城固縣堰溝河水庫清淤工程淺析

田 可

(陜西水環(huán)境工程勘測設計研究院，陜西 西安 710018)

近年來我國干旱和洪澇災害問題日趨尖銳，可用水資源量的時空分布更不均勻，水庫庫容用以保障灌溉和抵御洪水的需求越來越強烈。同時，移民和生態(tài)環(huán)境問題的日益突出與備受關注，新建水庫受到的限制條件越來越多，且可供建設的優(yōu)良壩址也在逐漸減少。水庫泥沙淤積不僅侵占水庫庫容，直接影響水庫灌溉、發(fā)電的效益，削弱水庫防洪能力，危害水庫運行安全，還會導致上游支流水位抬升，加大區(qū)域防洪壓力。通過水庫清淤工程，不僅能恢復水庫庫容，延長水庫使用壽命，還可達到除害為利、變廢為寶的目的。

1 水庫概況

城固縣位于陜西南部漢中盆地腹部，總人口54.3萬，是古絲綢之路的重要源點、漢中副中心城市和漢中第二人口大縣。堰溝河為漢江一級支流，發(fā)源于城固縣米倉山北麓觀音巖，由南向北流經(jīng)天明鎮(zhèn)、三合鎮(zhèn)等2個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，在三合鎮(zhèn)余觀村穿過堰溝河水庫繼續(xù)北流，于三合鎮(zhèn)龍王廟村西匯入漢江，河道全長61 km，流域面積168 km2。平均比降13.2‰。堰溝河水庫位于城固縣三合鎮(zhèn)，堰溝河入漢江口，水庫壩址以上流域面積147 km2，河道長58 km。

堰溝河水庫位于城固縣三合鎮(zhèn)，堰溝河入漢江口，水庫壩址以上流域面積147 km2，河道長58 km。堰溝河水庫是一座以灌溉為主，兼防洪、養(yǎng)殖等綜合利用的小(一)型水庫，總庫容515萬 m3，設計核定興利庫容180萬 m3，滯洪庫容200萬 m3，死庫容20萬 m3。設施灌溉面積1.1萬畝，養(yǎng)魚水面290畝。堰溝河水庫始建于文革時期，是邊勘測邊設計邊施工的“三邊”工程。設計標準低、施工質(zhì)量差，工程地質(zhì)復雜，設計、施工中存在著不可忽視的技術問題，致使工程多次出現(xiàn)險情,工程帶病運行三十多年，老化嚴重，險情加劇。2005年對堰溝河水庫進行了除險加固。

該水庫保護下游城固縣城、三合鎮(zhèn)、316國道、西漢高速公路以及9.5萬人口與1.5萬畝農(nóng)田，位置十分重要。水庫經(jīng)過多年的運行，水庫淤積問題嚴重，導致水位抬高，嚴重影響水庫運行。

2 庫區(qū)淤積現(xiàn)狀

堰溝河水庫興建于20世紀60年代，水土流失嚴重，水流含一定泥沙量，經(jīng)多年運行之后已出現(xiàn)泥沙淤積現(xiàn)象，嚴重削減了水庫的有效庫容，影響水庫效益正常發(fā)揮。根據(jù)《堰溝河水庫除險加固工程初步設計報告》，水庫自1975-2004運行30 a，水庫淤積量125萬 m3，占水庫總庫容515萬 m3的24.2%。

根據(jù)2020年測量資料顯示，水庫淤積高程呈上升趨勢，淤積總長度為6.99 km，平均清淤厚度5.20 m，最大淤積厚度為8.3 m，淤積總量為178.7萬 m3，占總庫容的34.7%。水庫淤積現(xiàn)狀縱斷面見圖1。

圖1 堰溝河水庫淤積

3 清淤的必要性分析

堰溝河水庫現(xiàn)狀庫容為336.3萬 m3，淤積庫容178.7萬 m3，占總庫容的34.7%。淤積占興利庫容127.3萬 m3，侵占興利庫容的70%。水庫淤積已經(jīng)嚴重影響水庫效益及自身防洪安全。故急需進行水庫清淤。

3.1 防洪保安，提高防洪能力

防洪庫容是衡量水庫防洪能力，保護下游人民群眾以及重要基礎設施防洪安全的重要指標。泥沙在水庫防洪庫容內(nèi)大量淤積，勢必導致防洪庫容的減少，相應降低水庫防洪能力。另外，淤積物在入庫河流段淤積，會導致上游河道行洪斷面變小，降低行洪能力，影響兩岸群眾、耕地及道路等的安全。淤積的逐年增大影響防洪安全。有效實施水庫清淤工程，可達到防洪保安，提高防洪能力的目的。

