青草沙水庫建設中的技術難題研究

盧永金,顧金山,顧玉亮,劉新成,李 銳

(1.上海市水利工程設計研究院,上海 200061;2.上海青草沙投資建設發展有限公司,上海 201206)

青草沙水庫建設中的技術難題研究

盧永金1,顧金山2,顧玉亮2,劉新成1,李 銳1

(1.上海市水利工程設計研究院,上海 200061;2.上海青草沙投資建設發展有限公司,上海 201206)

青草沙水庫是建設在潮汐河口江心的大型蓄淡避咸水庫,以水力充填法構筑堤壩,具有地形沖淤多變、缺少石料和水上施工等特點。運用數值模擬、物理模型試驗和現場試驗等手段,提出多因素、多尺度、多層次的系統綜合技術路線,研究了青草沙水庫的河勢灘勢變化、咸潮入侵規律、水力充填深水堤壩的結構及滲流特性、特大龍口布置與截流工藝等關鍵技術難題,有關解決方案在水庫建設與安全運行管理中得到應用。

水力充填堤壩;龍口;堤壩防滲;防沖保灘;長江口;蓄淡避咸水庫;青草沙水庫

1 工程概況與主要技術難題

長江口河段長約180km,呈三級分汊、四口入海的扇形分汊河勢格局,共有北支、北港、北槽和南槽4個入海通道。青草沙水庫位于長江口南支下段南、北港分流口水域,由長興島西側和北側的中央沙、青草沙以及北小泓、東北小泓等水域組成。

青草沙水庫總面積66.15 km2,設計總庫容5.24億m3,有效庫容4.35億m3,供水規模719萬m3/d。水庫由中央沙庫區和青草沙庫區組成,環庫大堤包括南堤、西堤、北堤、東堤及長興島海塘,總長48.5 km,其中青草沙庫區新建北堤、東堤22 km,加高加固老堤26.5 km。

水庫設有兩個取、排水口,分別位于北堤上、下端。上端取水口含有設計流量為200 m3/s的泵站和凈寬為70m的水閘;下端設凈寬為20 m的水閘。輸水系統進水口采用輸水閘井形式,輸水閘凈寬24m。

本工程是國內外迄今為止建在潮汐河口江心最大的蓄淡避咸水庫,在建設條件、堤壩結構、施工和運行管理等方面有其自身的特點和技術難點,主要表現在以下幾個方面:

a.水文與河勢特征。青草沙水庫地處長江口江心,南、北港分流口暗沙眾多,河床泥沙可動性較強,受徑流、潮流以及風浪作用,流態復雜,互動因素較多,水動力條件、咸潮入侵規律和河勢演變等十分復雜。因此,需在廣泛調研和收集資料的基礎上,采用多種手段分析預測河勢灘勢變化和咸潮入侵規律,結合長江口綜合整治、水庫蓄淡避咸功能及建設運行管理等方面的需求,制定出科學合理的選線選址、水庫水位、取水調度、工程規模和防沖護灘方案。

b.施工順序與防沖保灘。新建堤總長達22km,建在河口江心漲潮溝外側的沙脊上,并穿越多道深槽泓溝。由于漲潮溝是特有水動力作用下的一種不穩定平衡狀態,潮流場、波浪或泥沙條件的改變,極易引起帶狀沙脊沖刷,而且一旦沖刷啟動,沖刷的速度往往很快,一兩個潮汐周期可能引起大片沙脊消失。施工筑堤的阻水擾流也極易引起沙洲沖刷和河勢調整。因此,需研究合理的施工順序,選擇合適的大堤施工作業面和進占速度控制要求,以及適宜的防沖保灘結構,維護沙洲或沙脊穩定,避免施工過程中和完工后圍堤沿線灘地沖刷和河勢急變。

c.深水筑堤結構與工藝。新建東堤灘面高程約為-10.5～-5.0 m,橫穿漲潮溝深槽,全長約3.0 km,屬于深水筑堤。工程所在區域水深、浪大、流急、地基軟弱、施工作業面窄,而且缺乏石料,沒有陸上推進筑堤的條件。為此,需針對建設條件探索研究合適的堤身結構形式和建造工藝。

d.滲流特性與防滲。新建大堤22 km,需承受水庫內外7.0～8.0 m的雙向水頭作用。新堤采用水力充填管袋斜坡堤結構,堤身兩側及水下部分主要由土工織物管袋充填砂土堆疊而成,堤身中上部由砂性土散吹形成,其滲透規律不同于一般土壩。因趕潮施工,質量控制較難,加上地基土多為砂性土或者粉性土,極易發生滲透破壞。在潮汐河口以水力充填法建設水庫堤壩的類似工程經驗不多,其滲透特性、滲流計算、滲透穩定控制標準以及可大規模施工的可靠滲控措施,都是需要攻關研究的課題。

e.龍口設置與截流工藝。青草沙水庫在截流期設計納潮量約3.0億m3/d,設計截流流速高達9 m/s左右。與大江大河徑流式水庫合龍相區別,本工程龍口受潮汐半日潮往復流作用,合龍時機有周期性,適宜的連續作業天數6～8 d,且宜在歲末年初小潮汛期施工;工程區缺乏石料和陸上拋石作業條件;軟土地基易沖難護,且一旦發生沖刷極難控制。因此,龍口的選址、規模、護底結構及截流方式是本工程設計核心內容之一,是整個水庫工程建設的最大關注點。

