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1、黄河挖河清淤输浚综述（黄河水利科学研究院，河南郑州，450003）摘要：关键词：前言清淤输峻技术在生产实践中国内外有着广泛的应用。在国外，挖河疏浚多被用于航道治理，并且取得了不少的研究成果，技术也相对成熟。如早在20世纪60年代，国外主要河口拦门沙航道疏浚就已经取得了一定成功，吸扬式、耙吸式和绞吸式等类型的挖泥船均有广泛的应用。各国学者先后也开展了系统的研究，较有影响的如美国的欧文（Owen，M.W）、法国的里奥（Mignion，C），均取得了不少的研究成果。Scheuerlein，H.曾在阿尔卑斯山某水库采用水流冲沙的方法清除水库淤积的泥沙，取得了一定效果。但这些多属于在含沙量较低的河流或河
2、口区域，或者有可大幅度降低相对侵蚀基准面的库区，疏浚范围较小，且多限于航道和库区治理。对于在类似黄河水沙特性的河流上疏浚拖淤的研究和应用则未见有报道。在国内，采用拖淤疏浚河道已有几千年的历史，相传自大禹治水开始，即一直把疏浚作为一项重要措施而广为采用。黄河使用水力机械拖淤的记载始见于北宋神宗熙宁六年（公元1073年），王安石设置浚河司前后，明清时期曾屡经使用，有代表性的拖淤成功的事例有：宋神宗熙宁六年（1073年），李公义认识到利用水力，经过搅荡，可以加大输沙能力，创造了铁龙爪扬泥车拖淤之法，这是利用水力机械拖淤的开始。明嘉靖十四年（1535年）总河刘天和博采群议，创平底舟长柄铁耙拖淤法，清乾
3、隆八年（1743年），总河白钟山在塔决石林漫口旧河中，调用船一百九十只，“常川浚扒，收到明效”。清乾隆三十六年（1771年），河臣高晋在清黄汇口一带，以木龙挑水，收束口门节和在汇口以下利用铁扫帚乘船分段拖淤“使河底积淤松动，河道日见通深”。清乾隆四十五年（1781年），河臣李奉翰、国太杨一魁等在张家油房漫口旧河中，于正河水浅处带上混江龙、铁扫帚上下往来，逐日浚扒，收到“通流深畅，未见淤阻”的效果。清嘉庆十年（1806年），徐端“趁黄河落水一尺，清水出口有力，乃多累大船，用铁扫帚、扬泥车彻夜乘势疏导，使浅处渐深至二尺以上，江境邦船陆续通行”。清嘉庆十五年（1810年），松筠利用自制的混江龙，于清
4、口一淤浅河段疏浚得力。“由仅有的一尺多深，浚深到三、四尺以上，中泓宽达七八丈，愈浚愈深”。清道光十三年（1833年），河臣张井在海防厅属之童营汛的七湖工，下河汛之单家港、周门等处，“因河道分歧，滩而辽阔，河道平衍，遂调齐各厅拉沙船，苇荡浚、柳各船及被剥漕粮船只，配备以翻泥车、铁扫帚等器具，自上年九月至下年正月，于工放拥河之前，逐日上下拉涝，据各该员汇报，各拉深数尺，已有一定中泓水势，实比照上年志桩水深尺寸和现在河势情形，确切丈量比较，有所加深”。在1886年，已改道30多年的黄河山东河段，淤积极为严重，连年漫口，时任山东巡抚的张曜利用平头圆船结合挖沟切滩的措施疏浚河道，在惠民、滨州、利津等河段
5、近岸平滩，逐段挑挖，在浅水淤泥滩地不能立足之处，用平头圆船以铁铣淘挖，这种疏挖河道的方法，在短时间内对归顺河流起到了一定效果。鉴于当时的社会经济条件和技术水平，人们没有也不可能对黄河拖淤疏浚进行系统深入的研究，但从长期的拖淤实践中得出一个基本的结论，即拖淤对于解决河道局部浅滩河段的淤积是有功效的。新中国成立之后，黄河的拖淤输峻始于二十世纪七十年代，河道清淤主要靠拖淤和自制简易吸泥船进行。前者利用船后安装的拖具翻起泥沙，利用天然水流将翻起的泥沙带走；后者则利用高速射流冲击河床，制造高含沙浑水，由水泵将其抽出，排往沉沙区。“八五”期间，黄河口为了输通清水沟流路，开展了从1988年到1992年历史5