3.2 興利增效

興利庫容是水庫工程發(fā)揮灌溉、養(yǎng)殖等效益的基礎。興利庫容內(nèi)存在大量淤積物，會減少水庫興利庫容，減弱水庫興利能力，進而影響水庫興利增效的能力。

以“智能表面處理技術”為主題，LIGNA 2019的表面處理展示將涵蓋滿足當今日益增長的觸覺、亞光和反射表面需求的全部智能處理解決方案，包括數(shù)字印刷和裝飾凹印系統(tǒng)、檢查系統(tǒng)、最新一代噴涂機器、機器人系統(tǒng)等。在這方面，數(shù)字化和自動化是以最低成本，實現(xiàn)更大靈活性的關鍵技術。各類最新的表面處理技術、應用、創(chuàng)新和解決方案將在16和17號廳展出。

水庫經(jīng)多年運行，死庫容已被淤積物侵占，淤積問題嚴重，現(xiàn)狀水庫興利庫容已有70%庫容被淤積物侵占，導致水庫原設計的灌溉規(guī)模大打折扣。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，每年已有6 000余畝農(nóng)田得不到有效灌溉，糧食產(chǎn)量急劇減少，影響群眾收入，對農(nóng)民脫貧致富產(chǎn)生負面影響。因此為確保水庫的灌溉效益及綜合效益的發(fā)揮，緩解水庫淤積對糧食安全的影響，對水庫進行清淤是十分必要和相當迫切的。

3.3 保護環(huán)境

泥沙淤積導致水庫有效水深降低，減少了水生生物的活動范圍，對水生生物的生存環(huán)境產(chǎn)生負面影響，同時對庫區(qū)養(yǎng)殖產(chǎn)生負面影響。泥沙淤積導致上游河床抬高，淤積帶向上延伸，兩岸地下水位也隨之抬高，從而造成兩岸農(nóng)田次生鹽堿化對生態(tài)環(huán)境的破壞，清淤后可恢復和保護生態(tài)環(huán)境。

水庫淤積所損失的不僅是庫容，更浪費了建造水庫的良好壩址。選擇新的壩址需要淹沒大量優(yōu)質(zhì)農(nóng)田或大量移民，投入成本巨大且容易成為社會不穩(wěn)定因素，并對自然生態(tài)造成破壞。

4 清淤的可行性

實施水庫清淤工程能恢復水庫的有效庫容，技術上可行，成本相對也較低。

4.1 淤積物可再利用

清淤改善了水庫水質(zhì)，清出的淤泥可用來制作有機肥、改善土壤和填土造田，砂料可用作制磚或建筑材料，實現(xiàn)淤積泥沙的資源化產(chǎn)業(yè)化利用，變廢為寶且降低了清淤成本。

4.2 成本低

清淤恢復有效庫容的成本低于新建水庫成本，其優(yōu)勢在于不占用耕地、不產(chǎn)生移民及費用，不損耗建材。水庫庫尾河漫灘處采用旱采方式，其工藝成熟，開采費用低，水庫庫內(nèi)采用陸地清淤，不影響水庫正常運行。

4.3 風險可控

水庫清淤只是對庫區(qū)內(nèi)淤積物進行清理，對水庫安全無任何影響。水下清淤采用絞吸式挖泥船，其工藝成熟，對施工人員人身安全無威脅。陸地清淤采用挖掘機進行清淤，操作簡便不留死角，施工安全。

4.4 對供水對象無大的影響

水下清淤過程中會引起局部庫水渾濁，但其影響是暫時的，局部的，絞吸式挖泥船巨大的吸力將其一并清理，對農(nóng)業(yè)灌溉等不會產(chǎn)生大的影響。而陸地清淤施工成熟，對供水對象基本無影響。

恢復水庫的有效庫容，提高水庫調(diào)蓄能力，延長水庫使用壽命，采取清淤方式增效是恢復水庫調(diào)蓄能力和充分發(fā)揮水庫防洪、灌溉效益的一項費省效宏的重要措施，經(jīng)濟上合理。

因此，水庫清淤在技術上可行，在經(jīng)濟上是合理的，運行期間影響小，且工程實施后對水庫的安全運行也是有利的。

5 清淤范圍確定

為保證水庫大壩樞紐工程穩(wěn)定安全，本次清淤范圍為大壩保護范圍以外的水庫庫區(qū)。

根據(jù)《河湖和水利工程管理范圍及保護范圍劃界技術指南(試行)》，小型水庫工程管理范圍外緣控制線上游為從壩上游腳線向上游50～100 m，此次取100 m；工程保護范圍從工程管理范圍邊界線外延，小型水庫上游100～200 m，此次取100 m。

