三峡水库坝前深水清淤疏浚技术研究_任实.pdf

第 40 卷 第 1 期2023 年 1 月长江科学院院报Journal of Changjiang iver Scientific esearch InstituteVol 40No 1Jan 2023收稿日期:2021 09 02;修回日期:2021 11 15基金项目:国家重点研发计划项目(2017YFC0405204);国家自然科学基金项目(U2040218);中国长江三峡集团员工科研项目(20220167)作者简介:任实(1989 )，男，湖北襄阳人，高级工程师，博士，主要从事水力学及河流动力学研究。E-mail:ren_shi16126 comdoi:10 11988/ckyyb 202109352023，40(1):24 28三峡水库坝前深水清淤疏浚技术研究任实，胡兴娥，邢龙，吕超楠，高宇(中国长江三峡集团有限公司，湖北 宜昌443100)摘要:水库泥沙淤积问题普遍存在于全球水库中，影响防洪、发电、航运、水资源利用等水库功能的正常发挥，尤其是坝前泥沙淤积，可能会堵塞电站进水口和泄流底孔，严重影响水库发电效益和泄洪安全。对于大型水库而言，坝前水深一般在 100 m 以上，高效安全地进行坝前深水清淤疏浚是有效控制水库泥沙淤积、保持水资源可持续利用的一种重要途径。研究了气动力式深水清淤技术，并在三峡水库坝前深水环境进行了清淤试验。研究结果表明气动力式清淤技术可在百米级的深水环境中安全高效运行，清淤成本可控。研究成果可为大型水库清淤疏浚提供技术参考。关键词:深水清淤;气动力式;水库淤积;清淤成本;三峡水库中图分类号:TV145文献标志码:A文章编号:1001 5485(2023)01 0024 05Aerodynamic Dredging Technology for Deep Water in frontof Three Gorges eservoirEN Shi，HU Xing-e，XING Long，L Chao-nan，GAO Yu(China Three Gorges Corporation，Yichang443100，China)Abstract:eservoir sedimentation is a worldwide problem which affects the normal functioning of flood control，power generation，shipping，and water resources utilization In particular，sediment deposition in front of dammay block the water intake of hydropower station and bottom outlet，severely affecting the power generation effi-ciency and flood discharge safety The water depth in front of the dam of large reservoirs is generally over 100 me-ters Efficient and safe dredging is an important approach to effectively control sediment deposition and maintainsustainable development of water resources In this paper，the aerodynamic deep-water dredging technology is stud-ied and applied to the Three Gorges eservoir Application result manifests that aerodynamic dredging technologycan be operated safely and efficiently in 100-meter deep water environment The research results can be taken as atechnical reference for the dredging of large reservoirsKey words:deep water dredging;aerodynamic;reservoir sedimentation;dredging cost;Three Gorges eservoir1研究背景水库蓄水运行后，库区水深和过水断面面积较天然河道有所增大，水流流速减小，挟沙水流进入库区后，由于水流挟沙力大幅下降，挟带的泥沙会在水库内淤积1 4。根据以往研究，全球水库每年泥沙淤积造成的库容损失率达 0 5%1 0%，而我国的年平均库容损失率更是达到 2 3%5 6。泥沙淤积问题涉及水库上下游河道安全，并会直接限制水库防洪抗旱、发电、航运、生态效益等综合效益的发挥7 8。水库淤积控制一直是水库长期有效安全运行的难点和热点问题，水库淤积控制措施包括拦减水库 来 沙，利 用 泄 洪、排 沙 设 施 排 沙，机 械 清淤等9 11。水库清淤主要运用技术手段对水库淤积的库第 1 期任实 等三峡水库坝前深水清淤疏浚技术研究容进行恢复，主要包括机械清淤和水力清淤两种方式。水库清淤技术不仅要安全高效，还需兼顾经济性和环保性，避免产生二次污染。传统的机械清淤主要适用于库区水深较小的中小型水库。随着大坝建造技术的提高和社会需求的提升，我国大型深水水库的数量也越来越多，清淤技术也需要不断地发展，才能满足高坝大库的深水清淤需求12 13。本文主要研究了大型水库坝前深水气动力式清淤技术，并通过三峡水库坝前深水试验对气动力式清淤技术的性能和效果进行了评估，研究结果可为大型水库清淤疏浚提供技术支撑。