三峡水库坝前深水清淤疏浚技术研究

任 实，胡兴娥，邢 龙，吕超楠，高 宇

(中国长江三峡集团有限公司，湖北 宜昌 443100)

1 研究背景

水库蓄水运行后，库区水深和过水断面面积较天然河道有所增大，水流流速减小，挟沙水流进入库区后，由于水流挟沙力大幅下降，挟带的泥沙会在水库内淤积[1-4]。根据以往研究，全球水库每年泥沙淤积造成的库容损失率达0.5%～1.0%，而我国的年平均库容损失率更是达到2.3%[5-6]。泥沙淤积问题涉及水库上下游河道安全，并会直接限制水库防洪抗旱、发电、航运、生态效益等综合效益的发挥[7-8]。水库淤积控制一直是水库长期有效安全运行的难点和热点问题，水库淤积控制措施包括拦减水库来沙，利用泄洪、排沙设施排沙，机械清淤等[9-11]。

水库清淤主要运用技术手段对水库淤积的库容进行恢复，主要包括机械清淤和水力清淤两种方式。水库清淤技术不仅要安全高效，还需兼顾经济性和环保性，避免产生二次污染。传统的机械清淤主要适用于库区水深较小的中小型水库。随着大坝建造技术的提高和社会需求的提升，我国大型深水水库的数量也越来越多，清淤技术也需要不断地发展，才能满足高坝大库的深水清淤需求[12-13]。

本文主要研究了大型水库坝前深水气动力式清淤技术，并通过三峡水库坝前深水试验对气动力式清淤技术的性能和效果进行了评估，研究结果可为大型水库清淤疏浚提供技术支撑。同时，随着社会经济的发展，工程建设对砂石料的需求大幅增加，水库清淤以及淤积沙的资源化利用可有效缓解砂石资源供需矛盾问题。大型水库深水清淤疏浚对于水库发挥综合效益、水库资源的可持续发展具有重要意义。

2 三峡水库坝前淤积情况

三峡水库坝前河段为庙河至坝址(S40-1—S30+1)，全长15.1 km。蓄水以来，2003—2018年，坝前河段累积淤积泥沙1.747亿m3，其中：110 m和90 m高程以下淤积量分别占该段总淤积量的82%和75%，坝前河段深泓平均淤厚37.3 m，最大淤厚66.8 m(S34断面，距离大坝5.6 km)。目前，左电厂进水口前沿河床平均高程约80 m，右电厂进水口前沿河床平均高程约86 m，右岸地下电站进水口前沿区域平均高程104.7 m，如图1所示。

图1 三峡水库坝前区域淤积变化情况Fig.1 Sedimentation distribution in front of the dam of Three Gorges Reservoir

地下电厂布置于右岸茅坪溪白岩尖山脊下，共6台机组，每台机组引流量900 m3/s，进水口底板高程113.0 m。每二台机组之间布设一条排沙洞(共3条排沙洞)，每洞引用流量120 m3/s，进口底板高程为102.0 m。目前，坝前泥沙淤积高程均低于电厂进水口的底板高程(左右电厂进水口底板高程108 m，地下电站进水口底板高程113 m)，且淤积物颗粒较细，对发电未造成影响。但是，地下电站前沿泥沙淤积高程为104.8 m，超出排沙洞进口底板高程2.5 m，泥沙淤积会影响排沙孔正常开启，继而影响水库发电。因此，迫切需要研究深水清淤疏浚技术，为水库综合效益全面发挥保驾护航。

3 气动力式清淤技术

一般而言，库区水流挟沙能力弱、输沙量少的主要原因在于水流紊动能力弱，无法让淤积泥沙再次启动。因此，提高水流输沙能力的关键在于增加水流的紊动性。气动式深水清淤技术依据气力泵系统工作原理，采用高压空气作为动力，通过高压胶管连续不断地进入引流管底部，并向引流管内释放，把引流管内的水不断向外排出，造成引流管外的压力大于管内的压力，由于压差的作用，将引流管口外周围的泥、砂、砾石及其他物料源源不断引流进入管内，然后利用压缩空气的力量，把泥浆推出泵体，通过排泥管送往预定地点，同时结合淤积物处理利用技术实现块石与杂物的快速分离和淤泥、粗颗粒物料快速脱水。

