德州市引黃清淤工程水力沖挖機(jī)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(shí)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(jì)南市隔河相望，西部與聊城市接壤，西北部及北部以衛(wèi)運(yùn)河、漳衛(wèi)新河為界與河北省相毗鄰。1971年開(kāi)始興建，1972年建成并運(yùn)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(jì)引水流量124 m3/s，設(shè)計(jì)灌溉面積500萬(wàn)畝，干渠總長(zhǎng)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(gè)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(jì)效益和社會(huì)效益。

灌區(qū)內(nèi)多年平均降雨量不足600 mm，因多年開(kāi)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(yùn)行情況分析來(lái)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(wàn)m3左右，引黃必引沙，干渠淤積致使過(guò)水?dāng)嗝婵s小，干渠水位過(guò)高，給堤防帶來(lái)安全隱患，同時(shí)嚴(yán)重影響過(guò)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(huì)穩(wěn)定，促進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，對(duì)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(shì)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(tái)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(shì)不作調(diào)整?，F(xiàn)有總干渠過(guò)水能力由于部分渠道淤積，導(dǎo)致過(guò)水能力明顯下降，臺(tái)樓設(shè)計(jì)流量110 m3/s，實(shí)測(cè)過(guò)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(kāi)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?yàn)榉植紡V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(jí)構(gòu)造單元，一級(jí)構(gòu)造為華北地臺(tái)，二級(jí)構(gòu)造為遼冀臺(tái)向斜，三級(jí)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(yùn)動(dòng)為主，水平方向運(yùn)動(dòng)遲緩，其補(bǔ)給主要受大氣降水和水文因素的影響，以降水補(bǔ)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(guó)地震動(dòng)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(chǎng)區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.10 g，相應(yīng)地震基本烈度Ⅶ度，地震動(dòng)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(chǎng)區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.15 g，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ度，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.40 s。

3 水力沖挖機(jī)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(jī)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(jī)組施工，運(yùn)距500 m～5000 m，運(yùn)距500 m內(nèi)不需要加壓，運(yùn)距500 m以上采用加壓泵多級(jí)加壓；放土區(qū)圍堰采用挖掘機(jī)施工；放土區(qū)還耕采用推土機(jī)施工。施工機(jī)械型號(hào)見(jiàn)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(jī)組疏浚定額、淤泥運(yùn)距、施工電源供給情況[1]等進(jìn)行施工機(jī)組數(shù)量的確定。

表1 施工機(jī)械的選擇

3.2 工作原理

水力沖挖機(jī)組渠道清淤施工過(guò)程中，水流經(jīng)高壓泵產(chǎn)生壓力，通過(guò)水槍噴出一股密實(shí)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(chǎng)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(jī)組渠道清淤系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

圖1 水力沖挖機(jī)組渠道清淤工作系統(tǒng)原理

3.3 水力沖挖機(jī)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(jī)組施工，清淤棄土采用順干渠兩岸棄土，棄土場(chǎng)位于河堤外腳，避開(kāi)村莊。運(yùn)距500 m～5000 m，采用加壓泵多級(jí)加壓輸送。水力沖挖機(jī)組具有節(jié)約費(fèi)用、節(jié)約工時(shí)、節(jié)約用地、社會(huì)效益好的優(yōu)點(diǎn)。水力沖挖機(jī)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(zhǎng)度上越短越好，坡度越小越好，并盡量避免通過(guò)障礙物。根據(jù)情況布置在地勢(shì)平坦的空曠地區(qū)，盡量避開(kāi)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(tái)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(guò)水槍噴出一股密實(shí)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(lái)的泥漿，并吸排到放土區(qū)內(nèi)，運(yùn)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?shí)際情況相結(jié)合，或通過(guò)離心泵抽排回到原開(kāi)挖斷面處用于施工用水，或就近排入溝渠內(nèi)，但不得對(duì)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(diǎn)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(guò)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(duì)岸沖挖。待一個(gè)作業(yè)段清淤達(dá)標(biāo)后移動(dòng)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(jī)組施工主要通過(guò)高壓水泵產(chǎn)生壓力，并經(jīng)由水槍噴嘴射出密實(shí)高速水柱，實(shí)現(xiàn)對(duì)泥土的切割、粉碎后形成泥漿混合液，再運(yùn)用泥漿泵將泥漿輸送至棄土區(qū)沉淀，運(yùn)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(shí)或壓實(shí)，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(shí)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(yùn)距較遠(yuǎn)且水源充足時(shí)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(jī)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(jī)組性能參數(shù)見(jiàn)表2。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)，泥漿排泥管線長(zhǎng)度應(yīng)控制在500 m左右，運(yùn)距加大會(huì)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(guò)3臺(tái)，各接力泵輸泥管長(zhǎng)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(jī)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(cuò)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(kāi)挖量的4～5倍確定?？紤]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(jī)組河道疏浚效益顯著，一臺(tái)水力沖挖機(jī)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(kāi)挖，包括圍堰、開(kāi)挖、施工供電及施工供排水等在內(nèi)的清淤疏浚單價(jià)比挖掘機(jī)加自卸汽車施工單價(jià)節(jié)省30%～50%。此外，水力沖挖機(jī)組施工完全通過(guò)管道送土，不會(huì)產(chǎn)生耕地踏廢等問(wèn)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(jī)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(jì)效益與社會(huì)效益，應(yīng)在類似工程中推廣應(yīng)用。