平原河網排澇閘工程設計方案比選

徐 劍，郭憲艷，徐進剛

(浙江省錢塘江管理局勘測設計院，浙江 杭州 310016)

平原河網地區，地勢平坦，河蕩湖塘眾多，河流密布，平原河網的防洪排澇壓力較大，完善區域的排澇體系，提高區域與防洪排澇水平，對當地的社會穩定、經濟發展有著重要的意義。為使整個河網聯合排澇的整體效益達到最優，平原河網排澇閘設計時，需考慮地形、地質、施工條件、排澇能力、水文、運管、投資等因素[1- 2]。紹興市上虞區虞北平原崧北河綜合整治工程是虞北平原“四橫三縱”中的一條縱向排水骨干河道，對排澇要求和排澇標準有著更高的要求，通過崧北河綜合治理工程的建設，可滿足當地城市化快速發展和產業發展規劃的需要，對完善錢塘江上虞區防洪潮能力，增加可利用土地、確?？沙掷m發展以及保護重要基礎設施等方便都具有重要意義。

1 工程概況

該工程位于錢塘江南岸，屬于中下游強潮河口區，潮位變化很大。工程擋潮排澇的核心是閘門和啟閉機[3- 4]。本工程所在區域的水流和泥沙條件復雜，設計需要合理選擇排水閘閘址，盡量將水閘軸線與江堤垂直布置。在設計階段，為給平原河網水閘工程設計提供充足依據，有必要對閘址、規模、消能措施物模驗證、啟閉機型式、防滲措施等進行多方案比選[5]，以保證排澇閘設計的安全性、先進性、經濟性綜合最優。重點是復核水閘排澇規模，選擇合理的啟閉機型式，優化閘下消能設施布置。

2 自然條件

本工程地址位于紹興上虞區，屬錢塘江中下游南岸，區域地貌屬錢塘江三角洲相堆積，第四系松散沉積物從上到下分別為錢塘江相新近沖淤物，全新世河海相沉積和晚更新世海陸相沉積及中更新世陸相沉積。地下水主要為淺部粉土粉砂層的孔隙性潛水，以HCO3.Cl—Na.Ca為主要成分，對水下鋼筋混凝土結構具有弱侵蝕性。區域大地構造屬于揚子準地臺錢江臺裙帶，余杭-嘉興臺陷的東南部。區域工程地質第①-0層塘身填土，為新近修堤堆筑；第①-1層沖填土，局部為塘身填土，為新近沖積土；第②-1層粉質粘土夾粉土；第②-2層粉土夾粉砂；第③-1層淤泥質粉質粘土；第③-2層粉質粘土夾粉砂；第③-3a層為粉質粘土；第④-1層為粉質粘土，可考慮作為水閘樁基持力層[7]。本段地層對地下混凝土結構及鋼筋具有微腐蝕性。

3 水閘設計方案比選

3.1 閘址選擇

本工程同時具有排水和擋潮功能。根據擬建三號閘與堤防之間的不同連接方式，選擇并比較水閘位置。

方案1：布置在堤內。擬新建水閘布置于堤內側，閘與堤軸線距離約110m，為此，閘兩側堤線內凹，單側堤長增加182m。主體工程在現有1級堤防內施工，為確保大堤安全，待主體工程完工驗收并達到設計防洪(潮)標準后，再進行本工程水閘施工。

方案2：布置在堤上。擬新建水閘軸線在平面上與堤軸線重合，堤頂交通道路與閘室交通道路基本呈直線貫通。外江側新建兩個空箱式盤頭與現狀堤防相接，作為水閘外江側翼墻，。

閘址比較在其他布置結構型式不變下，對水閘總體布置變化作經濟技術比較見表1。

表1 堤內布置與堤上布置的經濟技術比較表

經綜合比較，雖然方案2在樞紐布置方面具有交通順直、美觀，且不占用護塘河，不影響現有水系的優勢；但方案1水流流態更加順直、閘下沖刷深度更小；非汛期臨時圍堰的施工難度小；相應度汛風險??；且工程投資較低，經濟優勢明顯；運行管理較為方便。因此，推薦方案1，新建水閘閘址在堤內布置。

3.2 規模比選

平原產水量計算根據設計暴雨和不同下墊面情況下得出，平原總面積480km2，其水域面積61km2，水田面積284km2，城建區面積130km2，山區丘陵面積5km2。設計20年一遇暴雨下總產水量約為1.44億m3。本次擬定新建排澇閘比較方案見表2。

表2 新建排澇閘規模比較方案

經過計算各方案，河道各代表點20年一遇的水位見表3，各水閘20年一遇總排水量的統計表見表4。

由表3和表4可知，在推薦河道規模下，增加水閘口門規模可一定程度上降低平原河網最高水位，并增加總排水量。

表3 百崧河-崧北河規模[6]比較表(P=5%) 單位：m

表4 各方案排澇閘排水量統計 單位：萬m3

方案2比方案1增加一孔，新建閘門規模為4孔×6m增加到5孔×6m，平原河網各代表站水位下降0.01～0.04m，平原河網總排水量增加到185萬m3；方案3比方案2增加一孔，新建閘門規模為6孔×6m，平原河網各代表站水位下降0.00～0.03m，平原河網總排水量在設計工況下增加約100萬m3；方案4優于方案3，新建閘門規模為7孔×6m，平原河網代表站水位下降0.00～0.02M，平原總排水量只增加7萬m3；新水閘增加了出口閘門的寬度，增加了平原的總排水量，但也會減少其他周圍出口閘門的排水效益。

