淺水湖泊干法清淤若干問題初探

徐子令，陳 鷗，段育慧

（淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 淮安 223005）

1 概述

長(zhǎng)蕩湖位于常州市金壇區(qū)境內(nèi)東南部9 km處，是江蘇省十大淡水湖之一，集防洪調(diào)蓄、水資源、生態(tài)環(huán)境、漁業(yè)養(yǎng)殖、氣候調(diào)節(jié)及旅游等功能于一體的淺水型湖泊，是太湖流域湖泊群中重要組成部分。長(zhǎng)蕩湖清淤前水質(zhì)為Ⅴ～劣Ⅴ類水質(zhì)，接納的污染主要為氮、磷、COD，部分區(qū)域受重金屬污染。2012年5月監(jiān)測(cè)，總氮平均值為2.12 mg/L，總磷為0.134 mg/L，COD為5.410 mg/L，葉綠素平均值為27.95 ug/L。重金屬 As、Hg、Cd、Cr、Cu、Pb、Ni、Zn等8種含量相對(duì)太湖流域其他湖泊偏高。對(duì)湖底表層48個(gè)采樣點(diǎn)重金屬污染進(jìn)行分析，強(qiáng)度和很強(qiáng)生態(tài)危害采樣點(diǎn)所占比例超過58%，進(jìn)行底泥疏浚將其清除，是十分必要和迫切的。

長(zhǎng)蕩湖生態(tài)清淤面積為39.87 km2，清淤深度0.1～0.4 m，清淤總量752.5萬m3，項(xiàng)目計(jì)劃分五期實(shí)施，一期工程位于湖面東北角，位于金壇區(qū)新建水廠取水口范圍，計(jì)劃清淤面積約9.7 km2，清淤深度0.12～0.30 m，清淤量約173萬m3。為防止二次污染，根據(jù)初設(shè)報(bào)告及有關(guān)批復(fù)，一期工程采用干法施工。并對(duì)淤泥進(jìn)行集中填埋處理，排泥場(chǎng)就近布置于湖區(qū)北側(cè)。

2 湖區(qū)清淤設(shè)計(jì)探討

2.1 水文、地形、地質(zhì)情況

長(zhǎng)蕩湖湖區(qū)多年平均水位為 3.45 m，正常蓄水位為3.49 m，設(shè)計(jì)洪水位為 5.66 m。5年一遇高水位為5.18m，10年一遇高水位為5.46 m，20年一遇高水位為5.69 m。非主汛期5年一遇高水位為4.24 m，10年一遇高水位為4.46 m，20年一遇高水位為4.66 m。湖區(qū)平均水深1.1 m左右，正常蓄水位下相應(yīng)的湖區(qū)面積為81.97 km2，容積為0.90億m3[1]。

2014年4～10月在長(zhǎng)蕩湖布設(shè)7963個(gè)水位測(cè)量點(diǎn)位，繪制了長(zhǎng)蕩湖湖底高程圖，見圖1。湖底高程為1.05～3.95 m，平均2.4 m。一期工程位于湖區(qū)的東北角，底高程多在2.2～2.4 m之間。長(zhǎng)蕩湖湖底地形平坦，為典型的平原淺水湖泊。

圖1 長(zhǎng)蕩湖湖底高程等值線圖

根據(jù)地勘資料，一期工程湖區(qū)范圍內(nèi)表層為淤泥，下部依次為粉土夾粉質(zhì)黏土、黏土，局部有淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉土分布，總體地質(zhì)條件較好，滿足機(jī)械進(jìn)場(chǎng)施工條件。排泥場(chǎng)范圍內(nèi)主要為素填土和黏土，承載力170～210 kPa。