6、年的输浚试验工程。进入二十世纪九十年代，国家对江河治理日益重视，作为治理的重要措施之一，河道清淤倍受关注。例如，提出了在大江大河中清淤的“百船计划”，大力发展挖泥船清淤。“黄河中下游水资源开发利用及河道减淤清淤关键技术研究”项目也被列入“九五”国家重点科技攻关计划。“九五”期间黄委对挖河清淤输浚进行了较为深入的试验研究，在之后的治黄工作中清淤输浚技术得到不断完善和应用推广。1.黄河口输峻为了疏通清水沟流路，黄河口从1988年到1992年，开展了历史5年的输浚试验工程。 为确保试验工程的顺利进行，组建了由东营市、胜利油田和黄河河口管理局负责人参加的输浚试验工程领导小组，并设置了施工指挥部。198
7、8年4月14日，黄河口管理局完成了首期输浚试验工程设计和实施措施，报经黄河山东局审定，并经黄委会同意后，正式拉开了输浚试验工程的序幕。黄河口输浚试验工程中采取的措施有：截支堵汊，强化主干；束水导流，定向入海；清障拖淤，输浚河门；巧用潮汐，以潮输沙；护滩保槽，稳定河势等。该试验工程除采用机械开挖引河外，每年都组织进行群船拖淤，利用船刺、耙拖、射流冲沙、推进器搅动等方法在清七断面以下河段往返拖淤达5000余台班。同时用定向爆破、机械开挖等方法削掉红泥嘴1250m、鸡心滩3处，面积3.4km2。黄河口输浚试验工程采用的拖淤机具开始时比较简易，之后逐步改进。首先采用了船只推进器冲淤的方法，即利用船只行
8、进推进器推动水流的反作用力，冲起河底泥沙，借水流挟至深海。试验船采取随冲随进的方式。试验表明，船只推进器对于打通河道中的局部地区有十分明显的功效，但由于推进器的安装角度时按行船考虑，基本是水平向后的，所以其下冲的能量是有限的，冲刷深度只能在推进器以下0.5m左右，推进器冲淤加速了推进器的磨损。因此，此种拖淤方法只能小范围使用，不可大面积推广。第二代拖淤机具为传统的耙具，例如混江龙、铁扫 和铁龙爪等。这些耙具在历次河道拖淤中曾发挥了很大的作用。1988年汛后，利用该耙具在河口进行了拖淤试验期间，由于尾闾河道及拦门沙上的淤积物已形成铁板沙，在顺水拖淤时，耙具过后，只能把拦门沙上划上几道痕迹，经取样
9、试验，拖淤前后含沙量变化不明显；而逆水拖淤时一旦着底，如同下锚，船根本拖不动。实践证明，传统的耙具在河口拖淤中作用不大。以传统的耙具为基础，在每只耙齿中间安设一只喷水嘴，设计出一种新型喷水拖淤耙。该机具的特点是在船上安装柴油机带动水泵提供高压水，使拖淤耙具有松动泥沙、冲深液化和扬起泥沙的功能。经过试验发现，该拖淤耙的悬挂装置，供水管道及提升装置比较复杂，耙具距船尾推进器仅8.2m，推进器的反作用力使拖在船后的耙具很不稳定，处于时沉时浮的状态，如耙具上浮对拖淤不起作用，而一旦着底，船就拖不动，再加上动力及管路设计方面的问题，使喷水拖淤耙具仍满足不了河口拖淤的需要。为了克服耙具拖不动的缺点，进行了
10、第四代高压水枪射流试验。该装置是在拖船两侧各布置5台17kw电动高压水泵，以柴油发电机组作为动力，每台泵供2只口径25mm水枪由人工操作伸向河底，水枪的出口流速17m/s，射程20m。该装置的出水压力大，冲沙效果好，又不增加拖船行进的负担；其缺点是水枪不固定，人工操作困难，占用劳动力多。为此，曾进行过改进，在船后安装了喷水枪架，并在喷枪架上设置了悬挂升降装置，便于提升，经试验该装置虽然克服了水枪不固定、人工操作困难的缺点，但也暴露了新的问题，如能量损耗问题，水泵出力不足问题，使水枪压力达不到设计要求，起不到射流冲沙的作用。通过吸取以上各种耙具试验的经验，研制了第五代新型射流冲沙船，在该船上安装
