黄土高原区大中型水库清淤方案研究

杨 砾，赵 玮，张晓冬

（1.陕西省水利电力勘测设计研究院,陕西 西安 710001；2.陕西省延安市水利局,陕西 延安 716000）

1 项目基本情况

陕西省陕北地区水资源匮乏问题十分突出,2017 年～2019 年人均水资源量约580 m3,仅为全国多年平均水平的29%,水资源短缺已成为制约当地经济社会发展的最重要因素。据统计,截至2019 年,陕北水库的泥沙淤积总量达13.18 亿m3,约占到总库容的65.0%,极大影响了水库的防汛、灌溉、水资源供给等能力及安全运行。相较于新建水库或其他调引水工程,开展现有水库清淤扩容无疑是解决陕北水资源短缺问题一项更为经济高效的措施。

王瑶水库工程位于延河一级支流杏子河中游河段,水库距离下游延安市约65 km。水库总库容2.03 亿m3,是一座以防洪为主,兼有城市供水、灌溉、发电等功能的Ⅱ等大（2）型水利枢纽。水库所在的河流杏子河来沙量大,多年平均淤积量407 万m3,水库运行四十多年,2021 年现状总淤积量已达1.42 亿m3,约占总库容70%,库容衰减迅速,严重影响到水库大坝自身防洪安全及供水效益的正常发挥。

王瑶水库通过清淤可以改善库区水沙动力条件,为以后长期冲沙提供良好的河床条件,对维持水库防洪、兴利库容,提高水库防洪、供水效益,实施水资源的可持续利用十分必要。同时可以减少原固结底泥对水库水质的不利影响,保障水库供水安全。相对于加坝方案具有不增加淹没面积,对原枢纽布置扰动少,社会环境和风险影响最小等优点。水库清出来的淤泥不仅可以通过填沟造地解决当地耕地紧缺问题,还可以通过制砖作为建筑材料降低整个工程费用。

2 水库清淤规模

2.1 水库淤积形态

王瑶水库坝址以上库区整体呈“Y”形状,由主河道杏子河和支流岔路川组成。根据现场钻孔揭示,水库区淤积物质为淤泥质土,按照淤积物的颗粒组成及空间关系,可划分为3 个淤积段,近坝段淤积物厚度较大,淤泥质土以粉粒为主,粘粒含量较高,可塑～软塑,厚度35 m～40 m；库中段淤积物厚度较大,淤泥质土以粉粒为主,厚度20 m～35 m；库尾段淤积物厚度较小,淤泥质土以粉粒为主,厚度5 m～20 m。其中近坝库区基本淤平,河道横向淤积形态已经无明显的滩槽,且固结程度高,基本丧失了水库冲沙的水沙动力条件。

本次清淤目标为恢复水库纵向冲沙比降和水沙动力条件,保证水库多年运行后达到冲淤平衡,保持锥体河槽的终极库容形态。因此清淤设计首先确保清淤体在终极有效库容的范围之内,最大限度减少无效清淤部位,减少回淤量。同时清淤后在库区形成类似于终极槽库容的形态,每年敞泄排沙期间水流相对集中,排沙效果好,有利于槽库容的恢复。最后还要清除泄洪洞进口前长期淤积形成的边坡较陡的淤积体,避免每年敞泄排沙期间排沙洞淤堵的可能性。根据这些原则以杏子河为例,在图1 纵剖面中正常蓄水位与设计河槽线之间所围成的区域就是设计的清淤部位。

图1 主河道设计的清淤锥体河槽的形态

图2 水库清淤范围示意图（三维地形）

2.2 水库清淤规模方案研究

水库进行清淤扩容规模的方案研究,应首先满足水库防洪、供水等工程任务的要求。王瑶水库水库清淤扩容确定工程任务为,以解决大坝自身防洪安全为主,继续发挥对下游的防洪作用,“以供定需”满足水库供水需求,兼顾改善下游生态,延长水库使用寿命,发挥水库的综合效益。

