觀瀾河長(zhǎng)截流箱涵泥沙淤積規(guī)律和防淤減淤對(duì)策研究

鄭 政，涂向陽(yáng)

（1.深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，518001，深圳；2.珠江水利委員會(huì)珠江水利科學(xué)研究院，510611，廣州）

為破解正本清源及雨污分流長(zhǎng)期性和河流水環(huán)境改善及界河水質(zhì)達(dá)標(biāo)限期性的矛盾，深圳市先后在觀瀾河、龍崗河、茅洲河、福田河、布吉河等跨市域或中心區(qū)等重點(diǎn)河流綜合治理中創(chuàng)新性應(yīng)用了河內(nèi)埋設(shè)大型箱涵的強(qiáng)化截流治理措施。實(shí)踐證明，“強(qiáng)化截流”作為合流制改造分流制過(guò)程中的過(guò)渡產(chǎn)物，徹底改善了上述河流長(zhǎng)期以來(lái)的黑臭現(xiàn)狀，在快速實(shí)現(xiàn)河流治污和生態(tài)修復(fù)方面體現(xiàn)了其可行性和優(yōu)越性，效果十分顯著。但受制于干支流治理時(shí)限的不匹配，為確保干流水質(zhì)的達(dá)標(biāo)，在各支流河口實(shí)施了總口截流。由于各流域處于城市建設(shè)的高峰期，水土流失近期尚不能有效控制，導(dǎo)致河流含沙量較大，河流泥沙易通過(guò)總口截入箱涵并發(fā)生淤積。封閉空間增大了沉積泥沙的日常清淤維護(hù)難度，混流水含沙量影響了污水設(shè)施的正常運(yùn)行，這些問(wèn)題也制約了截流系統(tǒng)的正常發(fā)揮。

國(guó)內(nèi)外多以研究河流、水庫(kù)、排水管道等泥沙淤積現(xiàn)象為主，沒(méi)有專門針對(duì)沿河埋設(shè)的長(zhǎng)截流箱涵的相關(guān)研究成果可借鑒。為提高運(yùn)行管理水平、節(jié)約運(yùn)管成本，并為后續(xù)類似工程的設(shè)計(jì)和建管提供技術(shù)改進(jìn)支撐，深圳市水務(wù)局將“長(zhǎng)截流箱涵泥沙淤積研究”課題列入2013年度水務(wù)發(fā)展專項(xiàng)資金科技創(chuàng)新重大專題項(xiàng)目，由深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司開展相關(guān)研究工作。

一、研究技術(shù)路線

1.長(zhǎng)截流箱涵系統(tǒng)設(shè)計(jì)概況

觀瀾河干流自油松河口起點(diǎn)至深莞交界斷面長(zhǎng)14.19 km，長(zhǎng)截流系統(tǒng)沿干流河道兩側(cè)（局部一側(cè)）埋設(shè)總長(zhǎng)21.4km的截流箱涵（管），其中主箱涵尺寸2.5 m×2.0 m～5.0 m×4.0 m，總長(zhǎng)12.229 km，設(shè)計(jì)流量為6.0~25.17 m3/s。截流系統(tǒng)對(duì)油松河、上芬水、龍華河等9個(gè)支流河口設(shè)橡膠壩或堰實(shí)施總口截流，對(duì)沿線的260個(gè)排污口實(shí)施截流。

圖1 觀瀾河干流長(zhǎng)截流箱涵系統(tǒng)圖

觀瀾河長(zhǎng)截流系統(tǒng)近期定位為旱季混流水及初雨水截排通道，兼顧市政污水收集及面源污染防治，旱季轉(zhuǎn)輸至龍華和觀瀾污水處理廠、觀瀾應(yīng)急廠處理，雨季結(jié)合龍華河、觀瀾、河口等3處調(diào)蓄池，利用各污水處理廠的富余能力及新建河口調(diào)節(jié)池初期雨水處置設(shè)施處理；遠(yuǎn)期定位為市政干管檢修備用通道及初（?。┯晁嘏磐ǖ?。觀瀾河干流長(zhǎng)截流箱涵系統(tǒng)見圖1。

