一级水源地保护区内水库清淤施工技术研究

向 燕,刘轶敏

(中国水利水电第五工程局有限公司,成都 610066)

1 概述

我国已建水库约9.8万座,总库容9300亿m3,目前全国中大型水库的供水量超过2700亿m3,占总供水量的40 %左右。汤浦水库坝址位于曹娥江流域下游一级支流小舜江下游,距绍兴市区23.5 km,水库坝址以上集雨面积460 km2,总库容2.35亿m3,是一座以供水为主,兼有防洪、灌溉、改善水环境等综合利用的大(2)型水利工程。

绍兴市汤浦水库现状供水区人口已经超过300万,全年供水量近3.08亿m3,已经超过水库原设计供水量。随着水库供水区需水量不断增加,城镇优质用水供需矛盾突出。本工程通过对库尾区域的库底淤积泥沙、砂卵石进行清理开挖,增加汤浦水库的供水调节库容1542万m3,提高汤浦水库供水能力,改善库区水环境,提高水库供水质量。

2 主要技术难点

(1)汤浦水库为绍兴市的一级水源地保护区,不允许修建与水质保护无关的设施且严禁清淤施工区的浑水进入库区。施工同时需正常供水并保证水质,因此整个施工期环保、水保要求极为严苛。

(2)库区内开挖施工具有明显的季节性特点并严重依赖天气情况,只能在水库低水位条件下抢抓“窗口期”组织快速、高强度施工。

(3)施工期间投入机械设备数量多,作业多为涉水作业,场内运输的交通量大,对道路通行能力要求高。

(4)因快速施工的要求,场内道路、围堰需满足作业面灵活、频繁调整的特性要求,需具备快建快拆的特点。

(5)施工区内道路、围堰等临时工程修建主要材料为就近利用砂卵石开挖料,砂卵石形成的路基、堰体力学性能差,不稳定,不具备防洪抗冲刷能力,使用性能差。

3 主要施工方法

3.1 施工工艺

库区清淤开挖的工艺流程详见图1。

图1 清淤开挖施工工艺流程

3.2 施工要点

3.2.1 施工准备

(1)以年度为单位确定施工范围,并根据范围内现状滩面高程,结合历年最高库水位、最低库水位、平均库水位、历次枯水年、历年降雨量等信息,将施工范围划分为低滩地、中滩地和高滩地等3种清淤区域。其中低滩区为现状滩面高程低于23.0 m的清淤区,该类区域作业条件较好,可利用挖掘机直接开挖并装车运输;中滩区为现状滩面高程介于23.0～26.0 m的清淤区,该类区域滩面位于水面以下且超出挖掘机臂展作业范围,施工条件较差,需采用水泵抽排水以降低水位,挖掘机涉水开挖;高滩区为滩面高程为26.00～32.05 m的清淤区,该类区域施工位于水面以下超过3 m范围,围堰回渗量大,水泵排水难度大,挖掘机无法继续开挖,需采用抓斗式挖泥船进行水下清淤开挖。

(2)完成施工范围的测量复核工作,确定各区域的开挖深度和工程量,并以一个班组7～10d完成清淤开挖的强度为标准将施工范围划分成若干小块区域,同时完成道路和土埂围堰的布置规划以便迅速、高效地组织施工。

(3)因“窗口期”较短,需抢抓有限的施工机会。在任务重、时间紧、强度高的条件下并无充足时间做施工准备工作,因此需要提前做好施工队伍的组织工作,提前完成招投标、教育培训、安全技术交底等工作。

(4)提前完成环保、水保措施的策划和实施安排,措施和施工需同步进行,并起到防护作用。

3.2.2 修筑土埂围堰

(1)为尽量减少各个施工区的相互干扰、减少施工区扰动影响范围、避免施工时施工区扰动的水土入库影响库区水质,需在各个施工区域外设置围堰进行有效隔离。高滩区因开挖区基本出露水面,围堰可采用预留土埂的方式修建,中滩区和低滩区需采用填筑方式修建。

(2)因施工区内砂卵石料源丰富并具备可重复利用且不产生污染等优点,可作为围堰的填筑料源。

(3)因考虑到预留土埂和砂卵砾石填筑体的力学性能差且不具备防渗和防洪抗冲刷能力,围堰的体积适当增大。围堰高程以施工区5年一遇洪水水位超高50 cm设计,围堰顶宽4.5 m,两侧按照1∶3进行放坡,坡面设置1层反滤土工布作隔污层。围堰结构设计详见图2。

