新疆博尔塔拉蒙古自治州“五一”水库清淤技术研究

孟祥凯

(塔城水利设计研究院有限公司乌鲁木齐分公司，新疆 乌鲁木齐 830022)

五一水库为平原拦河水库，以灌溉为主，兼顾防洪、发电、养殖和旅游的综合利用水库。是博河干流上的主要水利枢纽工程，主要担负下游40万亩灌区灌溉季节灌溉水量的调节，同时担负着下游博乐市及下游灌区的防洪重任。

五一水库与1966年动工兴建，1976年完工，并投入使用，由于缺乏有效的排沙设计，加之水库上游水土流失严重，多年运行后淤积严重，减少了水库兴利、防洪库容。

1 清淤方式及范围

1.1 清淤方案

五一水库为拦河水库，河道挟沙水流进入水库后，随着过水断面的逐渐扩大，流速及挟沙能力沿程递减，泥沙由粗至细的沉积于库底，越往上游淤积颗粒越大。根据实测资料，水库淤积形态呈锥体淤积形态，越靠近坝前淤积越厚，在河道入水口处约800m范围内，淤积厚度1～3m，淤积物主要以粉土质沙为主；在坝前100～1200m范围内平均淤积厚度大于10m，淤积物主要以低液限黏土、粉土为主。

水库清淤一般分为机械清淤与水力清淤，根据水库淤积形态、淤积物的物理特性、工期要求及水库运行要求，参考本地已有水库清淤设备情况，综合考虑，采用机械清淤与水力清淤相结合的方式清淤。

1.2 清淤范围

1.2.1机械清淤范围

博河水文地质情况较为复杂，博乐水文站上游存在两个渗漏段，致使地表水、地下水转换频繁，博河具有独特的径流变化规律，即博河具有泉水河流的特征，呈现夏季枯水，冬季丰水。根据径流调节结果，水库平均月入库流量及水库水位见表1。

表1 水库平均月入库流量及水库水位统计表

经计算机械清淤范围67.74万m2，清淤量83.72万m3。

1.2.2水力清淤范围

在每年4、5、6、9、10月水库水位较高的时期，水库水域面积较宽，流速较小，淤积物主要采用水力清淤。清淤范围为靠近坝体侧，为减少清淤工程对坝体的扰动，清淤范围为距离坝体100～150m范围外，清淤坡比大于1∶6。

经计算水力清淤范围121.57万m2，清淤量820.27万m3。具体范围如图1所示。

图1 五一水库清淤范围示意图

2 疏浚区设计

清淤设备应根据清淤工程量、建设要求、现场水域条件、淤积物可挖性、管道输送适宜性、现场的自然环境条件因素进行选择[1-3]。本次清淤水域区域较宽，现状该水域水深为2～12m，经探孔试验，淤积物主要为淤泥土，淤泥物属于中砂(d>0.25mm的颗粒占到总质量的50%)，淤积厚度0.5～14.5m。故选择绞吸式挖泥船，型号分为两种，1450m3/h型号功率2810kw，设计产量1450m3/h。船长×宽为48.2m×10.32m，最大吃水深度2.05m，最大挖深18m。350m3/h型号功率1432kw，设计产量350m3/h。船长×宽为29m×8.6m，最大吃水深度1.25m，最大挖深12.5m。

五一水库南北宽约1.1km、东西宽约2.5km，水域面积较大，本次设计采用分层，分条开挖施工。

2.1 分条宽度

绞吸式挖泥船一般开挖宽度为船长的1.1～1.2倍，左右偏摆幅度为45°，本次选用的挖泥船长48.2及29m，开挖宽度分别为53与32m，设计分条宽度取45与22.5m。

考虑本次疏浚工程工程量较大，为节省工期，尽早恢复水库库容，拟采用多条挖泥船同时施工，为避免干扰，分条方向为南北向垂直落淤区布置[4-5]。

2.2 分层厚度

水库淤淤积厚度0.5～14.5m不等，需分层施工，分层厚度一般为0.5～2.5倍铰刀直径，前移距离为0.5～0.8倍铰刀直径，铰刀直径1.7m与1.27m，根据本次淤积物的特性，1450m3/h型号挖泥船分层厚度取2.3m，前移距离取1.3m。350m3/h型号挖泥船分层厚度取1.7m，前移距离取1.0m。如图2所示。

图2 绞吸式挖泥船分条开挖示意图

2.3 绞吸式挖泥船生产率计算

2.3.1吸式挖泥船的挖掘生产率W绞挖

W绞挖=60K×D×t×v

(1)

式中，K—铰刀挖掘系数，取为0.8；D—铰刀前移距，m，取1.3m及1.0m；t—铰刀切泥厚度，m，取2.3m及1.7m；v—铰刀横移速度，m/min，取9m/min。

W绞挖1=60×0.8×1.3×2.3×9=1453m3/h，设计产量取值为1450m3/h。

W绞挖2=60×0.8×1.0×1.7×4.5=367.2m3/h，设计产量取值为350m3/h。

2.3.2绞吸挖泥船的吸输生产率W绞输

W绞输=Q×ρ

(2)

式中，Q—泥泵管路的工作流量，m3/h；ρ—泥浆浓度，t/m3。

W绞输1=1450×30%=435m3/h

W绞输1=350×30%=105m3/h

3 排泥管线设计

3.1 管材选择与连接方式

排泥管类别按所处位置划分为吸泥管、船用排泥管、水上浮管，水下沉管、陆地管及其附件。按材质分常用的有钢管、聚氨酯橡胶管、高密度聚氯乙烯管、尼龙管等，各自特点及适用范围见表2。