2.2 一期工程底泥疏浚深度及疏浚量的確定

在項(xiàng)目進(jìn)展前期，對(duì)湖區(qū)底泥進(jìn)行采樣分析，對(duì)底泥中的總氮TN、總磷TP、有機(jī)質(zhì)LOI以及8種重金屬砷、汞、鎘、鉻、銅、鉛、鎳、鋅進(jìn)行了檢測(cè)，采用長(zhǎng)蕩湖湖底未受污染的底泥作為背景值，通過對(duì)比確定湖區(qū)各處污染物超標(biāo)的情況及深度范圍，采用包絡(luò)線法確定各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的清淤深度[2]。按照上述方法，一期工程9.93 km2劃分為5個(gè)清淤區(qū)域，參見圖2，各區(qū)域清淤深度依次為0.3 m（區(qū)域1）、0.3 m（區(qū)域 2）、0.30 m（區(qū)域 3）、0.25 m（區(qū)域4）、0.12 mm（剩余區(qū)域）。利用各區(qū)域面積乘以相應(yīng)的清淤深度得出一期工程總清淤量為173萬方[1]。

圖2 長(zhǎng)蕩湖清淤工程分期分區(qū)圖

2.3 施工方法的選擇

湖區(qū)清淤常用施工方法大致分為2類：干法清淤和水下清淤。水下清淤主要采用挖泥船施工，但水深要滿足施工船舶的航行要求，清淤高程控制難度較大。一期工程清淤厚度小，面積大，且該區(qū)域中心位置計(jì)劃建設(shè)金壇區(qū)自來水取水口及輸水管道，為了保證清淤質(zhì)量，便于施工質(zhì)量控制，經(jīng)比選采用干地施工。但如此大面積的湖區(qū)干地施工案例極少，缺乏工程經(jīng)驗(yàn)。且湖區(qū)存在軟土區(qū)域，推土機(jī)、挖土機(jī)等機(jī)械進(jìn)場(chǎng)施工需要采用一定的措施，并做好湖區(qū)降排水工作。

2.4 圍堰設(shè)計(jì)

為創(chuàng)造干地施工條件，需要在一期工程西側(cè)和南側(cè)建設(shè)擋水圍堰，其中西側(cè)圍堰長(zhǎng)2.85 km，南側(cè)圍堰長(zhǎng)3.58 km，合計(jì)6.43 km[3]。圍堰頂高程采用10年一遇的非主汛期施工期水位加安全超高，確定為5.6 m；圍堰在湖底以上高度約3.3 m。長(zhǎng)蕩湖汛期水位變幅大，水位增速快，需要考慮圍堰過水度汛的工況。圍堰選擇在非汛期建設(shè)，工期緊、任務(wù)重。選擇一種適合機(jī)械化施工，進(jìn)度快，質(zhì)量有保障的圍堰型式成為設(shè)計(jì)重點(diǎn)。結(jié)合水利工程常用的圍堰型式以及當(dāng)?shù)厝狈ν猎吹膶?shí)際條件，選擇鋼板樁圍堰。按照湖區(qū)地質(zhì)鉆探資料，分區(qū)域采用單排或雙排鋼板樁，分段確定鋼板樁長(zhǎng)度及樁后戧體的尺寸。雙排鋼板樁頂部結(jié)合湖區(qū)排水設(shè)置多臺(tái)排水泵，可節(jié)約排水泵站的造價(jià)，圍堰前后適當(dāng)防護(hù)以策安全。

2.5 湖區(qū)施工道路的布置

一期清淤湖區(qū)東西向長(zhǎng)度3.3 km，南北向長(zhǎng)度約3.5 km。排泥場(chǎng)位于長(zhǎng)蕩湖北部，排泥場(chǎng)中心距離湖邊650 m。湖區(qū)抽水后，進(jìn)場(chǎng)道路考慮到施工出土以及機(jī)械調(diào)配的需要，采用井字形布置。其中南北向?yàn)橹饕鐾恋缆罚g距500～600 m；東西向?yàn)榇我缆?，間距250 m，為推土機(jī)的經(jīng)濟(jì)作業(yè)長(zhǎng)度的2倍，便于推土機(jī)往道路旁集土?？紤]到一期湖區(qū)可能進(jìn)水度汛，南北向中部道路填筑較高，將一期湖區(qū)再次分為東西2個(gè)部分，以梯級(jí)蓄水，減少鋼板樁圍堰的承壓水頭。