图2 围堰结构设计示意

3.2.3 修建临时施工道路

(1)本工程的主要施工内容为开挖和运输清淤土石方,交通运输能力是保证施工强度和效率最关键的因素。经初步计算,以每年清淤开挖200万m3为例,场内每条临时主干道的交通量需达到650～700车次/d,各施工区内临时支路的交通量约为200～250车次/d。运输车辆的静载约为40 t,动载约为50～60 t。

(2)场内临时道路分为两种,一种为连通各个开挖区域与中转料堆场的主干路,主干路路面高程以5年一遇洪水位为标准超高1.0 m,路面宽度为9.0 m。另一种为主干路延伸至开挖作业面的临时分支道路,分支道路每隔30～50 m设置一条,其路面高程以施工区水位为标准超高50 cm,路面宽度4.0 m。

(3)路基由就近开挖的砂卵砾石为原料填筑而成,两侧坡比为1∶3.0。为提高路面强度和道路整体的使用性能,在分支道路路面满铺厚度为20 mm的匀质钢板,在主干路左侧铺设两列(幅宽3.0 m),供载重车辆行驶,减少对路面的冲击和破坏。

(4)场内临时施工道路随各区块开挖完成而结束运输任务,采用后退法逐步开挖拆除,路基砂卵砾石运往中转堆场堆存,钢板周转利用。

临时施工道路典型断面结构见图3。

图3 临时施工道路典型断面结构示意

3.2.4 清淤开挖施工

(1)清理表层土和淤泥

汤浦水库建库前库尾为村庄和农田,蓄水前并未完全清除全部地面附着物和土方,经20多年后在库底沉积有大量淤泥和表层土,经勘测探查厚度为0.3～4.6 m,需要先行开挖清理,然后再开挖下层砂砾卵石,直至开挖至基岩部位[1]。

因库区清淤工作需抢占有利天气和低水位施工条件,表层土和淤泥的清理工作采用“机械密集型矩阵式集群”的方式组织施工。即配置足量开挖装运设备,以施工区划分为单位组织密集的方阵同时施工,在短时间内清理出足够面积的区域,为多区域、多作业面同时展开高效开挖提供基础。

表层土和淤泥开挖时需注意根据临时施工道路的布置情况,多采用挖掘机接力翻渣的方式将开挖料由开挖区中央转移至临近道路方便装车运输的位置。以30～50 m设置一条分支道路连接分区主干路为例,挖掘机和25 t自卸车的配置比例约为1∶1.35。本工程在表层和淤泥开挖阶段高峰期投入挖掘机87台,自卸车120台。

(2)挖掘机干挖施工

水库库区清淤开挖施工方案选择与水位密切相关,开挖面出露水面的高滩区域施工条件较好,适合采用挖掘机直接开挖的方式施工,其作业过程中不受水位、水流等影响,称之为干挖施工。

干挖施工的工作面划分仍以一个班组7 d左右的开挖量为标准,因施工条件较好,开挖效率高,可以适当扩大工作面以减少临时道路的修建量。

干挖施工每层开挖厚度3 m,施工过程中干挖区域每80～100 m从分区主干路接引布置一条4.0 m宽度分支道路,分支道路末端可直接随开挖作业面的推进而不断延伸。

(3)水泵排水+挖掘机涉水开挖

当清淤区处于水面以下或干挖深度超过3.0 m后即不具备干挖作业条件。同时,因采用砂砾卵石修筑的围堰并不具有防渗能力,土埂围堰外围的水将快速回渗到开挖部位。施工过程中配置50 kW和20 kW柴油发电机和6 kW、7.5 kW、22 kW潜污泵相互搭配使用,持续抽水作业,降低围堰内水位,创造施工机会。

为充分抢抓非汛期和低水位条件,减少工序的转换和衔接间隙,提高开挖效率,施工过程中采用干挖和水泵排水挖掘机涉水开挖同时进行。即在平面上进行分区,分区内纵向进行分层作业。上层由挖掘机完成3.0 m范围内清淤,当形成下层作业面时配置水泵进行降水,水位下降至挖掘机可作业高度时则展开涉水开挖作业。