2.長(zhǎng)截流箱涵系統(tǒng)調(diào)度規(guī)程

觀瀾河長(zhǎng)截流箱涵系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)度按調(diào)蓄池建成前后，分旱季、初（小）雨、大雨等不同工況進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體工程調(diào)度要求見表1。

3.實(shí)際運(yùn)行調(diào)度存在的問(wèn)題

項(xiàng)目研究期間多次對(duì)現(xiàn)場(chǎng)管理調(diào)度情況進(jìn)行實(shí)地調(diào)查，經(jīng)對(duì)4次旱季、10次降雨的實(shí)際調(diào)度工況分析，發(fā)現(xiàn)主要存在如下問(wèn)題：

①旱季工況：各支流口截污橡膠壩正常充起，應(yīng)急廠控制閘和末端控制閘關(guān)閉，符合調(diào)度規(guī)程要求。但沿線有時(shí)存在攔污柵堵塞、沉沙池及橡膠壩前泥沙淤積、箱涵內(nèi)存在阻水建筑物截留垃圾等養(yǎng)護(hù)不及時(shí)現(xiàn)象，末端閘門封閉性不良、時(shí)有漏水情況發(fā)生。

表1 觀瀾河干流截流系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)度

②雨季工況：各支流口橡膠壩未及時(shí)塌壩，降雨期必然會(huì)加重箱涵內(nèi)泥沙的流入和淤積；應(yīng)急廠控制閘及末端控制閘未按操作規(guī)程開啟，導(dǎo)致箱涵內(nèi)的雨水沿箱涵溢流口溢出，泥沙大部分在箱涵應(yīng)急廠上游段箱涵內(nèi)沉積，同時(shí)下游段箱涵內(nèi)流速減小，水流的挾沙能力不足，無(wú)法達(dá)到?jīng)_淤的要求。

4.本次研究技術(shù)路線

以深圳市觀瀾河為研究對(duì)象，結(jié)合基礎(chǔ)資料收集整理、現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行管理調(diào)查、原型調(diào)度觀測(cè)分析，查找出長(zhǎng)截流箱涵泥沙淤積規(guī)律與成因。選擇下游淤積嚴(yán)重段開展局部物理模型試驗(yàn)研究，并對(duì)大雨工況下的沖淤效果進(jìn)行原型調(diào)度觀測(cè)驗(yàn)證，從工程改造和運(yùn)行管理調(diào)度等方面提出防淤減淤對(duì)策。

二、泥沙淤積規(guī)律分析

1.淤積調(diào)查及規(guī)律分析

觀瀾河截流箱涵于2009年4月建成通水，到本研究項(xiàng)目啟動(dòng)已運(yùn)行近5年，為積累數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)單位聯(lián)合運(yùn)管單位對(duì)全段箱涵先后開展了3次泥沙測(cè)量及清淤。為進(jìn)一步查找箱涵的淤積分布規(guī)律，項(xiàng)目組于2014—2015年又多次對(duì)淤積比較嚴(yán)重的大布巷橋—箱涵末端閘段箱涵淤積進(jìn)行測(cè)量。結(jié)論如下：

（1）時(shí)間變化特點(diǎn)

