古城水库深水清淤技术研究与应用

于耀龙 陈烨航 周文豪

(北京金河水务建设集团有限公司，北京 102206)

1 工程概况

古城水库坝后护坦高程563.00m，坝顶高程624.00m，高差61m，坝顶宽度3m，古城水库排沙泄水孔进口底高程为572.00m，进口为2m×2m的矩形孔，坝前水深40m左右，淤积厚度5m，淤积物除泥沙外，还混合有各种杂物，水路无通航条件，右岸隧洞仅能通过小型设备，大型机械设备无法展布，施工所在位置为景区，环保问题尤为重要。坝前泥沙淤积高程已超过576.50m，高于排沙泄水孔顶，排沙泄水孔功能丧失，无法启闭。若不能将淤积物及时清除，在未来3～5年内，淤积物将会把门槽完全埋没，届时水下探查工作将会更加难以开展；同时，因检修门已完全被淤积物埋没，只有清除水底淤积，才能为排沙泄水孔检修门的更换创造工作面，恢复排沙泄水孔的原有功效，及时开闸放水，缓解雨季库区压力，提升古城水库防洪能力。

2 深水清淤存在的问题

由于深水清淤具有水深大、无通航条件、陆路交通困难、坝顶坝下高差大、无泥浆排放及堆放条件、淤积量大和杂物较多等特点，因此，选择疏浚设备和深水清淤技术是工程的主要难点。存在的问题如下：

a.大型疏浚设备、材料难以进场。由于水库不放空疏浚，不具备挖掘机陆上开挖的条件；由于库区无通航条件，大型挖泥船不能进场，无法采用；由于水深大，抓扬式、绞吸式挖泥船不能疏浚；由于进场道路狭窄、坝顶坝下高差大，坝顶距地面高差61m，增加了从地面进入坝前水面的难度；大型设备不能通过。

b.大水深潜水作业安全风险高。工作期间水位约在617.00m，泄水排沙孔底高程572.00m，最大工作水深在45m左右，水下施工任务大、潜水需求多、施工时间长，潜水员得减压病、被绞缠等风险高。

c.泥浆处置难度大。气动式吸泥管将水下淤积泥沙吸出水面后，需排放至大坝上游库底150m处，吸泥管压力不够，需在水面增加二次加压装置以顺利排放至大坝上游库底150m处。

3 深水清淤实施措施

3.1 施工平面布置

本次水下工程作业区域在坝前库区内，施工时所用的作业平台为左岸船台，由于交通洞尺寸过小，减压舱和供气空压机组等大型设备无法通过交通洞，将其放置在景区广场内，电源选择为排沙孔工作门动力柜。

采用上游库区左岸船台作为水面作业平台，布置潜水作业设备。设置卷扬机吊装平台(6m×6m)，吊装平台靠近上游坝面，在距吊装平台约20m处设置淤积物中转平台(6m×6m)。抽取的淤积物经水面排污管输送至淤积物中转平台，在中转平台上设置排污泵，通过水面排污管排至大坝上游约150m的库底处，水面排污管设置在大坝上游左岸码头平台旁边水面上，在排污管上设置浮漂，绑到码头边的栏杆上进行固定。

在大坝上游设置大型淤积物临时放置处，经打捞的大型淤积物吊放在水中固定，待下游吊车就位后，统一转运(见图1)。

图1 施工平面布置图

3.2 清淤设备选择

3.2.1 小型疏浚设备选择

根据现场施工条件，选用气动式清淤[1]结合铰刀式深水抽沙泵作为主疏浚设备，气动式吸泥设备布置在拼装式水面作业平台上，可方便地进行作业位置的移位与固定。拼装式水面作业平台由小型模块化的浮箱现场拼装而成[2]，以适应库区不通航、进场隧洞狭窄的环境；以管路深排方式出渣，不影响景区交通与景观，可有效避免水体的二次污染。

3.2.2 设备进出水面

优先选用小型设备，特别是进入水面的清淤作业平台，长度控制在6m以内，并满足小型货车运输要求。在坝下设置满足吊装需求的吊车，将设备材料从坝下转运至水面。空压机则布置在坝上，压缩空气通过管路输送到水面清淤机。