11、了新型射流冲沙装置，由高压水泵提供水流，再由干管输送至各组水枪，在拖船两侧和船头各布置了口径为30mm的水枪10只，船尾布置水枪8只，每组水枪都在设悬挂提升装置，设计每只水枪的出水流量为0.008m3/s，出口流速为11.3m/s，工作宽度为5.0m。黄河口通过5年的输浚整治，拖淤输浚取得了一定的效果，河口地区防洪压力有所减轻。同时，拖淤机具在河口输浚试验中得到不断改进，也积累了一定的拖淤输浚经验。2.黄河潼关清淤 (1) 清淤的缘由潼关位于黄河三门峡大坝上游113.5km处，渭河、北洛河在其上游附近汇入黄河，潼关河床是渭河及黄河小北干流的局部侵蚀基准面，直接影响潼关以上黄、渭、洛河的河道冲淤
12、变化, 特别对渭河下游的防洪影响极大，因此潼关高程引起水利界的广泛关注。历史上潼关高程（1000m3/s流量相应水位）是微升的；三门峡水库建成运用初期，由于水库蓄水高，加之上游来沙量大，库区淤积严重，潼关高程大幅度抬升，由1960年汛后的323.4m上升到1969年汛后的328.65m。随着水库运用方式的调整和两次改建的投入运用，潼关以下库区发生大量冲刷，到1973年汛后潼关高程下降到326.64m。自1973年水库采用蓄清排浑运用以来，至1985年汛后，潼关高程基本保持相对稳定。1986年以后，由于上游来水特别是汛期来水大幅度减少，潼关高程出现了快速上升的局面，为改变潼关高程不断升高的局面，
13、于1996年开始在潼关河段进行了射流清淤试验。(2) 清淤概况潼关河段射流清淤工程从1996年开始，到2003年已开展了8年，8年来清淤规模不断扩大，内容不断增加，管理不断完善，研究也在不断深入。射流清淤的基本原理是利用射流船上喷嘴喷出的高速水流将河底泥沙冲起，借助大河水流增大输沙量，改善河床边界条件，提高河道的水流输沙能力。从而达到减少潼关河段淤积，抑制潼关高程抬升的目的。清淤遵守的基本原则是“因势利导，疏通流路，理顺河势，集中水流，调整局部比降，提高水流挟沙能力”。1996年开始清淤试验时，主要清淤设备只有2条自制的简易射流船，到1999年共设计制造了4条不同型号的专业射流船，2002年以
14、后达到9条专业射流船。1996至1999年，每年只在汛期清淤，从2000年开始，增加桃汛清淤，适宜清淤作业的大河水沙条件为流量2503500m3/s,含沙量小于150kg/m3。清淤河段基本选在主要影响潼关高程升降的潼关至古夺21km的河段内，实际操作过程中，根据河势变化随时调整重点作业河段（见表2-1）。清淤船操作指标：喷嘴提升高度（即离河床高度）为0.30.7m, 喷嘴与床面夹角为6090度，作业航速：0#船为0.21.5km/h，其余的8条船为0.53.0km/h；清淤作业以逆流順冲和順流順冲为主，前后船距一般保持200300m。表2-1 历年清淤基本情况一览表2345年份清淤时间清淤河
15、段清淤设备19965.209.20黄淤41382条射流船，3条扰流船19975.209.20黄淤3741同上19986.110.15黄淤4037同上19998.19.30黄淤37+3394条专业射流船，1条扰流船，2000桃汛：3.234.15汛期：6.2310.15黄淤37+541黄淤37+439+44条专业射流船，2001桃汛：3.154.15汛期：7.2810.20黄淤37+439+4黄淤36+139+46条专业射流船2002桃汛：3.104.20汛期：6.2410.1537+139+436+239+79条专业射流船2003桃汛：3.154. 15汛期：9.410.10394139+24