從淤積的年內(nèi)分布來(lái)看，箱涵內(nèi)泥沙淤積的時(shí)間主要在旱季和雨后。大雨沖淤工況下箱涵內(nèi)主要表現(xiàn)為沖淤交替，在流速較大的箱涵段，水流或有余力挾帶淤積的泥沙。2011年4—6月對(duì)箱涵淤積進(jìn)行了兩次測(cè)量，測(cè)量時(shí)差內(nèi)流域正好接連幾天下暴雨，河道內(nèi)連續(xù)行洪致使涵內(nèi)淤積物被大洪水沖走，淤積量由28 766.5 m3下降到14 089.06 m3?？梢?，一定量級(jí)的洪水不僅能運(yùn)輸其攜帶進(jìn)入箱涵的泥沙，還可以沖刷箱涵內(nèi)原泥沙淤積物，但在水動(dòng)力較弱的箱涵段仍出現(xiàn)泥沙沉積現(xiàn)象。從箱涵沿程的淤積量變化來(lái)看，各段并不一致，沖刷的幅度也不相同，大布巷橋以上箱涵段沖刷比較明顯，部分段可沖走全部淤沙；大布巷橋—桂花路橋段沖刷量明顯減小；桂花橋—應(yīng)急廠段受雨季未及時(shí)打開應(yīng)急廠控制閘影響，水動(dòng)力條件不足，還存在一定幅度的淤積量；應(yīng)急廠下游段淤積物的沖刷幅度總體表現(xiàn)為沿程逐漸減小。

（2）沿程分布特點(diǎn)及規(guī)律

對(duì)2011—2015年歷次箱涵淤積物調(diào)查分析顯示，淤積物沿程分布主要呈現(xiàn)如下特點(diǎn)：

①受各污水處理廠取水控制閘及末端控制閘阻沙影響突出，上游段淤積主要受龍華污水處理廠控制閘影響，下游段淤積主要受應(yīng)急廠控制閘及末端控制閘影響。

②截流箱涵中下游段淤積厚度和淤積量較中上游顯著增加，這與下游段涵管坡降減小、來(lái)沙量增大、流速減小泥沙聚集落淤有密切關(guān)系。

③淤積顯著段為“桂花路橋—末段控制閘”，局部段淤積厚度超過(guò)1 m，淤積體已達(dá)到箱涵過(guò)流斷面的30%以上，淤積較為嚴(yán)重。

④不同時(shí)期淤積厚度測(cè)量成果表明，截流箱涵淤積厚度和淤積量隨時(shí)間不斷發(fā)展，在進(jìn)行箱涵清淤后淤積物快速回淤，體現(xiàn)了箱涵淤積物具有逐步增長(zhǎng)和累積的特點(diǎn)。

2.淤積物組分及來(lái)源分析

對(duì)箱涵內(nèi)淤積物組分試驗(yàn)分析，結(jié)果表明：

①桂花路橋以下、應(yīng)急廠控制閘上下游箱涵內(nèi)淤積物以中粗沙為主，含有細(xì)砂和粉沙，顆粒級(jí)配良好。

②淤積物泥沙粒徑范圍在0.005~8 mm，粒徑范圍在0.25~2.0 mm內(nèi)泥沙占樣本總質(zhì)量的65%，較下游淤積物粒徑粗。

③箱涵上游段較下游段淤積物粒徑略粗，越往下游淤積物中值粒徑越小，3個(gè)代表性沙樣的中值粒徑分別 為1.754 mm、1.148 mm和0.051 mm，泥沙非均勻系數(shù)（揀選系數(shù)）分別為2.09、2.17和4.12，淤積物組分較為復(fù)雜，含有生活垃圾、建筑垃圾和雜物（塑料袋、鋼絲、樹枝等）。

④旱季工況下，各支流總口截流及主涵管沿線排放生活污水?dāng)y帶生活垃圾、沖瀉質(zhì)淤泥進(jìn)入主涵管系統(tǒng)。黑色淤泥質(zhì)淤積物（沖瀉質(zhì)）多來(lái)源于旱季污水。

⑤降雨工況下，若各支流總口截污進(jìn)水閘門關(guān)閉不及時(shí)、不完全，雨洪水?dāng)y帶中粗砂和生活垃圾將從各支流總口截污口和沿線排污口進(jìn)入涵內(nèi)，淤積物中粗沙多來(lái)源于雨季。