3.2.3 大水深潜水作业

配备充足的潜水员保证施工的紧凑，作业严格按照潜水减压方案执行。潜水员下水施工前，进驻减压舱进行加压锻炼，使潜水员提前适应工作水深。

3.2.4 泥浆处置

泥沙通过气动式吸泥管吸出水面后排放至水上中转平台，在中转平台上设置的二次加压装置将泥浆排放至大坝上游150m处。

3.2.5 中转平台二次加压渣浆泵的选型

中转平台二次加压渣浆泵选用功率为37kW、扬程为40m、出泥口直径为15cm的150ZSQ150-40-37大型渣浆泵(见图2)，每小时出水量为 150m3。

图2 加压渣浆泵

3.3 清淤平台设计

清淤作业准备两个作业平台，均为6m×6m漂浮平台，使用∠50×6角钢焊接框架，内部填充泡沫浮筒，并通过绳索绑扎，以提供浮力。表面铺设18mm胶合板(见表1、图3～图5)。

表1 单个平台重量及材料用量

图3 6m×6m漂浮平台正视图(侧视相同)

图4 6m×6m漂浮平台俯视图

图5 6m×6m漂浮平台仰视图

3.4 清淤平台受力计算

3.4.1 平台承载力计算

a.空载吃水。平台自重吃水为3.96cm。

b.空载时承载力验算。60个泡沫浮筒提供总浮力为60×0.15=9tf，平台空载自重为1.43tf，平台剩余承载力为9-1.43=7.57tf。

c.安全吃水时承载力验算。安全吃水高度按0.55-0.1=0.45m计(浮筒直径-预留安全干舷高度)，此时浮筒提供的总浮力为60×0.126=7.56tf，平台剩余承载力为7.56-1.43=6.13tf。

d.工作时承载力校核。2t卷扬机和吊架自重约0.5tf；吸泥管水下总长42m，水上8m，总重约0.5tf；吸泥管内径0.2m，管内体积约1.57m3，装半沙半水时重量约2.1tf。清淤时平台荷载共计约：0.5+0.5+2.1=3.1tf。

因为清淤吊架和吸泥管等放置在平台一侧，为防止平台倾覆，可在另一侧加装配重，因此平台总荷载约为3.1tf<6.13tf，满足要求。

3.4.2 平台抗倾覆性能校核

未开启吸泥作业时，平台左侧的卷扬机自重0.3tf，平台右侧的吊架和吸泥管以及管内的泥沙及水共重2.8tf，吊架的压力为2.8+2.6×0.1×1/12=2.82tf。

施加在平台上的不平衡荷载重量为2.82-0.3=2.52tf，此状态下平台向右倾斜。

平台在吊装工作的初始阶段和最不利情况下的稳性均满足要求。若在实际施工中要减小平台倾斜，可在倾斜方向的相反侧平台加装配重(见图6)。

图6 校核计算简图

3.5 清淤施工

3.5.1 清淤程序

对水下工况进行确认后，正式开始清淤工作，采取清淤抓斗、吸排和潜水员水下人工清淤的方式。因水下淤积物成分复杂，多为淤泥夹带树枝、卵石等杂物，直接使用渣浆泵、绞吸泵等设备会造成堵塞，所以先采用清淤抓斗对淤积泥沙表面的杂物(如树枝、轮胎等)进行抓取清理。淤积泥沙表面杂物清理完成后采用气动式清淤的方法，使用直径为15cm的吸污管，配备产气量与之相适应的空压机，将淤泥碎石等杂物吸出，通过排污管排放到上游库区底部。由于气动式清淤无法长距离水平排污，因此在排污管末端增加淤积物转运平台，平台中设置37kW大型排污泵，对污水进行加压后运输至大坝上游约150m库底处。对于大体积淤积物，沉积在污泥表面的，无太大淤泥吸附力，利用卷扬机吊架直接打捞出水面。