南北向道路采用15 cm泥結(jié)石路面+15 cm砂石墊層+6%灰土路基，東西向道路采用60 cm厚灰土填筑，道路寬度均為6 m，道路縱坡不大于5%。道路總長(zhǎng)度53 km，填筑土方來源為排泥場(chǎng)庫區(qū)開挖。

2.6 湖區(qū)施工期排水

施工期排水壟溝沿湖區(qū)施工道路兩側(cè)布置，距堤腳10 m，底寬0.5～1 m，底高程1.0～1.4 m，溝底比降萬分之一，邊坡1:1。與臨時(shí)施工道路交叉時(shí)埋設(shè)直徑1 m鋼筋混凝土排水管。排水壟溝總長(zhǎng)約104 km，預(yù)埋鋼筋混凝土管總長(zhǎng)度約1200 m。結(jié)合一期湖區(qū)臨時(shí)排水泵站的設(shè)置，分區(qū)排水，按照線路最近原則設(shè)計(jì)排水溝水流走向。

3 排泥場(chǎng)區(qū)的設(shè)計(jì)探討

3.1 淤泥庫區(qū)容積控制

湖區(qū)淤泥含水率為41.71%～85.61%，平均含水率約63%左右。湖區(qū)抽水后，由推土機(jī)集土打堆，排除部分含水。然后由自卸汽車運(yùn)至排泥庫區(qū)堆放，淤泥體積將會(huì)有較大量的縮減。故排泥庫區(qū)容積不需要考慮放大系數(shù)，按照設(shè)計(jì)清淤量開挖即可。施工期庫區(qū)淤泥表面積水主要由下雨及淤泥沉積后上層積水組成。及時(shí)排除表層積水，可防止后堆淤泥與積水混合，從而充分利用庫區(qū)容積。此外，在排泥場(chǎng)庫區(qū)底部設(shè)置排水盲溝，淤泥的滲水將通過排水盲溝匯入庫區(qū)外集水井，水泵定期抽水，為淤泥固結(jié)創(chuàng)造條件。

3.2 庫區(qū)的防滲處理

湖底淤泥重金屬、總氮、總磷超標(biāo)，且排泥庫區(qū)邊緣距離湖區(qū)僅250 m。為了防止淤泥污染地下水，進(jìn)而影響自來水廠取水口水質(zhì)，初步設(shè)計(jì)時(shí)借用垃圾填埋場(chǎng)的防滲處理方法，對(duì)庫區(qū)進(jìn)行了防滲處理，采用2 mmHDPE環(huán)保復(fù)合防滲土工膜，后期施工圖設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行了優(yōu)化。庫區(qū)底部采用2層復(fù)合土工膜，每層復(fù)合土工膜均為兩布一膜結(jié)構(gòu)；庫區(qū)頂部采用一層復(fù)合土工膜覆蓋，防止雨水下滲。

優(yōu)化后的排泥場(chǎng)底部及坡面鋪設(shè)復(fù)合土工膜代號(hào)為：FN2/HDPE-20-500-0.75；材料為：長(zhǎng)絲紡粘針刺非織造土工布基材/HDPE復(fù)合土工膜，二布一膜，標(biāo)稱斷裂強(qiáng)度為20 kN/m，非織造布總單位面積質(zhì)量500 g/m2，膜厚度0.75 mm[4-6]。其余各基本項(xiàng)技術(shù)要求、耐靜水壓和外觀疵點(diǎn)滿足《土工合成材料非織造布復(fù)合土工膜GB/T17642-2008》要求。排泥場(chǎng)面層覆蓋復(fù)合土工膜代號(hào)為：FN2/HDPE-20-500-0.5；材料為：長(zhǎng)絲紡粘針刺非織造土工布基材/HDPE復(fù)合土工膜，二布一膜，標(biāo)稱斷裂強(qiáng)度為20 kN/m，非織造布總單位面積質(zhì)量500 g/m2，膜厚度0.5 mm[4-6]。其余各基本項(xiàng)技術(shù)要求、耐靜水壓和外觀疵點(diǎn)滿足《土工合成材料非織造布復(fù)合土工膜GB/T17642-2008》要求。此外，復(fù)合土工膜的水蒸氣滲透系數(shù)要求≤1.0×10-13g.cm/（cm2.s.pa）。土工膜按照一定幅寬生產(chǎn)，預(yù)留焊接邊緣，現(xiàn)場(chǎng)拼裝焊接，與庫區(qū)底部及邊坡地面緊密貼合，并按要求預(yù)留褶皺。

