天津生態城臨海新城1#和2#水閘方案比選

蔡 俠，孟凡強，王 程

（1.天津市水務規劃勘測設計有限公司，天津 300204；2.天津生態城泰達海洋技術開發有限公司，天津 300480）

1 工程概況

中新天津生態城臨海新城1#、2#水閘位于天津市濱海新區臨海新城南圍堤，是臨海新城水系連通二期工程的一部分。1#水閘位于臨海新城南圍堤中間位置，距離南圍堤起點約3.2 km；2#水閘距離南圍堤起點約5.4 km，距離1#水閘約2.2 km。

臨海新城南圍堤為天津市防潮體系的一部分，防潮標準為200 a一遇，1#、2#水閘位于南圍堤，因此其防潮標準均為200 a一遇，工程級別均為1級。1#水閘最大過閘流量551.12 m3/s，2#水閘最大過閘流量770.40 m3/s。1#、2#水閘均為臨海新城水系統的進水閘，保證臨海新城區域內外水系連通，滿足水系換水需要。在風暴潮極端天氣條件下，關閉水閘，與臨海新城防潮堤工程共同構成該區域防潮御災體系，抵御外海風暴潮對島體陸地和水系統的襲擊，確保城市防潮安全。在平常天氣下，1#、2#水閘與3#～6#水閘共同實現“南進北出”水體交換。當遇到大暴雨時，為保證臨海新城的排澇安全，需要提前開閘騰空水系以承接降水。

1#、2#水閘位于新開挖 1#、2#河道與規劃南邊界交匯處。迎海側起點為現狀圍堤臨海側坡腳，終點為新開挖1#、2#河道，水閘兩側與南圍堤順接。主體工程主要包括進口拋石護砌段、進口漸變段、堤前檢修閘段、穿堤段、堤后閘室段、堤后檢修閘段、出口護底段及出口連接段，順水流方向全長均為173 m。

2 閘址選擇

南圍堤 1#、2#水閘北側均連接臨海新城 1#、2#河道，因此水閘在南圍堤沿東西方向的位置已確定，閘址比選主要比選水閘距離規劃海堤的位置。本文比較了2 個方案，方案1 沿規劃海堤建設，方案2 為在方案1的基礎上向內河側（背海側）平移25 m。根據水閘規范，水面較寬的水閘，如果不是正向進水，可設置一定長度的導水堤[1]。1#、2#水閘的主要功能為進水閘，閘址向內河側平移，臨海側閘前擋墻可起到一定的導水效果。由于閘址向內河側平移，因此方案2風浪相對小，有利于水閘冬季防冰，并且可以降低施工圍堰的長度。該方案是比較經濟的。方案1 雖然布置較平順，但臨海較近風浪大，且圍堰長度較長，增加了工程造價。因此，推薦方案2，閘址與規劃海堤相比向內河側（背海側）平移25 m。

3 結構型式選擇

閘室結構有開敞式、涵洞式等。開敞式水閘閘室頂部沒有填土，是露天的；涵洞式水閘閘室有洞身段，洞頂有填土覆蓋，當有交通要求時，可在填土頂部設置交通路[2]。

開敞式閘室泄流特點是閘門全開時過閘水流具有自由水面，一般閘檻高程較高、擋水高度較小的水閘多采用這種型式。當閘門全部打開時，閘室過水斷面面積和泄流量都隨著水位的抬高而增大，這對需要泄洪、分洪的水閘是一個很大的優點。但本工程水閘主要功能為進水、擋潮，擋水高度大，因此不宜采用開敞式水閘。

