德州市引黃清淤工程水力沖挖機組施工技術(shù)應(yīng)用探討

郭明輝

（德州市水利局，山東 德州 253014）

1 工程實施的必要性

潘莊引黃灌區(qū)位于德州市西部，東鄰李家岸引黃灌區(qū)，南靠黃河，與濟南市隔河相望，西部與聊城市接壤，西北部及北部以衛(wèi)運河、漳衛(wèi)新河為界與河北省相毗鄰。1971年開始興建，1972年建成并運行。渠首閘位于齊河縣馬集鄉(xiāng)潘莊村附近的黃河左岸，設(shè)計引水流量124 m3/s，設(shè)計灌溉面積500萬畝，干渠總長91.3 km，流經(jīng)齊河、禹城、平原三縣（市），在平原縣尚廟入馬頰河。承擔(dān)德州市齊河、禹城、平原、德城、陵城、武城、夏津、寧津八個縣（市、區(qū)）農(nóng)業(yè)灌溉以及德州市生活用水和華能德州電廠、華魯恒升集團(tuán)供水，取得了十分顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

灌區(qū)內(nèi)多年平均降雨量不足600 mm，因多年開采地下水，地下水位逐年降低，已經(jīng)形成了較大范圍的地下漏斗區(qū)，地下水已不能作為主要水源。因此，灌區(qū)內(nèi)工農(nóng)業(yè)、生態(tài)用水及居民生活用水主要依靠引調(diào)的黃河水。從工程區(qū)現(xiàn)狀運行情況分析來看，近幾年，工程區(qū)每年引黃水量均在10億m3左右，引沙量200萬m3左右，引黃必引沙，干渠淤積致使過水?dāng)嗝婵s小，干渠水位過高，給堤防帶來安全隱患，同時嚴(yán)重影響過水能力。潘莊干渠是灌區(qū)內(nèi)工農(nóng)業(yè)發(fā)展及群眾生活用水的根本和最重要的保證，為有效地保障工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展和社會穩(wěn)定，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展，對灌區(qū)進(jìn)行清淤治理是十分必要的。依據(jù)現(xiàn)狀干渠走勢進(jìn)行總體布置，清淤積治理段為潘莊引水閘～尚廟閘。清淤土方放置在干渠兩側(cè)坑塘、老村臺及低洼鹽堿地塊，工程布置以現(xiàn)狀干流河道為基礎(chǔ)，河道流勢不作調(diào)整。現(xiàn)有總干渠過水能力由于部分渠道淤積，導(dǎo)致過水能力明顯下降，臺樓設(shè)計流量110 m3/s，實測過水流量下降至80 m3/s左右，禹城房寺段總干渠水位明顯提高0.5 m左右，嚴(yán)重威脅大堤安全。總干渠淤積嚴(yán)重影響德州市工農(nóng)業(yè)及生產(chǎn)生活用水。

2 工程地質(zhì)條件

工程區(qū)地處潘莊灌區(qū)輸沙渠及總干渠上，呈南北走向，南高北低，地形開闊平坦，渠道附近地面高程32.00 m～22.00 m之間。本工程區(qū)域為分布廣泛的第四系全新統(tǒng)沖積層，巖性主要為砂壤土、壤土、粘土、粉砂、細(xì)砂，分布厚度40 m～60 m。工程區(qū)內(nèi)地質(zhì)分為三級構(gòu)造單元，一級構(gòu)造為華北地臺，二級構(gòu)造為遼冀臺向斜，三級構(gòu)造為臨清拗?jǐn)鄥^(qū)。工程所在區(qū)域?qū)儆诘谒南悼紫端牡刭|(zhì)區(qū)，局部有微承壓水和基巖裂隙水、構(gòu)造脈狀水存在。地下水以垂直運動為主，水平方向運動遲緩，其補給主要受大氣降水和水文因素的影響，以降水補給為主，河道側(cè)滲為輔，水位埋深一般在2 m～4 m左右。