(4)抓斗式挖泥船水下开挖

清淤开挖范围内低滩区及中、高滩区采用挖掘机涉水开挖,不能挖到的部位需采用水下开挖方式施工。水下清淤开挖施工前需将隔水土工膜施工完成,将施工范围形成一个独立、封闭、防渗且具有一定柔性和变形能力的隔离区域[2]。

抓斗式挖泥船按照岸设导标的指示或GPS的指引并完成定位。挖泥船每次前移距离约为一个斗宽,下斗间距要重叠1/4～1/3个抓斗宽度。挖泥船和泥驳通过缆绳固定,挖泥船按照要求将河床的卵石等抓到泥驳里,满载后,解开缆绳用泥驳运至指定的码头进行弃渣,再将空驳返回挖泥船,循环作业。

临时停靠点配备斗容为2 m3挖掘机1台,驳船运至临时停靠点,通过挖掘机翻挖上岸装车,自卸汽车就近运至堆料区堆放。

为减少开挖料运输过程中对库区水质的影响,采用舱容为120 m3封底自航泥驳。封底自航泥驳是专门装运泥砂的内河封底驳船,是挖泥船的配套船舶,具有自航能力。船体中段为泥舱,两旁为空气浮力舱。推进装置为单舵桨推进,主机设在机舱后部,落舱设计,在驾驶室能进行主机调速和操纵舵桨的方位。自航泥驳空载时吃水深度为0.8 m,满载时吃水深度为2.3～2.5 m。

4 环保、水保措施

(1)本工程不允许修建一切与水质保护无关的设施,包括多级沉淀池、污水处理系统等,从源头上杜绝了外来污染,为水库水质保护构建了一层屏障[3]。

(2)从施工组织设计上,尽量减少水下施工部分,将原设计约1200万m3的水下开挖减少至约450万m3,提高了施工效率,缩短了影响周期。同时,在施工设备选择上摒弃水污染严重的绞泥船、吸泥船等设备,采用抓斗式挖泥船替代振动频率高、振幅大的铰链式挖泥船,也明显减少了对库区水体的扰动,减少了沉积在库底的磷、氮等元素溢散。[4]

(3)库区内修建道路、围堰全部就地取材,砂卵砾石回填料随开挖结束可挖除再次利用,不产生其他废物、垃圾,大量减少了外来建筑材料的使用。

(4)库区内道路路基、围堰由砂砾卵石填筑而成,虽不具备防渗作用,但拥有良好的过滤能力,施工过程中通过增大道路和围堰的体形,增加施工区浑水的渗透路径。同时,针对长时间大流量渗透将使填筑体细颗粒流失的问题,在围堰和道路临水侧铺设反滤土工布,在提高反滤能力的同时增加了道路和围堰的强度和抗冲刷能力。

(5)在库区道路临导流河侧设置防污砂袋挡坎,避免带水运输导致道路产生唧泥、泥浆、污水等飞溅或溢流至水库,避免对水质产生影响。

(6)将已清淤区域利用道路或者围堰与导流河、施工区进行隔离并作为沉淀区,施工扰动后的浑水静止沉淀,经检测浊度、pH值、总氮、总磷等指标符合一类水质标准后进行排放[4]。

(7)施工区下游设置PVC隔油栏,如施工过程中产生少量油污、浮游物等均可进行有效拦截,并便于及时清理,避免向下游库区溢散。

5 项目实施情况

绍兴市汤浦水库清淤扩容工程已经实施两年,完成清淤开挖489.1万m3,施工过程中无污染水质的事件发生,2022年度水库供水一类水质保证时间为8个月,为历年供水水质最好的一年,2023年的一类水质供水时间将超过9个月,成上升趋势。

6 结语

我国水库的数量多,总库容规模大,在我国的国民经济建设中起到巨大作用,也是城市饮用水的重要保证,多地都将水源地保护和水库建设作为当地的重要民生工程。同时,大量已建成水库将随时间的推移在库底沉积大量泥沙,对水库的库容保障和供水安全产生影响,可预见,水库的清淤扩容项目将大量涌现[5]。本文依托于绍兴市汤浦水库清淤扩容工程对在保证水库正常供水条件下展开清淤开挖作业的施工技术和环保、水保措施进行分析总结成成熟工艺,为以后类似工程提供参考。