备设计比选

根据乌拉泊水库清淤挖泥船设备设计及船体尺寸、节能减排、抗风条件、施工干扰等方面的综合比较，乌拉泊水库清淤工程清淤Ⅱ区、Ⅲ区淤积物质，推荐采用的挖泥船主要设备为350m3/h绞吸式挖泥船(见表4)。

表4 挖泥船设备设计

4 工期优化

乌拉泊水库清淤工程选择有经验的施工单位进行施工，根据乌拉泊水库的运行条件及气象条件，主要是风浪及冰情条件进行有效施工期优化。初步设计以下两个方案进行比选。

ⓐ方案一:Ⅱ区、Ⅲ区清淤安排在每年4月中旬—9月中旬，可工作天数183天/年，有效工作天数148天/年(其中控制设备检修时间27天/年,大风天气停工8天)，三班制作业，24小时/日。

ⓑ方案二:Ⅱ区、Ⅲ区清淤安排在每年5—8月，可工作天数123天/年，有效工作天数103天/年(其中控制设备检修时间18天/年,大风天气停工2天)，三班制作业，24小时/日。

施工期按每年4月中旬—9月中旬设计,施工总工期需要4.30年,施工期按每年5—8月设计,施工总工期需要6.18年。经施工期的方案优化，确定方案一:每年4月中旬—9月中旬作为施工期是更为合理可行的，清淤乌拉泊水库Ⅱ区、Ⅲ区淤积物质可比方案2缩短总工期1.88年。

5 Ⅱ区、Ⅲ区淤积物清淤施工方法

水库水上淤积物开挖采用350m3/h绞吸式挖泥船挖泥船清淤，按设计要求以100m为一开挖段。清淤开挖采用定位桩横挖法，即挖泥船在开挖断面内，利用一根钢桩或主锚为摆动中心，左右横移和前移挖泥，船体前移—进刀或者后移—退刀，均由定位桩台车液压油缸驱动。按挖泥船前移方向进行分段、分层开挖。

排泥管线是挖泥船输送水沙、必不可少的重要辅助设备，由水上管线、浮筒、陆上岸管三部分组成。排泥管线在库内段全部由浮筒支撑，锚艇配人工架设，水陆接头由多节软管连接，陆上管线沿岸边架设，通过变向阀门控制进入吹填滤泥池；根据滤泥池底高程和设计滤泥高度进行机械拉运施工。

乌拉泊水库清淤工程水上供给及作业交通设备主要有50t油驳、25t水驳、交通艇。

6 淤积物综合利用

随着乌拉泊水库淤积物清淤出库，可利用其富含有机质的淤积物485万m3粉细砂局部夹粉土层、粉土。运到乌拉泊水库入库口至青年渠29km乌鲁木齐河洪水线以上岸边，用于环境治理工程的种植表土40万m3，种植面积600亩。此外445万m3淤积物被清淤出库后，暂堆放于乌板公路乌拉泊至干河子大桥段5km范围内的防风、生态林以外100～200m，集中堆放，堆高3.00～3.50m，临时占地2122亩。这部分淤积物可用作改良1～1.25万亩乌鲁木齐市生态恢复工程客土，以改善乌鲁木齐市的生态环境条件(施工现场设备见图3)。

图3 施工现场设备图

7 结 语

通过上述对乌拉泊水库清淤工程淤泥状况、清淤方案、清淤设备、工期等进行分析，选出最优设备及方案，对乌拉泊水库进行最合理的清淤施工。乌拉泊水库清淤工程按上述选定设备、方案实施后，施工顺利，完工后为天山区、沙依巴克区、水磨沟区生活、工业、公共事业、市政设施和绿化提供用水，缓解乌鲁木齐市城市的用水紧张矛盾。施工经验为今后水库清淤设计、施工提供参考。