中小型河道清淤技術(shù)方案設(shè)計研究

李嘉陵

(廣東華迪工程管理有限公司，廣州 510000)

1 工程背景

某河道底層淤積屬于含水量較大的軟黏土，平均含水率61%，平均容重1.1 g/cm3，具有高壓縮性和低強度特性，常常以流塑形態(tài)存在。受自然和人為因素的影響，淤積物富含不同種類的營養(yǎng)元素，同時工業(yè)廢水排放使淤積物中的Ni、Cr、Cm、pb、Zn和Cd等重金屬含量明顯超標(biāo)，河道水質(zhì)污染問題日趨嚴(yán)重[1]。為提高河道水資源的質(zhì)量，恢復(fù)河道生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)，同時減少河道清淤帶來的污染源問題，有必要對河道的清淤技術(shù)展開專項研究。

2 河道清淤方案

目前，常用的清淤方法包括排干清淤、水下清淤以及環(huán)保清淤3種方式。排干清淤具有施工流程簡單、能處理大型、復(fù)雜垃圾等優(yōu)勢，但需要將河道水抽干，增加了臨時圍堰的工程費用；水下清淤一般分為抓斗式清淤、泵吸式清淤、普通絞吸式清淤、斗輪式清淤等，此種方式需要借助水上施工平臺將淤泥從河道底部抽出，并堆放至指定位置，工作受環(huán)境的影響，施工效率一般；環(huán)保清淤是利用環(huán)保絞吸式清淤對河道水質(zhì)進行優(yōu)化，同時控制清淤時對水體環(huán)境的擾動，可以防止污染淤泥二次擴散的能力，能夠處理大面積的受污染淤泥，具有對周邊環(huán)境影響小、定位精度高等特點，但是淤泥棄場會占用大量土地資源，機械設(shè)備噪聲也會給周邊居民帶來一定干擾[2-6]。

為充分發(fā)揮河道底層淤積物的經(jīng)濟社會價值，在河道清淤和水質(zhì)凈化基礎(chǔ)上，可考慮將淤積物應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。河道清淤+農(nóng)田利用的技術(shù)方案不僅可以實現(xiàn)河道水質(zhì)凈化，提升河道防洪、蓄水能力，同時還可以將淤積物中的絮狀物當(dāng)作肥料用于農(nóng)田灌溉，從而實現(xiàn)人、水、社會的和諧發(fā)展[7]。因此，有必要形成一套成熟的河道清淤和農(nóng)田利用系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括兩個部分：第一部分是清淤系統(tǒng)，包括河底吸污口和出污池等結(jié)構(gòu)組成，出污池布置在河道兩岸邊坡上，主要作用是將河道底層污染污泥抽出并儲存在出污池；第二部分是農(nóng)田利用系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括進水池、小型電灌站、出水池、輸水渠道等多個結(jié)構(gòu)，主要作用是將出污池污泥通過凈化和分離，將水重新排入河道或者用于其它用水，分類清理出來的絮狀物可作為肥料進行農(nóng)田灌溉。河道清淤和農(nóng)田利用系統(tǒng)工作原理見圖1。

圖1 河道清淤和農(nóng)田利用系統(tǒng)工作原理示意

3 清淤方案優(yōu)化設(shè)計

3.1 模型建立

選取該河道長200 m的直線段作為研究對象，河道進出口寬度為20 m，河底寬度為10 m，河道深度為5 m(平均水深3.5 m+平均淤積深度1.5 m)，河道平均比降為1/4 500，河道的平均流速為0.5 m/s，河道固體壁面粗糙度指數(shù)取值為0.022，河道邊坡的平均指數(shù)取值為1.0。利用ANSYS軟件構(gòu)建河道清淤系統(tǒng)模型，模型網(wǎng)格采用四面體劃分，沿河道長寬方向取網(wǎng)絡(luò)模塊，沿深度方向?qū)⑺鲃澐譃?0層。為提高模擬精度，對河體排污口附近采取部分網(wǎng)格加密處理，將模型劃分為約760萬個網(wǎng)格數(shù)量，見圖2。

圖2 河道清淤系統(tǒng)模型網(wǎng)格劃分

3.2 方案設(shè)計

為了達到最佳的清淤效果，對河道清淤系統(tǒng)的吸污口布設(shè)進行方案設(shè)計，對吸污口個數(shù)、吸污口口徑與河底寬度的比值兩種參數(shù)對河道吸污口附近水流流態(tài)的影響進行對比分析。方案1-方案4保持吸污口口徑與河底寬度的比值(0.9)不變，吸污口個數(shù)分別設(shè)置為4個、3個、2個和1個；方案5-方案6保持吸污口個數(shù)不變，吸污口口徑與河底寬度的比值分別為0.7和0.5。河底吸污口幾何參數(shù)和布置形式的具體布設(shè)方案見表1。