清淤规模采用参数法首先确定王瑶水库的终极库容,并假定终极槽库容形态与清淤体的形态类似。依据终极库容估算方法主要研究了三个清淤量分别为1229 万m3、1650 万m3、2032 万m3三种不同的清淤规模,并进行水沙调节数模计算分析研究。研究结果表明：采用汛期定期（7 月1 日～8 月14 日）敞泄排沙运用方式情况下,依据上述三个不同清淤量方案,进行水库自身防洪安全、水库泥沙淤积和径流调节计算从满足防洪任务、泥沙淤积、供水量、供水投资等方面综合比选,选定正常蓄水位1182.5 m以下清淤量1650万m3方案。

表1 王瑶水库清淤规模方案比选表

具体范围为：杏子河库区清淤范围为坝址以上10.6 km,清淤深度2 m～20 m,横断面底部宽度为60 m,稳定边坡1∶5。岔路川库区清淤范围为岔路川支流交汇口以上6.0 km,岔路川河道清淤深度2 m～20 m,横断面底部宽度33 m,稳定边坡1∶5。

3 水库清淤方案研究

3.1 水上、水下清淤方案确定

陕北黄土高原沟壑区受地形和气候影响,王瑶水库清淤工程中具有排高高、排距长,水资源紧缺等特点。因此工程在王瑶水库清淤方案中不仅要解决深水型挖泥船清淤工艺和水陆两栖挖机新的施工工艺满足库区清淤要求,还要在淤泥高效输送和节水还库方面以及淤泥资源化利用等方面进行充分考虑。

王瑶水库多年平均径流量为3390 万m3,本次扩容还包括改造泄洪洞进口和新建溢洪道,同时保证施工期不淤沙,因此,在清淤方式确定上至关重要。因此根据水沙模型确定的清淤部位及结合本项目实际实施条件,提出分年度动态水上、水下清淤方式。

经过对来水分析,现状清淤设备调研以及堆泥库场充分考虑,分别按照施工时段和相应水位合理确定了水上、水下清淤范围。本次总清淤量1650 万m3,总工期48 个月,其中水下清淤915 万m3,水上清淤735 万m3。清淤开挖断面由坝前至库尾水下和水上同时进行,并且确保每个施工年份库区河道能形成畅通的过水断面和一定的比降。王瑶水库各施工年度水上、水下清淤范围示意图见图3,岔路川、杏子河各年度清淤量分布见图4～图5。

图3 王瑶水库库区各施工年度水上、水下清淤范围示意图

图4 岔路川各年度清淤量分布图

图5 杏子河各年度清淤量分布图

3.2 清淤工艺比选

疏挖设备见表2,底泥输送工艺见表3。

表2 疏挖设备选型研究比较表

表3 底泥输送工艺研究比较表

表4 清淤底泥处理工艺比较

3.3 清淤方案研究

通过精准化划分清淤范围,同时考虑施工的可行性,采用底高程控制清淤,将王瑶水库库区清淤区划分为8个分区。可以确保通过清淤使河道恢复水沙动力条件的同时减少清淤工程量,节约成本。

其中4 个水下清淤区水域开阔且水深条件理想,采用生产率为800 m3/h,最大挖深15 m 的环保绞吸式挖泥船,进行作业。该类型绞吸挖泥船可以通过陆上车辆运输将分解的船体运送至岸边,组装后下水进行作业。清淤过程中,底泥在绞刀的挖掘作用下形成一定浓度的泥浆,通过船上泥泵和排泥管路进入处理场地进行后期处理。绞吸船可以单船独立施工、清淤生产率高、对土质适应性较好、定位控制精度较高。根据本工程地质资料,水库主水体清淤土质主要为流泥和淤泥,清淤土级别为1 级土,清淤边坡为 1∶5。环保式绞吸船可直接串接泵站进行远距离输送,在生产率及排距的选择上较灵活,能耗和成本较低。在输送过程中采用管道输送,按照输泥管线每增加3 km 长度增设一个接力泵站（船）,输送过程中不会使泥土散落造成污染。根据堆泥库布置本工程水下清淤排距10 km～15 km,排高30 m～55 m。4 个堆泥库设计就地取材,选用当地材料修筑土石坝,并设置专门的回水装置,确保水下清淤用水量。