3.3 排泥場(chǎng)區(qū)的排水設(shè)計(jì)及污水處理

場(chǎng)區(qū)排水主要包括施工期降雨及淤泥滲水。排泥場(chǎng)劃分為若干排泥庫區(qū)后，每個(gè)庫區(qū)上口基本為長(zhǎng)方形，長(zhǎng)度約250 m，寬度約200 m，深度根據(jù)容積計(jì)算確定為6.5 m。積水主要為各庫區(qū)淤泥表層積水及暗管匯入集水井的滲水。故設(shè)置2套排水系統(tǒng)，分別排除表層積水及底部滲水。在各庫區(qū)上口埋設(shè)管網(wǎng)，各庫管網(wǎng)連通，預(yù)留接口、安裝閘閥、壓力表等設(shè)備，采用移動(dòng)式潛水泵將庫區(qū)表層積水排入管網(wǎng)，最后匯入污水處理池中。庫區(qū)底部每隔30 m埋設(shè)MG300塑料盲管，外包土工布、砂石墊層，形成排水暗管。滲水由排水暗管搜集后匯入各自庫區(qū)外圍的鋼筋混凝土集水井。在排泥場(chǎng)四周設(shè)置截水溝，阻斷排泥場(chǎng)與外部的雨水漫流，截水溝兼做施工期的污水搜集渠道。集水井滲水通過潛水泵抽排進(jìn)截水溝，截水溝末端與排泥場(chǎng)污水處理池連通。

通過上述2套排水系統(tǒng)，排泥場(chǎng)污水已經(jīng)全部搜集進(jìn)污水處理池。污水處理池分為2套4個(gè)水池，每套含1個(gè)初步處理池和1個(gè)深度處理池，在處理池內(nèi)添加沉淀劑、絮凝劑等加速污水凈化。水池底部淤泥定期清理，2套處理池可以依次使用，保證污水處理的不間斷進(jìn)行。污水處理經(jīng)檢測(cè)達(dá)標(biāo)后排放進(jìn)長(zhǎng)蕩湖。

3.4 場(chǎng)區(qū)的復(fù)墾

在庫區(qū)淤泥填滿后，先回填的庫區(qū)淤泥經(jīng)排水固結(jié)已經(jīng)達(dá)到一定強(qiáng)度。為了頂部鋪膜的需要，在淤泥頂部可填筑部分好土，采用湖區(qū)施工臨時(shí)道路挖除棄土進(jìn)行庫區(qū)表層回填。既處理了棄土，又為庫區(qū)頂部鋪膜及上部覆土創(chuàng)造了較好的基礎(chǔ)條件。經(jīng)當(dāng)?shù)匾?guī)劃，排泥場(chǎng)區(qū)后期主要為園林綠化，不種農(nóng)作物。覆土厚度結(jié)合土方平衡及地形條件確定為0.8 m，略高出周圍地面。為了防止作物根系對(duì)庫區(qū)頂部鋪膜造成損壞，主要栽植根系不發(fā)達(dá)的草本植物及灌木。

4 結(jié)語

長(zhǎng)蕩湖清淤工程基本完工，清淤效果良好。采用干法施工后，湖底重金屬及有害有機(jī)物得到了充分的清除，經(jīng)過施工期翻土晾曬，原湖底有機(jī)物產(chǎn)生的有害氣體得以充分釋放，保證了金壇區(qū)長(zhǎng)蕩湖水源地的順利建設(shè)。同時(shí)長(zhǎng)蕩湖作為太湖上游的第二大淡水湖，湖區(qū)面積僅次于滆湖，其污染物的大量消減對(duì)太湖水質(zhì)的改善具有重大意義。如此大面積的湖區(qū)干地清淤及淤泥處置，為后期類似工程的實(shí)施積累了經(jīng)驗(yàn)。