清淤流程为：工前准备→淤积测量、平台搭建→分段坝前清淤→验收。

3.5.2 水下复查措施

在淤积清理前，工程技术人员对潜水作业内容及技术要求进行交底，作业人员详细认真地对前期水下检查报告及录像等资料进行阅读和观看，对水下缺陷情况熟悉了解和掌握，确保能准确理解每次作业的具体要求及实施步骤，高效、安全地完成每次作业任务；潜水监督、潜水长对潜水设备及水下作业环境进行安全检查。复查采用单波束、潜水员检查相结合的方式进行。

单波束检查：采用HY1600单波束测深仪测量水深，采用GPS(RTK1+1)进行平面定位及高程测定。测线采用网格法布置纵横断面，断面间距5m，测点间距2.0m。测量内容包括浚前测量、浚中测量、浚后测量，测量原始记录清楚、齐全有效(见图7、图8)。

图7 单波束无人遥控船

图8 单波束勘察地形图

潜水员检查：潜水员根据潜水规则的要求着装、入水、下潜。潜水员配备管供式空气潜水装具、水下照明设备、水下摄像头、潜水电话及水下测量仪器，其中水下摄像头通过摄像电缆与水面监视器连接，水面技术人员可以准确、全面、实时地掌握水下检查情况。进入施工区域内，做好一切施工准备。

3.5.3 清淤措施

a.堆积树枝及垃圾的处理方法。采用开放式抓斗清理淤积树枝，以坝顶吊架卷扬机作为起重设备，根据施工区域布设在坝顶公路的适当位置，通过钢缆收放控制抓斗上下运动、抓取、卸放淤积物。树枝垃圾清淤过程为：抓斗入水→抓斗触底并抓取淤积物→抓斗出水→抓斗上升→抓斗卸载(见图9)。

图9 抓斗清理树木

b.大体积淤积物打捞。大体积淤积物主要由人工清淤。人工清淤在吸泥前和吸泥后都要进行。吸泥前人工将大体积淤积物搬离清淤地点，防止其被挤入进吸污管道造成堵管卡管现象；潜水员下水打捞大体积淤积物时可直接使用钢丝绳或绑带将其捆绑，用吊装平台吊至水面。起吊和下放时，潜水员须远离吊点下方，以保证安全。轮胎、小推车、树木等大体积淤积物打捞由吊装平台上固定的2t卷扬机吊架打捞，重量过大的淤积物则在水下分割后再打捞。

c.气动式清淤。气动式清淤主要由空压机产生高压风，通过专用管道将压缩空气输送到吸污管道底部，吸污管高压风出口断面以上的水柱由静止状态开始加速运动，产生流速差形成负压，将管口附近的水携带泥沙等吸入管内，管内的水和粗颗粒在高速气流带动下沿管流动，输送到预定地点，达到清淤目的。

本项目吸泥的主要对象为泥沙碎石等，气动式清淤必须投入的设备有空压机、供风管、一定尺寸的吸污管和吸泥头(见表2)。

表2 设备配置建议[3]

施工中采用额定容量为4m3/min的空压机，配备内径为150mm的橡胶钢丝压力管作为吸泥设备，吸泥管总长50m。

经计算，本工程管内混合物的密度小于水的密度，能够将水、泥、空气混合物提升至水面以上，提升高度为水面以上14.5m。

橡胶排泥管采用法兰连接，出水后沿水面输送到水面中转平台，采用37kW泥浆泵接力，通过管道输送至大坝上游水下150m处。排泥管用水面浮筒绑扎，使其漂浮于水面，排污管末端入水30m，排污管末端需潜水员在其靠近的山体上打孔将其带绳固定，使泥沙排至大坝上游水底。

完成定位后，逐渐放下吸泥头至接近泥面，此时打开供气阀门，吸口附近的淤积物便在水头压力及压缩空气的共同作用下进入吸泥管并提升至水面排泥管。随着泥面的降低不断下放吸泥头，直至达到浚后泥面高程。如此循环前进，直至完成。清淤时按照1∶14放坡，避免一次开挖深度过大导致坍塌(见图10)。

