網(wǎng)排澇閘工程設(shè)計(jì)方案淺析
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摘要:平原河網(wǎng)地區(qū)，水資源豐富，對(duì)排澇要求和排澇標(biāo)準(zhǔn)提出了更高的要求，而利用排澇閘排水是有效提高區(qū)域排澇能力、提升防(洪)潮保障水平的重要措施。文章以紹興上虞區(qū)虞北平原崧北河綜合整治工程為實(shí)例，針對(duì)工程中的新建排澇閘設(shè)計(jì)方案，展開(kāi)多維度的論證比選，包括排澇閘設(shè)計(jì)的閘址、規(guī)模、消能措施物模驗(yàn)證、啟閉機(jī)型式、防滲措施等方面，以期為河網(wǎng)地區(qū)的類似工程提供設(shè)計(jì)思路。
關(guān)鍵詞:平原河網(wǎng);排澇閘;設(shè)計(jì)方案;多維度;比選
平原河網(wǎng)地區(qū)，地勢(shì)平坦，河蕩湖塘眾多，河流密布，平原河網(wǎng)的防洪排澇壓力較大，完善區(qū)域的排澇體系，提高區(qū)域與防洪排澇水平，對(duì)當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要的意義。為使整個(gè)河網(wǎng)聯(lián)合排澇的整體效益達(dá)到最優(yōu)，平原河網(wǎng)排澇閘設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮地形、地質(zhì)、施工條件、排澇能力、水文、運(yùn)管、投資等因素［1-2］。紹興市上虞區(qū)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(duì)排澇要求和排澇標(biāo)準(zhǔn)有著更高的要求，通過(guò)崧北河綜合治理工程的建設(shè)，可滿足當(dāng)?shù)爻鞘谢焖侔l(fā)展和產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃的需要，對(duì)完善錢塘江上虞區(qū)防洪潮能力，增加可利用土地、確保可持續(xù)發(fā)展以及保護(hù)重要基礎(chǔ)設(shè)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(qiáng)潮河口區(qū)，潮位變化很大。工程擋潮排澇的核心是閘門和啟閉機(jī)［3-4］。本工程所在區(qū)域的水流和泥沙條件復(fù)雜，設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)階段，為給平原河網(wǎng)水閘工程設(shè)計(jì)提供充足依據(jù)，有必要對(duì)閘址、規(guī)模、消能措施物模驗(yàn)證、啟閉機(jī)型式、防滲措施等進(jìn)行多方案比選［5］，以保證排澇閘設(shè)計(jì)的安全性、先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性綜合最優(yōu)。重點(diǎn)是復(fù)核水閘排澇規(guī)模，選擇合理的啟閉機(jī)型式，優(yōu)化閘下消能設(shè)施布置。
2自然條件
本工程地址位于紹興上虞區(qū)，屬錢塘江中下游南岸，區(qū)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(duì)水下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有弱侵蝕性。區(qū)域大地構(gòu)造屬于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)錢江臺(tái)裙帶，余杭－嘉興臺(tái)陷的東南部。區(qū)域工程地質(zhì)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(zhì)粘土夾粉土;第②－2層粉土夾粉砂;第③－1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土;第③－2層粉質(zhì)粘土夾粉砂;第③－3a層為粉質(zhì)粘土;第④－1層為粉質(zhì)粘土，可考慮作為水閘樁基持力層［7］。本段地層對(duì)地下混凝土結(jié)構(gòu)及鋼筋具有微腐蝕性。
3水閘設(shè)計(jì)方案比選
3.1閘址選擇
本工程同時(shí)具有排水和擋潮功能。根據(jù)擬建三號(hào)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(nèi)。擬新建水閘布置于堤內(nèi)側(cè)，閘與堤軸線距離約110m，為此，閘兩側(cè)堤線內(nèi)凹，單側(cè)堤長(zhǎng)增加182m。主體工程在現(xiàn)有1級(jí)堤防內(nèi)施工，為確保大堤安全，待主體工程完工驗(yàn)收并達(dá)到設(shè)計(jì)防洪(潮)標(biāo)準(zhǔn)后，再進(jìn)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(cè)新建兩個(gè)空箱式盤頭與現(xiàn)狀堤防相接，作為水閘外江側(cè)翼墻，。