同时，随着社会经济的发展，工程建设对砂石料的需求大幅增加，水库清淤以及淤积沙的资源化利用可有效缓解砂石资源供需矛盾问题。大型水库深水清淤疏浚对于水库发挥综合效益、水库资源的可持续发展具有重要意义。2三峡水库坝前淤积情况三峡水库坝前河段为庙河至坝址(S40 1S30+1)，全长15 1 km。蓄水以来，20032018 年，坝前河段累积淤积泥沙1 747 亿 m3，其中:110 m 和90 m 高程以下淤积量分别占该段总淤积量的 82%和 75%，坝前河段深泓平均淤厚 37 3 m，最大淤厚66 8 m(S34 断面，距离大坝 5 6 km)。目前，左电厂进水口前沿河床平均高程约 80 m，右电厂进水口前沿河床平均高程约 86 m，右岸地下电站进水口前沿区域平均高程 104 7 m，如图 1 所示。图 1三峡水库坝前区域淤积变化情况Fig1Sedimentation distribution in front of thedam of Three Gorges eservoir地下电厂布置于右岸茅坪溪白岩尖山脊下，共 6 台机组，每台机组引流量 900 m3/s，进水口底板高程 113 0 m。每二台机组之间布设一条排沙洞(共 3 条排沙洞)，每洞引用流量 120 m3/s，进口底板高程为 102 0 m。目前，坝前泥沙淤积高程均低于电厂进水口的底板高程(左右电厂进水口底板高程 108 m，地下电站进水口底板高程 113 m)，且淤积物颗粒较细，对发电未造成影响。但是，地下电站前沿泥沙淤积高程为 104 8 m，超出排沙洞进口底板高程 2 5 m，泥沙淤积会影响排沙孔正常开启，继而影响水库发电。因此，迫切需要研究深水清淤疏浚技术，为水库综合效益全面发挥保驾护航。3气动力式清淤技术一般而言，库区水流挟沙能力弱、输沙量少的主要原因在于水流紊动能力弱，无法让淤积泥沙再次启动。因此，提高水流输沙能力的关键在于增加水流的紊动性。气动式深水清淤技术依据气力泵系统工作原理，采用高压空气作为动力，通过高压胶管连续不断地进入引流管底部，并向引流管内释放，把引流管内的水不断向外排出，造成引流管外的压力大于管内的压力，由于压差的作用，将引流管口外周围的泥、砂、砾石及其他物料源源不断引流进入管内，然后利用压缩空气的力量，把泥浆推出泵体，通过排泥管送往预定地点，同时结合淤积物处理利用技术实现块石与杂物的快速分离和淤泥、粗颗粒物料快速脱水。传统的清淤抓斗船、绞吸式挖泥船等清淤方式，将河底淤积物挖到拖船上，再运送到指定淤积物堆放点，这种清淤方式对中小型水库的清淤效果较好，无法适用于大型水库。气动式深水清淤技术保留了气力泵系统所具有的操作简单、无转动磨损部件、产出效率高、挖深范围大、作业无污染等特点，清淤作业深度可达到百米级，大大提高了作业水深。同时，可吸入的物料粒径较大，一般可达到吸口直径的90%左右，对于水下淤积物粒径不明的工况具有较好的适应性。气动式清淤技术主要装置包括水上工作平台(深水清淤工作船)、气浮式深水物料采集装置(深水清淤机)、物料输送管道(取砂管)、输送机(液压绞车链斗输送机、皮带输送机)、空气压缩机等，如图 2 所示。气浮式深水物料采集装置(深水清淤机)是气动式清淤机的核心技术所在，主要有导管、外套管、吸头、空分器、平衡管、平衡阀、进气接管、喷射原件、防护隔栅、引流管等组成。52长江科学院院报2023 年图 2气动式清淤装置示意图Fig2Schematic diagram of aerodynamic dredging device4三峡水库坝前深水清淤疏浚试验41试验区域气动力式清淤技术先后在锦屏二级水电站进水口、枕头坝一级水电站尾水河道、龙口水电站尾水渠、太 平 湾 水 电 站 等 清 淤 疏 浚 工 程 中 得 到 运用14 16，环境适应性强，具有效率高、清淤效果好、成本低等优点。然而上述清淤工程中，环境水深均不超过 50 m，针对百米级的深水，气动力式清淤技术还有待检验。考虑到清淤装置要在百米级水深环境下作业，检验其疏浚技术与疏浚能力。结合三峡库区水流条件和水面宽度情况，试验选定在三峡坝前区域进行，平面位置如图 3 所示，其中试验 ABCD区域所在河道断面淤积情况如图 4 所示。试验时，三峡水库已蓄水至正常蓄水位 175 m，坝前区域河床高程在 60 m，试验的环境水深达 115 m。根据断面地形数据，选择水深最大的区域进行清淤试验，试验范围为 200 m 200 m。图 3三峡水库坝前深水清淤疏浚试验地点Fig3Test sites of deep water dredging in frontof the dam of Three Gorges eservoir试验记录参数包括清淤前后的流速、水深等场地施工参数、淤积物的物料粒径、级配和杂物品类等性状、系统的生产能力及时间利用率等。本次试验图 4S32+1 断面淤积分布Fig4Sedimentation distribution of the S32+1 section主要测试气动力式清淤技术在百米级水深下的清淤性能，因此试验中未将淤积物送上岸处理，通过深水导流管将吸附上来的淤积物又传送到离试验位置较远的水域。试验主要装备包括:(1)水面作业平台。深浚一号尺寸为型长58 0 m 型宽 12 0 m 型深 2 5 m。(2)清淤系统。气动式深水疏浚装置包括钢制伸缩管 2 根，吸口管径 DN600 mm。(3)钢制排泥管。22 支 管径 DN600 mm 管长 6 000 mm。(4)动力系统。5 台 XAVS900CD 柴油型空气压缩机。(5)辅助船舶。新水 6 号(运输兼动力船)交通船 2 艘。试验过程中测量的参数包括平面位置、水下地形、泵体入水深度、水流流速、气体压力、噪声、渣料粒径、油料消耗等，主要测量仪器如表 1 所示，另需配备照相机、摄像机、水下电视等影像记录设备。表 1试验仪器及功用Table 1List of test instruments and functions序