图10 气动式清淤过程示意图

清淤范围为排沙泄水孔坝前至上游侧长90m、宽度30m区域。采用自下游向上游的作业方向，将清淤区域划分为左右岸宽度15m左右的条带，对于任一条带，一般按自深而浅(指浚后泥面高程)的顺序进行清淤。

对于吸泥头无法进入的死角，将安排潜水员持高压射水枪[4]对死角淤积物进行扰动，最大可能地清除。

针对板结的土体，采用350kgf压力的高压水枪由潜水员水下扰动或采取铰刀泵水下扰动可解决问题。对于37kW渣浆泵，左右各配一个可分离单独使用的铰刀泵(见图11)。

图11 铰刀式清淤泵

通常情况下，管道内泥沙浓度可通过进料管的进水量、入土深度来进行调节，遇有轻微堵塞时还可通过憋风、提升气量等多种办法进行排堵。在上述方法还不能排堵时，管路重新拆装。

4 深水清淤施工技术控制要点

4.1 库区淤积清理

水下清淤施工前，先开展水下淤积检查评估工作。一是因为从设计到施工期间水下工况可能会发生变化；二是为了验证设计的正确性和适合性，查明淤积位置、方量、成分、水流流速、水温、水质和水深等。

4.2 水面平台使用安全措施

为了保证水面平台在使用中的安全，施工时，平台上保证整洁、清爽，做到文明施工，电缆、水管等设备随时收整。

为了避免清淤平台在施工过程中出现质量问题，在施工期间，1周检查1次浮桶是否有漏水、清淤平台无故下沉的情况。

坚决杜绝习惯性违章，克服麻痹大意思想、侥幸心理，并做好“三查”工作。

人员上下平台必须要穿好救生衣、防滑鞋。上下平台时要抓稳踩牢，手要抓稳牢固的地方，脚要踩坚实牢靠的部位，避开湿滑部位。

潜水员在水下作业时，平台人员作业需做好配合，尽量避开交叉作业，避免重物落水误伤水下人员。

平台需用缆绳固定于坝上闸门或在山体上打孔形成锚点进行固定，当日作业前及作业中都需随时观察固定平台的缆绳是否有松动现象，如发现类似现象，立即停止作业后进行缆绳重新固定。

4.3 潜水作业注意事项

潜水前应测量水深、流速、水温和掌握地质、气象情况。潜水人员未经潜水长批准，不得擅自下潜。

潜水前必须准备好潜水装具，并进行严格检查，确认无误再下潜。

潜水前水流速度不得大于0.5m/s，潜水员水下减压潜水出水或减压出舱后，需在甲板减压舱附近停留不少于1h，每天连续休息时间不得低于8h[5]。

潜水员水下清淤时，要从高处向低处进行。检查过滤器气体压力，当压力小于0.5MPa时，检查通气管路并按照应急程序出水。

进行水下淤积吊装时，潜水员远离吊装位置，待吊物出水稳定后再进行施工。进行水下抽排时，潜水员将气管阀门逐步升大，避免气压突然增大导致气管浮动过大，造成人体伤害。

信号员应熟练掌握信号绳使用规定，确保通信设备故障时通过信号绳收发潜水信号[6]。根据下潜人员的需要，适当收紧放松信号绳。传送物品后，要及时收回多余部分，随时清理信号绳防止绞缠。

在装具器材的检查准备中，下潜潜水员要亲自参加，检查并准备完毕后，各岗位应向潜水监督报告，潜水长根据情况决定并告知潜水监督可否着装下潜。

冷水和寒冷天气潜水应根据水温情况以及预期水下工作时间穿戴合适的保温装备。潜水服与潜水员体型合适，且所有密封位置均状态良好。

5 结 语

古城水库存在水深大、无通航条件、交通运输困难、大型设备无法进场等施工问题，通过选择相适应的清淤设备，采用开放式抓斗、气动式吸排和人工相结合的清淤技术，圆满完成了清淤任务，为后续闸门更换工作打下了坚实基础，并消除了大坝存在的安全隐患，使古城水库持续发挥防洪、旅游、灌溉的综合功能，对保证防洪安全、促进当地经济发展、改善生态环境具有积极的促进作用，同时，对类似深水水库清淤项目具有借鉴意义。