表1 河底吸污口具體布設(shè)方案

3.3 河道不沖流速

要想達到對河底淤泥的清除效果，必須使河水流速大于等于河道的不沖流速，因此引入河道的不沖流速：

V不沖=kQ0.1

(1)

式中：k為河道的不沖流速系數(shù)，取值情況見表2，在本河道工程中，河底淤積物容重為1.1 g/cm3，屬于輕黏壤土，因此k值取0.57；Q為河道的設(shè)計流量值，本文Q=(20+10)×3.5÷2×0.5=26.25 m3/s。

表2 不同土壤性質(zhì)k取值

通過計算，可得本河道的不沖流速為0.79 m/s。因此，要想達到河道底部的清淤效果，必須使流速大于等于0.79 m/s。

3.4 模擬結(jié)果分析

3.4.1 吸污口數(shù)量對流速的影響

當(dāng)吸污口口徑/河底寬度=0.9時，不同吸污口數(shù)量下入口前河道底部的平均流速見表3。從表3中可知，方案1有4個吸污口，由于河道上部水流被吸入上游的吸污口，同時水力損失的存在，使得下游吸污口的流速依次降低，即1#流速>2#流速>3#流速>4#流速，各吸污口底部流速高速區(qū)的覆蓋面也在逐漸減小，吸污口對流速影響半徑從上游到下游依次遞減，最大底部沖刷流速為1#吸污口的0.51 m/s，不滿足流速大于等于0.79 m/s的沖刷流速要求；方案2布設(shè)3個吸污口，1#、2#、3#吸污口的底部平均流速分別為0.69、0.61和0.55 m/s，均不滿足大于等于不沖刷流速的要求；方案3布設(shè)2個吸污口，1#、2#吸污口的底部平均流速分別為0.71和0.63 m/s，也不滿足大于等于不沖刷流速的要求；方案4僅布設(shè)1個吸污口，底部平均流速達到0.83 m/s，滿足大于等于不沖刷流速的基本要求。從分析結(jié)果來講，底部吸污口平均流速隨著吸污口數(shù)量的減少而逐漸增大，因此當(dāng)河道長度一定時，吸污口的數(shù)量并不是越多越好，吸污口的數(shù)量應(yīng)滿足底部平均流速大于等于不沖刷流速的基本要求。

表3 不同吸污口數(shù)量布設(shè)方案下底部流速特征

3.4.2 吸污口口徑與河底寬度比值對流速的影響

當(dāng)吸污口數(shù)量為1時，不同吸污口口徑與河底寬度比值下的水力特征參數(shù)見表4。從表4中可知，隨著吸污口口徑的逐漸減小，河道底部的沖刷平均流速、流速分布均勻度以及斷面過水量均呈逐漸增大的變化特征，方案4、方案5、方案6的底部平均沖刷流速分別為0.83、0.86和0.91 m/s，均滿足大于等于不沖刷流速的相關(guān)要求；當(dāng)吸污口口徑減小后，吸污口的斷面過水量逐漸增大，表明適當(dāng)減小吸污口口徑，可以提高清淤效率，但是過水?dāng)嗝孢€不是影響清淤效果的最主要指標(biāo)。對于清除河道底部絮狀沉積物的目的來講，需要增大水平方向的流速，同時減小垂直深度方向的水流流速，此時流速分布均勻度顯得格外重要。從不同深度的流速分布均勻度可以看到，方案6的流速分布均勻度最高，表明在此方案下的水流流態(tài)最好，可以達到最佳的清淤效果。

通過上述模擬計算分析，綜合對比水流流速、流速斷面均勻度以及斷面過水量3個指標(biāo)認(rèn)為，當(dāng)吸污口口徑/河底寬度=0.5、吸污口數(shù)量為1個時，河道清淤系統(tǒng)的工作性能最優(yōu)。

4 結(jié) 語

采用理論分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，對中小型河道的清淤技術(shù)方案進行了優(yōu)化分析。結(jié)論如下：

1) 當(dāng)吸污口口徑/河底寬度一定時，隨著吸污口數(shù)量的增加，吸污口底部沖刷平均流速、吸污口對流速影響半徑以及底部流速高速區(qū)的覆蓋面均呈逐漸減小的變化特征；當(dāng)吸污口數(shù)量為1時，底部平均流速達到0.83 m/s，滿足大于等于不沖刷流速的基本要求。

2) 當(dāng)吸污口數(shù)量為1時，隨著吸污口口徑的逐漸減小，河道底部的沖刷平均流速、流速分布均勻度以及斷面過水量均呈逐漸增大；當(dāng)吸污口口徑/河底寬度=0.5、吸污口數(shù)量為1個時，河道清淤系統(tǒng)的工作性能最優(yōu)。