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306-2015），工程區(qū)總干渠渠首段及總干渠齊河段、總干渠禹城倫鎮(zhèn)段，場區(qū)地震動峰值加速度為0.10 g，相應(yīng)地震基本烈度Ⅶ度，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.40 s；工程區(qū)總干渠禹城莒鎮(zhèn)鄉(xiāng)、安仁鎮(zhèn)、房寺鎮(zhèn)段、總干渠平原段，場區(qū)地震動峰值加速度為0.15 g，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ度，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.40 s。

3 水力沖挖機組施工原理及施工工序

3.1 施工方法的選擇

本工程為清淤工程，根據(jù)地質(zhì)條件及工程布置，采用水力沖挖機組進(jìn)行渠道清淤，在潘莊灌區(qū)輸沙渠段、總干渠段用水力沖挖機組施工，運距500 m～5000 m，運距500 m內(nèi)不需要加壓，運距500 m以上采用加壓泵多級加壓；放土區(qū)圍堰采用挖掘機施工；放土區(qū)還耕采用推土機施工。施工機械型號見表1。為確保工期及施工質(zhì)量，本工程主要根據(jù)疏浚清淤工程土方量、水力沖挖機組疏浚定額、淤泥運距、施工電源供給情況[1]等進(jìn)行施工機組數(shù)量的確定。

表1 施工機械的選擇

3.2 工作原理

水力沖挖機組渠道清淤施工過程中，水流經(jīng)高壓泵產(chǎn)生壓力，通過水槍噴出一股密實的高速水柱，切割、粉碎土體，使之濕化、崩解，形成泥漿和泥塊的混合物，再由泥漿泵將泥漿吸入管道輸送到指定的場地內(nèi)沉淀[2]。輸沙渠段由渠首閘根據(jù)用水需求引黃河水，滿足施工用水；總干渠齊河段、禹城瓦王閘上游段，趙牛新河與總干渠緊鄰，且工期安排在汛期，趙牛新河水量充足，施工用水采用趙牛新河河水。其他段可在停水前做好準(zhǔn)備，停水后在總干渠設(shè)圍堰攔蓄水源，滿足施工用水。水力沖挖機組渠道清淤系統(tǒng)見圖1。

圖1 水力沖挖機組渠道清淤工作系統(tǒng)原理

3.3 水力沖挖機組施工

輸沙渠段、總干渠段、沉沙池清淤主要采用水力沖挖機組施工，清淤棄土采用順干渠兩岸棄土，棄土場位于河堤外腳，避開村莊。運距500 m～5000 m，采用加壓泵多級加壓輸送。水力沖挖機組具有節(jié)約費用、節(jié)約工時、節(jié)約用地、社會效益好的優(yōu)點。水力沖挖機組主要由三部分組成：立式泥漿輸泥系統(tǒng)，包括立式泥漿泵、浮體、排泥管；清水沖泥系統(tǒng)，包括清水泵、輸水管、沖水槍；配電箱系統(tǒng)，包括配電箱、防水電纜等。

3.3.1 排泥管布設(shè)

排泥管布設(shè)力求取直，避免硬彎，以轉(zhuǎn)緩彎為宜，在長度上越短越好，坡度越小越好，并盡量避免通過障礙物。根據(jù)情況布置在地勢平坦的空曠地區(qū)，盡量避開農(nóng)田。完成排泥管布設(shè)后進(jìn)行高壓水泵沖挖制漿，每臺高壓水泵配備2支高壓水槍，水泵從水源地抽水，輸送至水槍，水流經(jīng)高壓泵產(chǎn)生壓力，通過水槍噴出一股密實的高速水柱，切割、粉碎土體，使之濕化、崩解，形成泥漿和泥塊的混合物。