4 个水上清淤区基本位于库尾,该部分区域因水域条件不足,不适宜采用环保式绞吸船进行清淤,考虑到水生植物根系干扰,采用水陆两栖挖掘机进行清淤,用传统的挖转运将淤泥送至堆泥场。施工工期主要安排在冬季,运泥工艺采用封闭式运输的方式,淤泥处置场设置于上游沟道,运距约10 km,车辆行驶过程中应匀速慢行,减少淤泥外泄,造成污染。堆泥场设计根据沟道地势分级堆放,最大堆高10 m,并设置两侧排水沟。

3.4 底泥处理工艺方案比选

现阶段,清淤底泥固化处理方式主要有自然干化、真空脱水干化、机械脱水法、土工管袋脱水固化及投加固化剂法等。

经分析对水上清淤部分淤泥含水量较低故采用自然脱水固结的工艺。水下清淤底泥因采用绞吸式挖泥船吹填清淤,含水率较高,传统的固结方式脱水较慢,为了后期造地和资源化利用提供支持,对4 处堆泥库内底泥采用真空预压排水固结处理工艺。

4 淤泥的资源化利用研究

根据当地调研现阶段水库清淤底泥资源化利用主要途径如下：

（1）疏浚底泥具有陆地土壤的基本理化性质,富含植物生长所需要的各种营养元素,通过一系列处理措施可以制成绿化种植土,应用于园林绿化,以促进树木草坪等的生长。水库清淤底泥处理后可应用于园林绿化中的客土置换。也可用于附近林地恢复种植用土。

（2）经过预处理后的底泥,通过土壤固化剂改良使其满足工程要求。研究表明,水库清淤底泥有机质含量低于7%,处理后含水率为55%左右,可满足道路建设路基和筑坝使用需求。本工程考虑采用土壤固化剂,改善土壤中的胶质及有机质,处理后底泥可作为路基填料和堆泥库筑坝材料,实现淤泥的有效处理和循环利用。

（3）疏浚底泥的建筑利用是基于其可替代黏土性。疏浚底泥的建筑利用缓解了建筑用土与农业争土的局面,有利于可持续发展的要求。目前,主要将其应用于制作陶粒、建筑型材、水泥等。

王瑶水库库区淤积物为淤泥质土,厚度5 m～40 m,库尾段夹多层薄层透镜状细砂,底部含少量砾石。根据室内试验成果分析,淤泥质土主要以粉粒、粘粒为主,粉粒含量占72.2%,粘粒含量占13.6%,淤积质土天然密度为1.80 g/cm3～1.91 g/cm3,含水率为21.72%～29.42%。根据淤泥质矿化检测,库区淤泥无矿物可提取利用。根据库区不同点位的淤泥监测试验成果分析,淤泥质土不属于危险废物,可以作为农作物土壤,适合造田。所以一部分淤泥固化后用于堆泥库大坝填筑和库区临时道路修建,同时因地制宜在库区沟壑内堆放后用于造地,初步估算可以造地约1000 亩。在水库下游具备材料加工场地布置和交通便利的陈则沟堆放淤泥100 万m3,通过试验研究利用水库淤泥为主要原料,掺加煤矸石泥岩或炉渣等物料,以调节水库淤泥中化学成分和矿物组成,调整水库淤泥的各项物理性能采用环保的工艺用来制砖,真正实现了“变废为宝”。

5 结语

王瑶水库清淤工程不仅解决了《陕西省黄河流域生态保护和高质量发展》规划纲要里黄河流域水资源短缺、生态脆弱以及洪水威胁的问题水库清淤问题,还为陕北地区大中型水库全库区底泥清淤扩容的可行性提供系统技术支撑和示范样板。通过其实施还可以探索解决水库清淤效率与挖深、排距和爬高的规律及库底泥沙低耗能定向输送和清淤底泥快速脱水回用和淤泥的资源化利用等关键问题,为该区域高质量发展贡献力量。