3.淤積成因分析

①流域上游各支流水土流失未能有效治理、泥沙含量大，支流總口截流將上游旱季混流污水和初（小）雨水全部截流進(jìn)入涵管，水流持續(xù)攜帶泥沙進(jìn)入截流系統(tǒng)。

②各支流總口截流涵管進(jìn)水口未能建設(shè)有效的攔沙、沉沙設(shè)施，未能實(shí)施定期清淤制度。

③截流箱涵為相對(duì)封閉通道，泥沙進(jìn)入后水流運(yùn)動(dòng)受阻或流速降低后宜發(fā)生沉降和淤積，淤積物基本沒(méi)有出路。

④淤積物組成包括推移質(zhì)泥沙、懸移質(zhì)泥沙、生活排污攜帶淤泥和建筑垃圾等，淤積物成分復(fù)雜，顆粒級(jí)配良好，在旱季涵管上游來(lái)水量較小時(shí)淤積物易發(fā)生板結(jié)、硬化，淤積物抗沖刷流速大。

⑤應(yīng)急污水廠控制閘、觀瀾污水廠進(jìn)水管疊梁堰、末端控制閘等阻水作用大，各交叉建筑物未按調(diào)度方案操作加劇了箱涵內(nèi)泥沙淤積態(tài)勢(shì)。

⑥白花河總口截流及下游河道沿線匯入截流箱涵的污水中含有餐廚垃圾、生活垃圾和沖瀉質(zhì)淤積物，觀瀾應(yīng)急污水廠常處于檢修和工程運(yùn)行調(diào)試期，未能有效承擔(dān)白花河污水的處理功能；在末端河口調(diào)蓄池建成前，白花河下游段箱涵內(nèi)污水沒(méi)有合理出路，成為該段淤積的主因。

三、防淤減淤對(duì)策研究

1.原型調(diào)度觀測(cè)分析

針對(duì)箱涵內(nèi)淤積規(guī)律分析揭示的連續(xù)大暴雨可對(duì)箱涵內(nèi)淤積物進(jìn)行沖淤的特性，項(xiàng)目組在2013年12月—2015年7月先后開展了5次雨季的原型調(diào)度觀測(cè)作業(yè)，結(jié)合長(zhǎng)截流箱涵系統(tǒng)的調(diào)度，利用上下游洪水水頭差，進(jìn)一步分析了洪水期沖淤效果。

以2015年4月—2015年7月連續(xù)調(diào)度工況為例，期間流域內(nèi)多次發(fā)布暴雨預(yù)警，分別于5月11日、5月20日、5月23日 實(shí)現(xiàn) 了3次 沖 淤 調(diào)度。根據(jù)箱涵內(nèi)沖淤前后淤積厚度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，得出主要結(jié)論如下：

①5月11日第一次沖淤：以應(yīng)急廠控制閘為界，以上段全線呈現(xiàn)沖刷態(tài)勢(shì)，降雨后最大沖淤厚度達(dá)1 m；以下段呈現(xiàn)沖淤交替、淤積為主的現(xiàn)象，降雨前后淤積厚度變化幅度為-0.1~0.33 m。原型觀測(cè)分析表明該量級(jí)大雨對(duì)應(yīng)急廠控制閘以上段沖淤效果較好，下游段淤積厚度有所增大，主要為本次降雨量級(jí)不夠大，洪水約5年一遇~10年一遇標(biāo)準(zhǔn)。

②5月20日第二次、5月23日第三次沖淤：樟坑徑河口—末端閘以沖刷為主，最大沖刷厚度達(dá)45 cm；以上段呈現(xiàn)沖淤交替、淤積為主的現(xiàn)象，降雨前后淤積厚度變化幅度為-0.34~0.28 m。主要為暴雨期間水土流失情況也較為嚴(yán)重，水流含沙量仍較大，在雨后箱涵內(nèi)流速減小后會(huì)發(fā)生一定程度的淤積。而應(yīng)急廠控制閘下游新增淤積厚度僅為3 cm，可見利用大雨反復(fù)沖淤具有一定的效果。