传统的清淤抓斗船、绞吸式挖泥船等清淤方式，将河底淤积物挖到拖船上，再运送到指定淤积物堆放点，这种清淤方式对中小型水库的清淤效果较好，无法适用于大型水库。气动式深水清淤技术保留了气力泵系统所具有的操作简单、无转动磨损部件、产出效率高、挖深范围大、作业无污染等特点，清淤作业深度可达到百米级，大大提高了作业水深。同时，可吸入的物料粒径较大，一般可达到吸口直径的90%左右，对于水下淤积物粒径不明的工况具有较好的适应性。

气动式清淤技术主要装置包括水上工作平台(深水清淤工作船)、气浮式深水物料采集装置(深水清淤机)、物料输送管道(取砂管)、输送机(液压绞车链斗输送机、皮带输送机)、空气压缩机等，如图2所示。气浮式深水物料采集装置(深水清淤机)是气动式清淤机的核心技术所在，主要有导管、外套管、吸头、空分器、平衡管、平衡阀、进气接管、喷射原件、防护隔栅、引流管等组成。

图2 气动式清淤装置示意图Fig.2 Schematic diagram of aerodynamic dredging device

4 三峡水库坝前深水清淤疏浚试验

4.1 试验区域

气动力式清淤技术先后在锦屏二级水电站进水口、枕头坝一级水电站尾水河道、龙口水电站尾水渠、太平湾水电站等清淤疏浚工程中得到运用[14-16]，环境适应性强，具有效率高、清淤效果好、成本低等优点。然而上述清淤工程中，环境水深均不超过50 m，针对百米级的深水，气动力式清淤技术还有待检验。考虑到清淤装置要在百米级水深环境下作业，检验其疏浚技术与疏浚能力。结合三峡库区水流条件和水面宽度情况，试验选定在三峡坝前区域进行，平面位置如图3所示，其中试验ABCD区域所在河道断面淤积情况如图4所示。试验时，三峡水库已蓄水至正常蓄水位175 m，坝前区域河床高程在60 m，试验的环境水深达115 m。根据断面地形数据，选择水深最大的区域进行清淤试验，试验范围为200 m×200 m。

图3 三峡水库坝前深水清淤疏浚试验地点Fig.3 Test sites of deep water dredging in front of the dam of Three Gorges Reservoir

图4 S32+1断面淤积分布Fig.4 Sedimentation distribution of the S32+1 section

试验记录参数包括清淤前后的流速、水深等场地施工参数、淤积物的物料粒径、级配和杂物品类等性状、系统的生产能力及时间利用率等。本次试验主要测试气动力式清淤技术在百米级水深下的清淤性能，因此试验中未将淤积物送上岸处理，通过深水导流管将吸附上来的淤积物又传送到离试验位置较远的水域。试验主要装备包括：

(1)水面作业平台。深浚一号尺寸为型长58.0 m×型宽12.0 m×型深2.5 m。

(2)清淤系统。气动式深水疏浚装置包括钢制伸缩管2根，吸口管径DN600 mm。

(3)钢制排泥管。22支×管径DN600 mm×管长6 000 mm。

(4)动力系统。5台XAVS900CD柴油型空气压缩机。

(5)辅助船舶。新水6号(运输兼动力船)交通船2艘。

试验过程中测量的参数包括平面位置、水下地形、泵体入水深度、水流流速、气体压力、噪声、渣料粒径、油料消耗等，主要测量仪器如表1所示，另需配备照相机、摄像机、水下电视等影像记录设备。

表1 试验仪器及功用Table 1 List of test instruments and functions

试验区域的相关参数如表2所示。试验过程为：

表2 清淤试验参数Table 2 Desilting test parameters

(1)测定试验区域的流速、水深、淤积物深度、原始地形等。

(2)开始试验，待试验结束后立即测量水下地形，研究清淤效率和清淤效果。

(3)完整记录每个试验清淤点有效工作时间，用于工作效率的测算。

(4)试验工况完成后，对淤积物特性进行取样并统计分析。

(5)详细记录每个试验清淤点的设备台班和工时，用于定额的测算。

4.2 试验结果分析

本次试验的清淤方量计算采用断面法计算，测图比例为1∶200时，图上测量断面间距为1～2 cm，图上定位点最大间距为1～2 cm，折算为计算清淤量的实际断面间距为2～4 m，点间距为2～4 m。为提高计算精度，控制计算断面间距为2 m，断面点间距为2 m。