本次清淤水平范圍：起點為堰溝河水庫壩上游腳線200 m處，末點為壩上游坡腳線6 992 m處，清淤總長度為6 792 m，水庫校核洪水位以下高程；

6 清淤設計

6.1 開挖縱向比降

根據(jù)地形圖，原庫區(qū)段河底比降為3.38‰；根據(jù)測量數(shù)據(jù)分析，現(xiàn)狀河道淤積面縱比降為1.98‰，設計開挖縱向比降采用庫區(qū)段原河底比降3.38‰，開挖設計庫底高程范圍為480.48～503.29 m。

6.2 開挖橫斷面

6.3 水庫清淤方案選定

目前，水庫機械清淤主要有兩類，一類是無水作業(yè)，一類是無水作業(yè)與帶水作業(yè)相結合。無水作業(yè)需要排空作業(yè)區(qū)，帶水作業(yè)主要由專業(yè)船舶完成。兩類方法均可以滿足本工程清淤要求，但各有利弊，兩方案對比如下：

方案一：因水庫死水位以下已基本淤滿，此方案將水庫放空，施工安排上，從9月開始，將庫區(qū)清淤區(qū)曬干至11月上凍初期，待解凍后采用挖掘機直接進入清淤區(qū)挖掘。

方案二：保持水庫水位于運行水位，水下采用具有自排功能的清淤設備，陸地采用挖掘機直接進入清淤區(qū)挖掘。水下施工時，可選用適合施工條件的挖泥船，經(jīng)水下清淤，再通過排泥管將淤積物排至堆積點。

方案一優(yōu)點是采用挖掘機挖掘，施工工藝簡單、節(jié)省投資。缺點是施工場地要求高，水庫騰庫晾曬時間長，影響灌溉、養(yǎng)殖及發(fā)電效益；方案二優(yōu)點是不影響水庫效益及正常運行，施工條件較好。缺點是施工工藝相對復雜，清淤費用相對較高。

由于方案二不影響灌溉、養(yǎng)殖及發(fā)電效益，并且放空水庫產(chǎn)生的損失較清淤工程費用高。因此本次清淤工程選取方案二，即保持水庫運行水位，采用挖掘機清淤與挖泥船結合的方式共同清淤，即本次清淤采用陸地清淤和水下清淤結合清淤的方式。

6.4 清淤量及清淤方式

水庫淤積量根據(jù)測量資料及原水庫庫容資料進行計算，經(jīng)分析計算，此次設計清淤量為152.53萬 m3。其中水下清淤量為73.97萬 m3，陸地清淤量為78.56萬 m3。堰溝河水庫常年運行水位為494.7 m，根據(jù)絞吸式挖泥船最低工作水深的要求，需保持挖泥船的最小吃水深度2 m。根據(jù)絞吸式挖泥船最低工作水深的要求及水庫近年運行常水位高程494.7 m，確定設計樁號0+200至1+111段采用水下清淤工藝；樁號1+111至3+820段采用水下和陸地結合清淤工藝，其中淤積高程高于492.70 m采用陸地清淤工藝，淤積高程低于492.70 m采用水下清淤工藝；樁號3+820至6+992段采用陸地清淤工藝。

在水庫水深較大處，采用絞吸式挖泥船開挖，淤積物由管道輸送至堆積點，排出積水后外運；在水庫水深較淺及庫尾處，采用挖掘機開挖卡車外運；陸地與水下結合清淤區(qū)，先施工導流圍堰，然后對表層淤積物進行陸地清淤，待水深達到要求后進行水下清淤。清淤由上游至下游、由高至低進行，每年汛期停止清淤。

本工程水下清淤量為73.97萬 m3，根據(jù)絞吸式挖泥船的工作特點，清理出的淤積物形態(tài)為泥漿，含水體積約為60%，使用絞吸式挖泥船預計共清理泥水混合物185萬 m3，根據(jù)總進度安排及施工條件分析，本次選用一艘200 m3/h絞吸式挖泥船施工，動力系統(tǒng)采用柴油發(fā)動機。挖泥船在水庫內(nèi)回水尾部先進行橫向清淤，再逐漸向大壩處移動進行清淤。

此次清淤釋放庫容152.53萬 m3，占水庫設計總庫容的30%，依據(jù)近15 a水庫淤積情況，可延長水庫使用壽命約40 a。

7 淤積物利用建議

水庫淤積物中含有大量的可利用資源，為滿足封閉式、生態(tài)型的新要求，可新建標準化砂場以分離淤積物。淤積物經(jīng)過分離后砂石可出售作為建筑材料，剩余淤積物含泥量較大，營養(yǎng)豐富。可將淤積物運送至低洼處荒地，為植物提供生長必要的養(yǎng)分，不宜利用部分棄至棄渣場并對表面覆土恢復植被。