16、19条专业射流船在河道中开展射流清淤，由于河段太长，不可能将射流装置固定在某一位置连续工作，一般是将射流系统安装在船上，在船的行进中射流冲沙，依靠河道水流将泥沙输往下游。这种方法曾于二十世纪九十年代初期在黄河河口清淤中使用过。为减缓潼关高程的上升速度，1996年开始在潼关河段开展清淤试验。根据潼关河段的具体情况，从一开始就采用了射流清淤这一新兴方法。实施清淤的同时，在室内和现场进行了一系列的试验研究，对射流冲刷能力等多方面问题进行了比较系统的探讨。这项试验已进行了五年，是目前国内规模最大、设备最专业化、试验资料最全的清淤试验项目之一。从多年的清淤效果分析，射流清淤对理顺河势，改变河床形态，调整
17、局部比降，增大水流流速，提高水流挟沙能力，改善潼关高程有明显的作用。黄河三门峡库区潼关河段的清淤还在2003年汛期对渭河口进行了清淤输浚，从而调整了渭河口的出口流路，减轻了渭河下游的防洪压力。3黄河下游挖沙淤背“九五”期间黄河下游窄河段开展了挖河固堤启动工程，挖河的方式主要包括水挖和旱挖两种，水挖方式的施工工具主要为挖泥船和泥浆泵，旱挖方式的施工工具主要有挖掘机、自卸汽车及推土机等。黄河下游挖河固启动工程挖泥船主要采用湖南益阳和中华船厂制造的200m3/h型的绞吸式挖泥船进行输浚。并结合黄河输浚河段的施工条件，对挖泥船进行了必要的优化改进。施工辅助船舶：拖轮主要选用了武昌船厂制造的150型拖船
18、，主机功率150马力，吃水深度0.9m；锚艇主要选用安徽水利机械输浚工程处船厂生产的160型锚艇，主机功率160马力，吃水深度0.7m；油驳主要选用无锡红旗船厂制造的100t油驳，吃水深度1.0m；生活船选用32铺位生活船，总功率20马力，吃水0.7m；交通艇选用黄委会三门峡库区水文水资源局造船厂生产的75马力快艇，该艇型长8m，宽2m，吃水深度不超过0.5m，最大航速达30-40km/h，可乘坐10余人。泵挖机械主要包括冲沙水枪、泥浆泵、接力设备和动力设备。1997年11月23日至1998年6月2日，在黄河尾闾段完成了挖河固堤启动工程建设。开挖河段在朱家屋子（上距利津水文站35km）至6断面
19、（下距河口60多km）之间，长度10.89km。开挖断面底宽200m，平均挖深2.5m，边坡1：3，挖沙量532万m3;为了增加减淤效果，在6断面以下至清2断面12.6km的河段内还进行了疏通，疏通断面底宽20m，挖沙16万m3。通过挖河疏通了河槽，降低了同流量下的水位，改善了河道形态，在持续淤积的河段，同样水沙条件下、一定的时段和一定的河段内，挖河具有一定的减淤作用。挖河固堤启动工程的建设，将从河道中挖出的550万泥沙，淤到堤防背河一侧，使10km长的薄弱堤段培厚100m宽，淤筑高度与设防水位平，大大提高了堤防的抗洪能力。4.小浪底库区及下游河道扰沙输峻（2004年第三次调水调沙期间）4.1