涵洞式閘室泄流特點是閘門全開時過閘水流只能通過固定孔洞下泄，一般閘檻高程較低、擋水高度較大的水閘常采用這種閘室結構型式[1]。本工程為擋潮閘，擋水時迎海側水位變化很大，大潮來時閉閘擋水，正常潮位時適時開閘引水，即擋水水位高于進水運用水位，采用涵洞式閘室既不影響水閘的過水能力，又可以減小閘門高度和啟門力[1]，降低啟閉機房的高度。另外，涵洞式布置可利用海堤通行，不需另外設置交通橋，并且涵洞式布置有利于水閘的滲流穩定。本工程所在南側海堤不能同步建設，采用涵洞式布置能更好地適應分期建設。因此，本工程推薦采用涵洞式布置。

本工程采用雙層閘室，開啟上層閘門可引入含沙量相對較小的上層水體，開啟下層閘門可利用底層泄流沖走閘前淤積的泥沙。同時，本工程建筑在沿海淤泥上，雙層式閘室可以加強閘室垂直水流向的橫向剛度，以減小地基的不均勻沉降和閘室的結構變形。

綜上所述，推薦選用涵洞式雙層式閘室結構。

4 閘孔數量選擇

根據《中新天津生態城臨海新城水系連通工程方案研究報告》（南京水利科學研究院2018 年12 月），結合過流計算，確定1#換水閘閘室總凈寬為55 m，閘底板高程為-2.0 m；2#換水閘閘室總凈寬為55 m，閘底板高程為-3.5 m。

根據水閘規范，閘孔數少于8 孔時宜采用單孔布置，結合本工程55 m 過流凈寬要求，對5 孔和10孔水閘2種布置方案進行比較。

4.1 5孔水閘布置方案

5 孔（每孔分上下2 層）水閘閘室垂直水流方向分為3聯，2個邊聯（2×2孔），1個中聯（1×2孔），閘墩厚1.3 m（縫墩厚1.1 m）。閘室每孔凈寬11 m，過流總凈寬55 m。閘室中聯總寬度13.2 m，邊聯總寬度25.7 m，閘室總寬度64.6 m。

4.2 10孔水閘布置方案

10孔（每孔分上下2層）水閘布置方案即按原閘孔設計凈寬設計，閘室垂直水流方向分為4 聯，2 個中聯（2×2孔），2個邊聯（2×3孔），閘墩厚1.0 m（縫墩厚0.8 m）。閘室每孔凈寬5.5 m，過流總凈寬55 m。閘室中聯總寬度13.6 m，邊聯總寬度20.3 m，閘室總寬度67.8 m。

4.3 閘孔比較

5 孔水閘布置方案與10 孔水閘布置方案的進、排水條件等基本相同。5孔方案閘門寬扁不利于啟閉，并且底板較厚，工程量大。10 孔方案由于閘門小，可減小啟閉機容量和金屬結構工程量，并且有利于結構穩定。因此，推薦10 孔水閘布置方案。2 種方案具體情況，詳見表1。

表1 2種方案具體情況比較（以1#閘為例）

5 堤后、堤前方案比較

根據水閘與防潮堤的相對位置，本次設計對堤后、堤前2種布置方案進行了比選。

5.1 方案1：堤后方案（推薦方案）

在臨海側新筑防潮堤，堤頂高程7.30 m，防浪墻頂高程8.00 m，閘室及廠區設置于防潮堤后，閘頂高程6.30 m，閘后地面高程4.50 m。

該方案水閘主體順水流方向長度約59 m。堤后方案，如圖1所示。

圖1 方案1：堤后方案（推薦方案）

5.2 方案2：堤前方案

在臨海側修建閘室及防浪墻，閘頂高程7.30 m，防浪墻頂高程8.00 m，防潮堤設置于閘室后，堤頂高程7.30 m，堤后地面高程4.50 m。該方案水閘主體順水流方向長度約54 m。堤前方案，如圖2所示。