2.物理模型驗(yàn)證

本次研究選擇觀瀾河截流箱涵淤積較為顯著的下游段（桂花路橋—箱涵末端出口）總長(zhǎng)約3.6 km開展物理模型試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證判斷沖淤效果。模型采用有機(jī)玻璃制作，平面比尺為1∶25（正態(tài)模型）。

（1）旱季沖淤工況

旱季工況重點(diǎn)研究“分段蓄水、突然開閘、接力沖淤”的分段沖淤策略可行性。合理控制觀瀾應(yīng)急廠控制閘、觀瀾調(diào)蓄池控制閘和白花河支流涵管進(jìn)水閘等3座水閘，利用水閘上游主涵或支流河道充分調(diào)蓄旱季混流水后，打開蓄水閘，利用水頭差沖刷下游涵內(nèi)淤積物，實(shí)施定期多次蓄水沖淤水動(dòng)力調(diào)控，將涵管內(nèi)淤積物沖刷至下游調(diào)蓄池。以應(yīng)急廠控制閘為例，觀瀾調(diào)蓄池控制閘保持關(guān)閉，關(guān)閉應(yīng)急廠控制閘蓄旱季混流污水接近涵頂時(shí)，打開該閘門實(shí)施水力沖淤，驗(yàn)證將控制閘上下游涵段至觀瀾調(diào)蓄池控制閘之間的淤積物沖刷至調(diào)蓄池內(nèi)的效果。主要結(jié)論如下：

①蓄水沖淤閘打開后，水閘上下游涵內(nèi)流速均較大，閘下游300 m范圍內(nèi)最大流速為2.8~3.2 m/s，閘下游流速略大于上游；隨著涵內(nèi)水量的逐步下泄，相應(yīng)流速和水位均呈現(xiàn)逐步減小趨勢(shì)，水閘上下游流速大于1.5 m/s歷時(shí)分別約18、43 min后上下游沿線涵內(nèi)流速基本趨于穩(wěn)定，流速減小為0.70~1.10 m/s。開閘沖淤過(guò)程中涵內(nèi)上游水位略大于下游水位，閘下游涵內(nèi)沿程水位呈現(xiàn)由迅速增大到緩慢降低的過(guò)程，閘下游段涵管水位由1.5~1.6 m逐漸減小至0.4~0.5 m。

②連續(xù)實(shí)施5次蓄水沖淤后，涵內(nèi)淤積物剩余量分別為初始條件的73.4%、59.0%、47.7%、31.5%和19.7%。淤積物中細(xì)顆粒首先被沖刷，主淤積體厚度逐漸減小，淤積物逐漸被推移和輸運(yùn)至下游箱涵和觀瀾調(diào)蓄池，沖淤效果較為明顯。

（2）大雨沖淤工況

雨季工況通過(guò)各個(gè)支流截流總口將強(qiáng)降雨期河道洪水引入箱涵實(shí)施大雨沖淤，擬通過(guò)模型試驗(yàn)研究驗(yàn)證“前后段控制、中段引導(dǎo)”的全線沖淤策略的可行性。當(dāng)降雨強(qiáng)度為大雨（大于16 mm/h），按“前放、中沖、后關(guān)”的分段控制調(diào)度模式，支流口上設(shè)置的橡膠壩在降雨前先放空，同時(shí)關(guān)閉總口截流取水閘，待各支流口河道水位超過(guò)箱涵頂后，再開啟各截流取水閘、涵末端控制閘，引河道洪水對(duì)箱涵進(jìn)行全線沖淤，當(dāng)河道內(nèi)水位開始回落，及時(shí)關(guān)閉各支流口進(jìn)水閘，防止箱涵內(nèi)產(chǎn)生新的泥沙淤積。