20、库区扰沙情况2004年黄河调水调沙试验小浪底库区开展人工扰沙，库区扰动泥沙总共投入船舶设备8艘、人员101人。其中设备有：扰动船4艘，扰动船只是租用民船临时组装。测量、后勤保障4艘。扰动船主要参数如表5-2：表5-2 2004年小浪底库区扰沙船主要参数船 号1号2号3号4号备注功率450kw249kw249kw249kw射流量2100m3/h1500 m3/h1500m3/h550m3/h喷头口经45mm35mm35mm16mm喷头数量21242420喷头间距30cm30cm30cm30cm适应水深1-10m1-10m1-10m1-10m射流速度21m/s24m/s24m/s24m/s本次调水
21、调沙试验期间，扰沙作业河段在HH34HH40断面间进行,作业河段长12.39km。小浪底扰动泥沙施工方法采用射流清淤方式（与潼关河段清淤方法相同）。射流清淤的机理是：利用射流将河床上的泥沙冲起，使其扬动悬浮，借助自然水流把冲起的泥沙带往下游。射流清淤的实现方法是在船体上安装高压水泵，抽取河水，通过输水管将高压水流射向河床。施工中从船队配合上分单船作业和多船作业，对每个船来说又分逆流作业、顺流作业。单船作业时采用逆流作业、顺流作业两种形式。逆流作业时，作业船逆流前进；顺流作业时，作业船顺流行驶。作业航速0.3km/h 4km/h，根据河道条件和水流条件灵活掌握。多船作业方法在组合形式上主要有两种
22、方式：一种是纵向接力，这种方式是要把泥沙搬运较远的距离；另一种组合是顺序往返，这种方式主要是对某一河段进行疏深或维护其畅顺。纵向接力方式又可分成单排接力和多排接力。单排接力是每条船都在同一航线上作业，而多排接力是一组船在不同航线上接力作业（这时作业不仅使河道疏深，还使断面扩宽）。综合安全和泥沙输移两个方面，船舶纵向间距保持在200600m左右。4.2下游泥沙扰动情况4.2.1扰动设备及其布置（1）河南河段扰沙试验的设备河南河段扰沙作业平台共计11个，包括80吨自动驳2艘，安装三门峡库区拆卸的水文局射流设备，每个设备配20个高压喷头；200吨双体自动驳1艘，浮桥双体压力舟5条，每艘布置LGS25
23、0-35-1两相流潜水渣浆泵4台；120型挖泥船2艘；民船1艘，配射流枪12个。（2）山东河段扰沙试验的设备山东河段扰沙作业平台共计15个，包括2艘自航驳船舟，其中1艘为双体船，安装三门峡射流设备,水泵出水量1200 m3/h，12个喷头；1艘为单体自行驳船，安装6台小机泵组，每台小机泵组出水量100 m3/h，8个喷头。2艘移动承压舟，其中1艘安装三门峡枢纽局射流设备，1艘安装185马力柴油机带动10EPN-30大机泵，配18个喷管18个喷头，出水量1200 m3/h。11艘浮桥浮体组合式工作平台，安装高压射流设备，每艘安装2台90KW发电机做供电电源，6台小机泵组，每台小机泵组出水能力10
24、0m3/h，一个喷管8个喷头。4.2.2扰沙船只布置布置原则为：为了分析各类设备的扰沙效果以及扰动泥沙的输移特点，同时避免局部河段的淤积。一是扰动设备相对集中于平滩流量较小的重点河段；二是同类设备相对集中布置；三是以浅滩段的中段和下段两种布置方式；四是以利于泥沙的输移，同时防止泥沙在下一河段的淤积。为了达到加深主槽、改善局部河段河道形态，提高水流输沙能力和河道行洪条件并兼有补沙作用增加水流挟沙的目的，确定扰沙河段为史楼至于庄20km和梁集至雷口长10km的两个河段。根据船舶数量和生产能力，重点扰动段落分5段，其中河南局3段，山东局2段。第一段位于郭集工程至吴老家工程之间，自吴老家工程以上200