綜合分析平原河網上游河段高水位變化及平原總排水量，新建水閘規模選擇總凈寬36m(6孔×6m)，閘門底板頂高程-0.5m方案，即推薦方案3。

3.3 物模比選

模型上游取閘上300m，閘下至錢塘江堤線以外250m附近，閘下河道與錢塘江匯合口橫向寬度約400m。局部動床范圍為閘下板樁末端至錢塘江合口外側，沖刷坑基本呈矩形布置，模型尺寸約為3.0m×9.0m，合原型約120m×360m。模型布置如圖1所示。

圖1 模型整體示意圖

模型上方區域設置為壓力邊界(P)；上游為水位邊界(H)，并設置一定的初始水位；下游為壓力出口并設置相應的水位(P)；底面及兩岸由于受到閘底板、河道底高程及岸坡等地形限制，也采用了對稱邊界(S)，或采用壁面邊界，表示無通量且無剪切；壁面采用無滑移邊界。

根據排澇流量和系數，試驗測定了新建閘六孔全開閘下自由出流時的的排澇能力，成果見表5。

表5 自由出流情況下三號閘閘室排澇能力的模擬

閘下排澇能力在特征工況水位作用下，計算相應結果見表6。從表中可以看出，在內河正常水位為2.80m的自由出流條件下，過閘流量為343m3/s；在起排水位為3.10m的自由出流條件下，閘門流量為412m3/s；在3.47m(P=5%設計水位)自由出流條件下，閘門流量為476m3/s，比設計流量400m3/s多19%，因此，三號閘的規模對應的排水能力能夠滿足要求。

表6 特征水位閘室排澇能力

3.4 啟閉機機型比選

水閘啟閉機常規有螺桿式、卷揚式和液壓式啟閉機3種型式[8]，各自的優缺點如下：

(1)螺旋提升機：具有結構簡單、適用范圍廣、維護簡單的特點，但存在傳動效率低、運行速度慢的缺點。

(2)卷揚啟閉機：具有結構簡單、運行穩定、啟閉速度快的優點，雙吊點卷揚機采用機械軸同步，可靠度高，是最普遍的啟閉機應用類型。卷揚式啟閉機的日常維護也相對簡單，管理人員能在短時間內掌握操作和操作維護技能。

(3)液壓啟閉機：優點是技術先進，液壓操作的啟閉速度是可調的，設備外形美觀(外觀無油脂)、布置緊湊等優點；但是液壓系統具有各種功能的閥組，運行圍護保養要求較高的專業技術，運行操作相對比較復雜。

綜上所述，從本工程的運行要求、結構特點和維護保養等方面考慮，水閘的工作閘門的啟閉設備推薦采用卷揚機型式。

3.5 閘下防滲墻結構方案比選

根據工程場地的自然條件，排水閘室的基礎是粉土層，采用C30灌注樁φ800作為閘室的基礎。為了滿足水閘地基的滲流穩定[9]，在閘室下方和兩側的空箱岸壁設置上下游、左、右封閉防滲墻。閘室上下游鋪蓋和防滲墻未在閘下增加防滲輪廓。防滲墻擬采用的結構方案如下：

方案1鋼板樁防滲墻：在閘室的上下游兩側的防滲墻采用鋼板樁，鋼板樁埋入與地基土中，具有良好的耐腐蝕性；根據JTS 153—3—2007《海港工程鋼結構防腐技術規范》[10]，取耐腐蝕值，每年兩側腐蝕速速度為0.05mm。當50年的使用年限后，兩側總腐蝕量約5mm，腐蝕厚度在鋼板樁的設計中加以考慮。

方案2高壓噴射防滲墻：利用灌漿機的灌漿管提前鉆至預定深度，設備噴射高壓水和高壓氣體切割土層。當噴射的動水壓力超過土體強度時，土體將逐漸脫落，一些土壤小顆粒將從地面冒出來。在沖擊力和離心力的共同作用下，其他土顆粒將與泥漿混合、凝固，成型后就是連續的防滲墻。由于造價等原因，未考慮其他防滲方案如地下混凝土地下連續墻等。

兩個方案的綜合比較后，推薦設計方案1，見表7。

表7 防滲墻方案綜合比較表

4 結語

上虞區虞北平原崧北河綜合整治工程實施后，三號閘參與將虞北平原澇水排入錢塘江，將有效提高虞北平原的排澇能力，結合閘址、規模、消能措施物模驗證、啟閉機型式、防滲措施等方面進行多維度比選方案的分析，主要結論如下：

(1)平原河網排澇閘規模論證需結合周邊水系運行調度，不但要確保單閘設計的安全性、先進性，在有效提高虞北平原的排澇能力時，還要考慮河網聯合排澇的整體效益，。

(2)粉砂土地基的水閘滲流設計極其重要，閘下采用鋼板樁圍封防滲效果較為可靠。