表2 常用排泥管道特性表

考虑本次疏浚工程疏浚量较大，排泥管使用年限较短，优先考虑耐磨损性较好，价格便宜的钢管作为排泥管。

3.2 管径确定

3.2.1泥浆密度计算

(3)

式中，ρ—泥浆浓度，取30%；V1—原状土体积，m3；V2—泥浆体积，m3；γm—泥浆密度，t/m3；γw—现场水的密度，t/m3；γo—原状土的密度，t/m3；

经计算泥浆密度γm=1.15t/m3。

3.2.2临界流速计算

根据JTG 181—5—2012《疏浚与吹填工程设计规范》，淤泥、平均粒径小于0.05mm的粘土及粉土，其临界流速可按下式计算：

(4)

式中，vc—泥浆临界流速，m/s；C—土颗粒体积浓度，%，取30%；ds—土颗粒平均粒径，mm，取0.013mm；D—排泥管管径，m，取0.65m；γs—土颗粒密度，t/m3，取1.53t/m3。

经计算，临界流速vc=0.88m/s。

3.2.3扬程验算

根据现场施工情况，疏浚区距离吹填区的吹填最远排距2800m，最大排高51m。管线包括船上管，水面管及陆地管，由于船上管弯头接口较多，水面浮管橡胶管接头摩阻力大，计算管道长度时应将船上管及水面浮管折算成陆地钢管，折算结果见表3。

最长排距情况下，需要泥泵总水头H按下式计算：

(5)

式中，Hf—沿程水头损失，m；∑Hj—局部水头损失，m；Z—地形高差，m；V2/2g—流速水头损失，m。

根据以上公式计算，对于Φ650mm排泥管，局部水头损失之和∑Hj按沿程损失Hf的10%计算。计算结果见表4。

表4 泥泵所需总水头计算表

根据绞吸式挖泥船的资料，1450m3/h挖泥船所配泥泵清水扬程60m，按JTG 181—5—2012，公式8.2.2-1折算成泥泵泥浆扬程，计算结果见下式。

Hm=Hw/[KH(γm-1)+1]

(6)

式中，Hm—泥泵泥浆扬程，m；Hw—泥泵清水扬程，取值60m及40m；KH—泥泵泥浆扬程土质换算系数，取值0.75；γm—泥浆密度，取值1.15，t/m3。

泥泵泥浆扬程：1450m3/h挖泥船Hm=53.93m。350m3/h挖泥船Hm=35.95m。

经验算，1450m3/h挖泥船及350m3/h挖泥船所配泥泵泥浆扬程Hm=53.93m及Hm=35.95m，均小于设计最长排距泥泵总水头H=67.3m，1450m3/h及350m3/h挖泥船所配泥泵无法满足排距要求，需新增接力泵，接力泵设置在水陆接头处，采用串联式连接方式，所配接力泵扬程与流量与挖泥船所配泵型一致。

3.2.4排泥管线布置

水上管线采用自浮式钢管和胶管相隔连接结构。钢管规格为6m×Φ650mm，胶管规格为1.5m×Φ650mm。在水陆接头处，设置接力泵，采用串联式连接。喷头的直径远取排泥管原直径的60%，即0.4m。

4 落淤区设计

水库东侧、北侧均为博乐市市区，西侧为天然林，南侧为冲洪积台地，台地地面平坦，植被稀少。台地东南高，西北低，岸坡向库内倾斜，台地南北向长0.5～2.4km，平均纵坡3%，东西向长0.9～2.2km，表层为3～4m厚砂土，台地分布4条冲沟通入水库。台地南侧为博乐至温泉等级公路，交通方便。

考虑现场地形，综合考虑占地，拆迁、及落淤区排水等因素，本次设计落淤区选在水库南岸台地，占地面积161.38公顷。

落淤区根据现场地形，布置在4条冲沟之间的空地上，利用现状冲沟作为排水通道。落淤区地形南高北低，在台地北侧、西侧、东侧依托地形修建围堰进行分区，围堰高度8～10m，围堰顶宽考虑交通要求，宽度为8m，表层铺设25cm砂砾石路面。围堰上下游边坡均为1∶2.0，围堰上游铺设一布一膜，规格150g/0.3，填筑料利用现状台地落淤区范围内的土料填筑，土料压实度应大于0.93。围堰设计、落淤区及围堰特性如图3所示。

图3 围堰典型断面设计图

落淤区最大储泥量为341.36万m3，水库清淤量为904万m3，为保证清淤工作正常运行，在清淤过程中，有563万m3淤泥需拉运清除。经与业主协商，水库所清淤泥可用于博乐市5万亩生态林及其他区域改良土壤。

5 结语

五一水库运行一段时间后，由于水库淤积导致库容减小。为了恢复五一水库有效库容，提高水库工程综合效益，对水库清淤方案进行分析，得到以下结论。

(1)根据水库淤积形态、淤积物的物理特性、工期要求及水库运行要求，同时采用机械清淤与水力清淤。经计算机械清淤范围67.74万m2，清淤量83.72万m3；水力清淤范围121.57万m2，清淤量820.27万m3。

(2)五一水库南北宽约1.1km、东西宽约2.5km，水域面积较大，采用分层，分条开挖施工。水上管线采用自浮式钢管和胶管。设计落淤区选在水库南岸台地，占地面积23.9hm2。在清淤过程中，有563万m3淤泥需拉运清除。水库所清淤泥可用于博乐市5万亩生态林及其他区域改良土壤。