①采用主截流涵恒定流（設(shè)計(jì)流量）沖刷試驗(yàn)?zāi)M大雨沖淤工況，試驗(yàn)成果表明沿程主涵平均流速介于3.3~3.9 m/s。

②實(shí)施1次、連續(xù)3次大雨沖淤工況下，應(yīng)急廠控制閘上下游段涵內(nèi)淤積物剩余量分別為初始條件的85%和43.6%；觀瀾調(diào)蓄池控制閘下游段分別為73.7%和63.9%。涵內(nèi)淤積物沖刷過(guò)程基本同旱季分段沖淤工況，部分淤積物被沖刷至末端控制閘下游，在下游河道并形成淤積帶，大雨沖淤和減淤效果較為明顯。

3.防淤減淤對(duì)策

①增加必要的泥沙控導(dǎo)改造工程。源頭應(yīng)改造截流設(shè)施，各支流口增設(shè)沉沙池、攔沙坎，阻止泥沙流入截流箱涵；末端在各污水處理廠和長(zhǎng)截流系統(tǒng)連接取水口前增設(shè)沉沙設(shè)施，結(jié)合沉沙池建設(shè)拆除觀瀾污水處理廠疊梁堰，減少泥沙含量高對(duì)污水處理廠日常運(yùn)維的影響。

②規(guī)范截流系統(tǒng)設(shè)施的調(diào)度管理。各支流口截流閘壩、各污水處理廠和調(diào)蓄池取水閘、末端控制閘應(yīng)嚴(yán)格按管理規(guī)程進(jìn)行調(diào)度，各支流口應(yīng)做好降雨前期及洪水回落期截流口控制閘關(guān)閉、后期開閘引洪水沖淤的分期調(diào)度，長(zhǎng)截流箱涵沿線各壅水控制閘雨季應(yīng)及時(shí)開啟，為洪水沖淤創(chuàng)造順暢通道。

③合理劃分沖刷淤積段分類管控。建議將大布巷橋以上段劃分為沖刷區(qū)，大布巷橋—觀瀾應(yīng)急廠段、觀瀾應(yīng)急廠以下段分別劃分為輕度淤積區(qū)和中度淤積區(qū)，各支流總口截流設(shè)施前劃分為重度淤積區(qū)，下游2座調(diào)蓄池底定位為淤積安置區(qū)；調(diào)蓄池建設(shè)完成后，可取消應(yīng)急廠控制閘，大布巷橋—觀瀾應(yīng)急廠段可調(diào)整為沖刷區(qū)，觀瀾應(yīng)急廠以下段調(diào)整為輕度淤積區(qū)。沖刷區(qū)應(yīng)避免新增阻水設(shè)施，淤積區(qū)應(yīng)定期開展支流口、沿線控制閘的聯(lián)合調(diào)度，旱季通過(guò)“分段蓄水、突然開閘、接力沖淤”分段沖刷淤積物至調(diào)蓄池后進(jìn)行集中清淤；雨季通過(guò)“前后段控制、中段引導(dǎo)”的方式利用洪水集中清淤，將箱涵內(nèi)淤積物沖刷出河道。

④結(jié)合分區(qū)分類制定清淤對(duì)策。制定嚴(yán)格的定期和不定期相結(jié)合的淤積監(jiān)測(cè)及機(jī)械清淤制度，按沖刷區(qū)、淤積區(qū)（輕度、中度、重度）分類確定清淤頻次，減少清淤管理投入。清淤施工前后建議引入獨(dú)立的第三方咨詢機(jī)構(gòu)把控工程質(zhì)量，確保清淤管理效果。

⑤加強(qiáng)流域?qū)用娴膮f(xié)同管理。應(yīng)加強(qiáng)流域?qū)用娴膮f(xié)同管理，提升管控水平，確保從源頭上解決泥沙入箱涵問(wèn)題。