25、m开始，向上扰动2000m，布置3个工作平台。第二段位于吴老家工程至苏阁险工之间，自苏阁险工以上500m开始，向上扰动2500m，布置5个工作平台。第三段位于苏阁险工至杨楼工程之间，自杨楼工程以上200m开始，向上扰动2500m，布置3个工作平台。第四段位于影唐险工至大田楼断面之间，自影唐险工以下500m开始，向下扰动2500m，布置6个工作平台。第五段位于大田楼断面至国那里险工之间，自国那里险工以上200m开始，向上扰动2500m，布置9个工作平台。根据各河段流场分布情况，较小的船只或相对固定的设备基本在流速小于1.5m/s的区域，即在水边50m左右的边流区；其它较大设备基本布置在水深2m左
26、右区域（2m以下水深占到主槽宽度的25左右，约100120m），尽量靠近主流区，离开固定扰沙设备100m左右。4.2.3扰沙时间根据高村前置站和艾山反馈站水沙过程，通过实时加沙系统计算，当需要加沙时，才启动扰沙系统进行扰动加沙。本次扰动共分两个阶段：第一阶段为6月22日12时至6月30日8时，计188小时；第二阶段为7月7日7时至7月13日6时，计143小时。两个阶段总计331小时。4.2.4扰沙效果（1）库区扰动效果：通过库尾扰动，疏松或冲起河床泥沙，改善库区横断面和纵向形态，增大流速，有利于异重流的形成和潜入。（2）下游扰沙效果：黄河下游两个卡口河段通过人工扰动，改善了河槽的断面形态，断面
27、向窄深方向发展；平滩流量增大440550 m3/s，扩大了现有河道过流能力，使过流面积、平滩流量最小的“瓶颈”河段河道边界条件得到了进一步改善；扰沙给水流补充了一部分泥沙，利用调水调沙水流的输沙潜力，可多输沙入海，特别是将扰动河床上的粗沙带入大海，可进一步提高河道的输沙能力。5.黄河下游河道裁弯输峻受河势演变的影响，黄河下游经常出现“”或“”形河湾，影响行洪或河道整治工程的安全。2005年10月黄河下游开封王庵河段就出现了类似的畸形河湾，王庵控导工程出现较大险情，威胁者开封县黄河滩区内群众的生命财产安全。为了控制王庵控导工程险情，黄河防总办公室认真研究制定了“就地抢护，控制塌滩，对岸切滩，导溜
28、王庵”的抢护方案。这次切滩导流人工裁弯工程在黄河下游尚属首例。通过引河设计与开挖，采用挖掘机开挖，局部爆破，高压射流船及扰沙船输浚等措施。引河开挖采用口径20cm泥浆泵和潜吸式扰沙船施工，进出口两端分别预留的15m封口采用先爆破进口、后爆破出口（间隔15min）的方法予以破除，以实现引河的贯通。在进行合理的引河设计、准确开挖的基础上,充分利用已有的人工扰沙设备和力量,依据引河演变情况,及时地在进口上游滩嘴进行快速人工扰沙切滩,改善引河分流条件,从而实现了黄河下游切滩导流的首次成功. 另外，由于小北干流河势变化，主要脱离放淤闸，摆向对岸。为了主要进入放淤闸前， 2007年初，黄委会在黄河小北干流
29、开展了放淤试验挖河疏浚工程，采用挖掘机和装载机对清涧湾流路进行调弯，该项目设计挖河总长度4625m，宽度60m左右，上段平均深度1m，下段平均深度1.4m，总开挖方量31.2万m3。截止2007年3月7日，小北干流放淤试验挖河疏浚工程已全部完工，对调整小北干流河势和为小北干流放淤试验引水引沙创造了有利条件。6.结语黄河上的挖河输浚技术从无到有，从最简单的清淤手段到逐步形成系统的清淤设备和技术。挖河清淤输浚技术和设备在黄河上逐步走向成熟，挖河输浚对该善河道淤积形态，理顺河势，减少河道淤积，加固防洪大堤，提供黄河下游的防洪能力等均起到一定的作用。但是，由于挖河输浚工程是一个系统工程，而黄河又是世界上含沙量最高的河流之一，其边界条件非常复杂，应进一步加强适合多变的水沙和边界条件的扰动设备的研制，进一步研究扰动技术及作业方案，以备今后更有效的开展泥沙扰动工作。14