本次清淤试验位于三峡大坝坝前和伍相庙水位站之间江中水域，清淤试验范围为ABCD(试验1)和EFGH(试验2)两块区域(如图3所示)。ABCD区域顺水流方向长约202 m，垂直水流方向宽约为201 m，沿水流方向共布置102个计算断面。EFGH区域顺水流方向长约160 m，垂直水流方向宽约159 m，沿水流方向共布设81个计算断面，本区更靠近大坝。

测量结果显示，清淤前后ABCD控制范围内的河床变化幅度为-1.45～0.23 m，最大变化幅度为1.45 m，位于S70—S71断面之间，清淤区域主要分布在S60—S80断面的中间区域，见图5(a)。清淤后EFGH区域情况如图5(b)所示，清淤后形成一个漏斗型清淤坑，该清淤坑表面顺水流方向约34 m，垂直水流方向约48 m。EFGH区域内横断面变化比较明显，横断面变化主要集中在清淤坑区域D35—D50区域，其中D1、D25、D65、D81断面清淤后的高程大于清淤前，存在泥沙回淤现象，平均回淤高度约0.2 m。

图5 清淤厚度三维示意图Fig.5 Three-dimensional desilting thickness

EFGH清淤试验区域泥沙回淤原因：①该区域离三峡大坝约490 m，距三峡水利枢纽右电厂较近，受右电厂发电机组取水水流影响，该区域水流与床沙相互作用复杂，易受取水水流干扰而影响河床形态；②因区域离三峡大坝较近，河床主要由细沙和悬移质淤积而成的淤泥质构成，该区域泥沙不易形成稳定的河床结构，因此河床清淤后淤泥质较容易回淤。

由于EFGH区域存在泥沙回淤，本次试验主要分析ABCD区域内的清淤效果。根据计算，ABCD区域内清淤方量为17 462.0 m3，而本次试验历时4 h，可以计算出清淤能力为4 365.5 m3/h，远大于在枕头坝一级水电站的清淤效率。通过淤积物取样分析，本次试验清淤的泥沙中值粒径在0.06 mm左右，远小于枕头坝清淤时的粒径800 mm，泥沙颗粒对清淤设备的堵塞影响较小，因而清淤效率较高。试验过程中相关费用组成如表3所示，根据试验投入的人工、燃油动力、地形测量、材料消耗等，计算出疏浚每100 m3综合单价为3 128.26元，即31.28元/m3，小于枕头坝一级水电站的清淤费用。本次试验区域泥沙颗粒较细，清淤效率较高，同时未将淤积物进行二次处理，是本次试验清淤费用较低的主要原因。

表3 清淤试验费用组成Table 3 Composition of dredging test cost

5 结 论

随着社会经济快速发展，人类对水资源利用提出了更高的需求，这就需要水库持续全面发挥综合效益。通过科学技术手段高效恢复淤积水库的有效库容是保证水库效益发挥的可持续发展之路。本文详细阐述了气动力式水库清淤技术的原理及设计装置，并在百米级水深下检验了其工作性能，得到的结论如下：

(1)气动力式清淤技术主要通过压缩空气提升系统的输出功率，从而大幅提高水流紊动能力，进而带动河床淤积泥沙再次启动，达到高效清淤目的。

(2)根据试验结果，在坝前细颗粒淤积泥沙的清淤工程中，气动力式清淤技术清淤效率可高达4 365.5 m3/h，清淤效果显著，清淤成本也较低。三峡水库坝前深水清淤试验结果表明，研发的深水清淤技术完全具备百米级清淤疏浚能力，具有性能稳定、生产效率高的特点，可为大型水库深水清淤提供强有力的技术保障。

(3)水库坝前深水清淤疏浚时，由于淤积泥沙颗粒较细，加之受电站引水口流速分布影响，可能会出现回淤现象。因此在应用气动力清淤技术进行深水清淤过程中，需要综合考虑淤积物组成及水体流速的影响，合理选取清淤位置。