2 研究內容和技術路線

針對上述5類技術難點和需求,開展了長江口青草沙水域水文水動力及咸潮與河勢特性、潮汐河口水庫堤壩與護灘工程、潮汐河口水庫水力充填堤壩滲流控制、潮汐水流作用下特大龍口的設置及保護與截流等關鍵技術專題研究(表1)。

各專題的研究內容涉及的因素復雜,并且常具有不確定性。為此,整個研究有針對性地采用了現場測驗、歷史資料對比與統計、多尺度多重嵌套和多維水流數值模擬、多尺度正態或變態水動力物理模型試驗、土固耦合三維有限元模擬、現場試驗工程等多種手段和方法,理論分析與數值模擬、物模試驗相結合,或層層深入,或相互驗證,系統研究,綜合分析。各專題研究內容、方法及其技術路線分別見圖1～4。

表1 青草沙水庫建設關鍵技術專題

3 研究成果

在河勢分析、龍口高速水流、河勢演變機理、龍口護底、大堤防滲等方面的研究取得了突破,主要體現在以下幾個方面:

a.揭示了長江口工程區復雜的“水沙鹽”特征規律和建庫的基本條件,即該區域水質優良,大多時間達Ⅱ類水質,除冬春季有間隙性咸潮入侵外,常年淡水資源豐富,按97％的水量保證率、以1978年冬至1979年春為典型年進行計算,水庫取水口水域水體含氯度高于250mg/L,不可取水的最大連續天數為68 d;工程區沙洲移動、河勢演變和河床沖刷游蕩規律復雜,但總體上南、北港分流口頭部以20余年為周期,“上提下退”來回演變,演變范圍20 km左右,抓住河勢格局相對平順穩定的時機,及時在南、北港分流口水域沙洲外圍沙脊上順勢布置堤線,可以建設大型水庫并有利于穩定河勢和促進長江口的綜合整治。

b.揭示了典型的咸潮入侵過程,并制定了合理的水庫調度運行規則,據此以水庫建設和運行成本低、水質保持為目標,系統地優化確定了水庫特征水位和配套的取、輸水泵閘規模[1-3],水閘自流取水常水位2.0～4.0m,死水位-1.5m,泵站蓄水最高水位7.0 m。實現了水庫水閘自流、泵站機動的最大化節能和水質保持的取水模式,非咸潮期水閘自流取水,庫中水量可滿足應對庫外突發事件至少12 d不可取水,以及為保持水質控制水體庫中停留天數不超過20 d的要求;咸潮來臨前可30 d用泵站蓄水至6.2 m高程,并維持運行,并可根據咸潮7d短期預報提升至7.0 m。

圖1 水文水動力及咸潮與河勢特性研究的技術路線

圖2 堤壩與護灘工程關鍵技術研究的技術路線

c.改進了適應于深水流急條件的水力充填砂堤壩結構,揭示了長距離高強度江心筑堤的河床和沙洲沖刷特征,據此提出了“全線多點作業,先護底后筑堤,先高灘出水,后溝槽截流,最后集中力量封堵龍口”的整體控制和施工順序[4],并明確了各工段、各工序的進度和尺度控制要求,其中超前鋪排長度由通常的1500 km以上縮短到200 m左右,大幅提高了筑堤進度;總結提出挑流、緩流、覆蓋等保灘結構機理,優化改進鉸鏈排、拋石、丁順壩和榪槎等護灘結構[5],從工程整體上創新性運用了連堤式、分離式和動態實施式組合防沖護灘方案,有效避免大型河口復雜分流口水域大范圍短歷時圈圍引起的急劇河勢調整。

d.揭示了龍口在高速往復潮流和波浪作用條件下框籠結構復雜的水動力特征;發明了潮汐淤泥河槽中800m特大龍口采用面質量為1300g/m2的超強土工織物砂肋軟體排上覆蓋混凝土鉸鏈排和網兜石3層組合護底結構,同時發明了單個體積約為1000m3大型鋼框籠拋石截流技術[6],創造了面積達49.8 km2大水域不分區、一個潮汐周期龍口上單向過水量達1.5億m3的特大型圈圍工程整體合龍的紀錄。

圖3 水力充填堤壩滲流控制關鍵技術研究的技術路線

圖4 特大龍口的設置及保護與截流關鍵技術研究的技術路線

e.系統地揭示了長江口新沉積土及水力充填堤壩的滲透特性和滲透破壞機理;發明了兩層(三軸攪拌樁)一夾(高壓旋噴樁)新型防滲墻結構(見圖5),三軸攪拌樁樁長約25 m,采用直徑850 mm、間距600 mm套打,水泥摻量20％,通過改進鉆進工藝和切割方法,解決了拋填砂袋中三軸攪拌樁難以成形的問題,從而攻克水力充填砂袋堤身夾有2 m厚拋石層、雙向擋水最大水頭差6.55 m的截滲難題。這些成果的成功運用,在土工模袋堆砌體及水下拋填袋裝砂體的防滲理論及措施研究方面均有所突破。