圖2 方案2：堤前方案

5.3 方案比選

2個方案優缺點分析，詳見表2。

表2 各方案優缺點比較

2 個布置方案工程量和工程投資相當，綜合考慮區域整體規劃、水閘運行、施工組織等因素，推薦方案1，即堤后方案。

6 地基處理方案比較

水閘基礎處理方案應綜合考慮工程地質與水文地質條件、閘室結構類型、荷載特征、施工方案、圍堰布置等因素，進行合理選擇[3]。水閘地基處理的方法很多，主要用于以下3個方面：增加地基的承載能力，保證建筑物的穩定；消除或減少地基的有害沉降；防止地基滲透變形[4]。

6.1 水泥攪拌樁

水泥攪拌樁為復合地基，對軟土進行就地加固，增加軟土地基的承載能力、減小沉降量，工程投資較低。復合地基能解決原狀土的地基承載力不足的問題，但是不能解決水閘抗滑移穩定性系數不滿足規范要求的問題。而且，復合地基作為一種地基處理方法，能提高一部分土體的壓縮模量，但是其沉降及不均勻沉降還比較大。對于水閘這種對變形比較敏感的構筑物來說，如果沉降及不均勻沉降比較大會影響后期的使用。

6.2 管樁方案

管樁在工業與民用建筑、市政、水利、公路、橋梁、碼頭等工程中應用廣泛。管樁樁身強度較高，可穿越各類軟土、填土、可塑狀黏性土、粉土、松散或稍密的砂土，進入硬塑或堅硬狀黏性土、密實的砂土、碎石土、強風化巖層及中風化極軟巖層一定深度。除預應力高強混凝土管樁（PHC 管樁）、預應力混凝土管樁（PC 管樁）等樁型外，近年來又出現了混合配筋管樁（PRC 管樁）。管樁施工速度快，每延米造價較灌注樁便宜，但是根據《預應力混凝土管樁技術標準》（JGJT406-2017），并結合近年管樁施工經驗，PRC 管樁單節樁長在15 m 以內，并且接樁工藝復雜，接樁過程中由于施工誤差極易造成管樁樁身強度削弱，在豎向力作用下發生彎曲或者受壓破壞。

6.3 預制方樁

預制混凝土方樁為剛性樁基礎，能較大提高地基承載力、減少沉降量、提高建筑物抗滑穩定性，施工速度快、方便，抗剪能力優于管樁。其缺點和預應力混凝土管樁類似，當滿足承載要求所需樁長較長時需要接樁，樁身強度易削弱，可靠性降低。

6.4 鉆孔灌注樁

鉆孔灌注樁為剛性樁基礎，能較大提高地基承載力、減少沉降量、提高建筑物抗滑穩定性，并且施工質量易于保證，地基穩定安全度大，是較可靠的地基處理方案。并且灌注樁能承受較大的水平荷載，缺點是投資較高，施工速度較預制樁慢。

按樁的受力情況，可分為摩擦型樁和端承型樁。根據水閘工程的特點，在以水壓力為主的水平荷載作用下，閘室底板與地基土之間應緊密接觸，以避免形成滲流通道。因此，為了保證閘基的防滲安全，土質地基上的水閘樁基一般采用摩擦型樁[5]。

6.5 方案比較

本工程工程等別高，工程區位于永定新河河口，地質條件差，建筑物建基面土層承載力較低，結合建筑物的受力特點，樁身承受水平力較大，因此本工程應選用較可靠的鉆孔灌注樁進行基礎處理。并在樁頂1 m 范圍內換填水泥土，提高樁側土水平抗力系數的比例系數。

7 結論

根據以上方案比選，水閘采用涵洞式雙層式閘室結構、10 孔布置方案。閘室段位于堤后，采用鉆孔灌注樁的地基處理方案。

水利水電工程中水閘的設計是非常重要的，在設計時，應從閘址選擇、總體布置、閘室結構、孔數選擇以及基礎處理型式選擇等方面綜合考慮，結合工程需要以及片區整體整治的需要，選擇合適的方案，以便水閘能更好地滿足防洪、擋潮、排澇、擋水等多種功能的要求。