3.3.2 泥漿泵吸泥排泥

泥漿泵固定于浮桶之上，可抽出被高壓水槍沖挖下來的泥漿，并吸排到放土區(qū)內(nèi)，運距較遠(yuǎn)可中途設(shè)加壓泵。施工期間的排水、尾水、回水等與當(dāng)?shù)貙嶋H情況相結(jié)合，或通過離心泵抽排回到原開挖斷面處用于施工用水，或就近排入溝渠內(nèi)，但不得對溝渠造成淤積。為加快泥漿流速，泥漿泵工作位置不小于沖挖點0.5 m深，泥漿泵與沖挖淤泥距離應(yīng)控制在10 m以內(nèi)，在泥漿流向吸泥口處設(shè)置急流槽進(jìn)行泥漿集中輸送。在河坡淤泥沖挖過程中，噴射水柱和坡面夾角控制在15°以內(nèi)，為避免傷坡，嚴(yán)禁對岸沖挖。待一個作業(yè)段清淤達(dá)標(biāo)后移動泥漿泵至下一作業(yè)段沖挖。

3.4 施工技術(shù)要求

水力沖挖機組施工主要通過高壓水泵產(chǎn)生壓力，并經(jīng)由水槍噴嘴射出密實高速水柱，實現(xiàn)對泥土的切割、粉碎后形成泥漿混合液，再運用泥漿泵將泥漿輸送至棄土區(qū)沉淀，運距較遠(yuǎn)采用接力泵加壓輸送。棄土區(qū)四周設(shè)圍堰，一般采用粘土填筑，應(yīng)夯實或壓實，防止被沖垮。面積較大棄土區(qū)內(nèi)部劃分為若干條形或方格形區(qū)域，便于施工和復(fù)耕，排水口必須做好防沖措施，同時設(shè)置一定的雍水高度，防止水土流失。棄土區(qū)排泥管出口需在遠(yuǎn)離排水口一側(cè)，便于泥漿充分沉淀。回流清水可繼續(xù)用于施工，運距較遠(yuǎn)且水源充足時可排入附近河流或溝渠。輸漿管線的布設(shè)必須平坦順直，切忌出現(xiàn)死彎。

沖擊壓力及沖擊方法的選擇應(yīng)根據(jù)施工土質(zhì)，并能滿足水力沖挖機組性能要求，確保設(shè)備處于最佳工作狀態(tài)，本工程使用的水力沖挖機組性能參數(shù)見表2。根據(jù)施工經(jīng)驗，泥漿排泥管線長度應(yīng)控制在500 m左右，運距加大會降低效率，必須采用接力泵加壓輸送，接力泵數(shù)量一般不超過3臺，各接力泵輸泥管長度控制在800 m左右，排泥距最遠(yuǎn)可達(dá)5000 m。

表2 水力沖挖機組性能參數(shù)

本工程渠底淤泥和泥漿清理的沖擊水壓確定為3.5 kg/cm2，岸坡交錯布置著黏土與沙壤土，沖擊水壓應(yīng)確定為7.55 kg/cm2，水槍和沖擊面之間的間隔控制在4 m范圍內(nèi)，沖水量按泥漿開挖量的4～5倍確定。考慮到本工程所采用泥漿泵吸送濃度（60%～80%），泥塊雜質(zhì)等直徑應(yīng)控制在50 mm以內(nèi)。

4 結(jié)論

德州市引黃清淤工程水力沖挖機組河道疏浚效益顯著，一臺水力沖挖機組配備8～9名操作人員，24 h輪班作業(yè)，能完成500 m3～1200 m3左右淤泥方量的開挖，包括圍堰、開挖、施工供電及施工供排水等在內(nèi)的清淤疏浚單價比挖掘機加自卸汽車施工單價節(jié)省30%～50%。此外，水力沖挖機組施工完全通過管道送土，不會產(chǎn)生耕地踏廢等問題，圍堰推土平整后當(dāng)年就能耕種，還能結(jié)合廢棄坑塘及低洼地改造增大耕地面積，增加糧食產(chǎn)量?？傊?，水力沖挖機組施工技術(shù)在河道疏浚清淤工程中的應(yīng)用具有顯著的經(jīng)濟效益與社會效益，應(yīng)在類似工程中推廣應(yīng)用。