圖5 龍口段堤身結構與截滲墻布置(單位:m)

4 結 語

長江河口河床演變、水動力條件和工程地質條件等極其復雜,氣象、水文、主要建筑材料和施工作業條件等對工程建設限制頗多,可借鑒的經驗和資料較少。圍繞著江心建庫的實踐需求開展了潮汐河口水庫選址選線與保灘、潮汐水流作用下特大龍口的設置及保護與截流合龍、潮汐河口水庫水力充填堤壩滲流控制等課題研究,通過大量的數值模擬計算、定床和動床物理模型試驗、龍口整體物理模型、波浪水池物理模型實驗、堤基土滲流特性試驗、類似工程原位滲透特性對比試驗、截滲方案現場試驗工程等,取得了深水筑堤、防沖保灘、特大型龍口設置和防護及截流合龍等創新成果,保障了水庫工程的順利施工和安全節能運行。

[1]劉小梅,王曉鵬,關許為.青草沙避咸蓄淡水庫庫容與特征水位研究[J].水利水電技術,2009,40(7):5-8.(LIU Xiaomei,WANG Xiaopeng,GUAN Xuwei.Study on storage capacity and characteristic water level for Qingcaosha Reservoir[J].WaterResourcesandHydropower Engineering,2009,40(7):5-8.(in Chinese))

[2]李茂學,劉小梅,付新永.青草沙水庫取水泵閘規模論證[J].給水排水,2009,35(2):50-54.(LI Maoxue,LIU Xiaomei,FU Xinyong.Discussion on intake bump station and sluice scale of Qincaosha Reservoir[J].Water and WastewaterEngineering,2009,35(2):50-54.(in Chinese))

[3]樂勤,關許為,劉小梅.青草沙水庫取水口選址與取水方式研究[J].給水排水,2009,35(2):46-50.(LE Qin, GUAN Xuwei,LIU Xiaomei.Research on intake site selection and run mode of Qincaosha Reservoir[J].Water and Wastewater Engineering,2009,35(2):46-50.(in Chinese))

[4]盧永金,宋少紅,劉新成.圈圍特大漲潮溝的實施順序與龍口選址[J].水利水運工程學報,2010(1):95-100. (LU Yongjin,SONG Shaohong,LIU Xincheng.Construction procedure and closure gap site selection for dike closing project in large flood channel[J].Hydro Science and Engineering,2010(1):95-100.(in Chinese))

[5]舒葉華,李銳,盧永金.榪槎在潮汐河口護灘工程中的應用[J].水利水電科技進展,2009,29(5):61-65.(SHU Yehua,LI Rui,LU Yongjin.Application of abatis in beach protection engineering of tidal estuary[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2009,29(5): 61-65.(in Chinese))

[6]盧永金,佟宏偉,李銳.潮汐河口上超大龍口保護與截流工藝及結構研究與實踐[J].水利水電技術,2009,40 (11):88-93.(LU Yongjin,TONG Hongwei,LI Rui.Study and practice of technologies for protection and closure of extra large closure gap of tidal estuary[J].Water Resources and Hydropower Engineering,2009,40(11):88-92.(in Chinese))

Study on technical problems of reservoir and dam construction for the Qingcaosha Reservoir

//LU Yongjin1,GU Jinshan2,GU Yuliang2,LIU Xincheng1,LI Rui1(1.Shanghai Water Engineering Design and Research Institute,Shanghai 200061,China;2.Shanghai Qingcaosha Investment Construction and Development Co.Ltd.,Shanghai 201206,China)

Qingcaosha reservoir,located in the middle of tidal estuary,is a large reservoir for storing fresh water and holding back saltwater.It has hydraulic fill dams,and is characterized by the changeable tidal flat,lack of building stones, and over-water construction.Based on the numerical simulations,physical models,and field tests,a multi-factor,multiscale,and multi-level comprehensive technological route was proposed to study the variation of river regime,saltwater intrusion laws,structures and seepage characteristics of the hydraulic fill deep water dam,and the layout and closure of the oversize closure gap.The results of this study were used successfully to guide the construction and safe operations of reservoirs.

hydraulic fill dam;closure gap;dam anti-seepage;erosion and beach protection;Yangtze River estuary; reservoir for storing fresh water and holding back salt water;Qingcaosha Reservoir

10.3880/j.issn.10067647.2013.03.010

TV62

A

10067647(2013)03004505

2012-08-07 編輯:周紅梅)

盧永金(1963—),男,江蘇高郵人,教授級高級工程師,博士,主要從事水利工程設計研究。E-mail:soft777@vip.sina.com