閘址比較在其他布置結(jié)構(gòu)型式不變下，對(duì)水閘總體布置變化作經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較見(jiàn)表1。經(jīng)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(hù)塘河，不影響現(xiàn)有水系的優(yōu)勢(shì);但方案1水流流態(tài)更加順直、閘下沖刷深度更小;非汛期臨時(shí)圍堰的施工難度小;相應(yīng)度汛風(fēng)險(xiǎn)小;且工程投資較低，經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯;運(yùn)行管理較為方便。因此，推薦方案1，新建水閘閘址在堤內(nèi)布置。
3.2規(guī)模比選
平原產(chǎn)水量計(jì)算根據(jù)設(shè)計(jì)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(qū)面積130km2，山區(qū)丘陵面積5km2。設(shè)計(jì)20年一遇暴雨下總產(chǎn)水量約為1.44億m3。本次擬定新建排澇閘比較方案見(jiàn)表2。經(jīng)過(guò)計(jì)算各方案，河道各代表點(diǎn)20年一遇的水位見(jiàn)表3，各水閘20年一遇總排水量的統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表4。由表3和表4可知，在推薦河道規(guī)模下，增加水閘口門規(guī)?？梢欢ǔ潭壬辖档推皆泳W(wǎng)最高水位，并增加總排水量。方案2比方案1增加一孔，新建閘門規(guī)模為4孔×6m增加到5孔×6m，平原河網(wǎng)各代表站水位下降0.01～0.04m，平原河網(wǎng)總排水量增加到185萬(wàn)m3;方案3比方案2增加一孔，新建閘門規(guī)模為6孔×6m，平原河網(wǎng)各代表站水位下降0.00～0.03m，平原河網(wǎng)總排水量在設(shè)計(jì)工況下增加約100萬(wàn)m3;方案4優(yōu)于方案3，新建閘門規(guī)模為7孔×6m，平原河網(wǎng)代表站水位下降0.00～0.02M，平原總排水量只增加7萬(wàn)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(huì)減少其他周圍出口閘門的排水效益。綜合分析平原河網(wǎng)上游河段高水位變化及平原總排水量，新建水閘規(guī)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?qū)挾燃s400m。局部動(dòng)床范圍為閘下板樁末端至錢塘江合口外側(cè)，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。模型上方區(qū)域設(shè)置為壓力邊界(P);上游為水位邊界(H)，并設(shè)置一定的初始水位;下游為壓力出口并設(shè)置相應(yīng)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(duì)稱邊界(S)，或采用壁面邊界，表示無(wú)通量且無(wú)剪切;壁面采用無(wú)滑移邊界。根據(jù)排澇流量和系數(shù)，試驗(yàn)測(cè)定了新建閘六孔全開(kāi)閘下自由出流時(shí)的的排澇能力，成果見(jiàn)表5。閘下排澇能力在特征工況水位作用下，計(jì)算相應(yīng)結(jié)果見(jiàn)表6。從表中可以看出，在內(nèi)河正常水位為2.80m的自由出流條件下，過(guò)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(shè)計(jì)水位)自由出流條件下，閘門流量為476m3/s，比設(shè)計(jì)流量400m3/s多19%，因此，三號(hào)閘的規(guī)模對(duì)應(yīng)的排水能力能夠滿足要求。
3.4啟閉機(jī)機(jī)型比選
水閘啟閉機(jī)常規(guī)有螺桿式、卷?yè)P(yáng)式和液壓式啟閉機(jī)3種型式［8］，各自的優(yōu)缺點(diǎn)如下:(1)螺旋提升機(jī):具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適用范圍廣、維護(hù)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，但存在傳動(dòng)效率低、運(yùn)行速度慢的缺點(diǎn)。(2)卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī):具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、啟閉速度快的優(yōu)點(diǎn)，雙吊點(diǎn)卷?yè)P(yáng)機(jī)采用機(jī)械軸同步，可靠度高，是最普遍的啟閉機(jī)應(yīng)用類型。卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)的日常維護(hù)也相對(duì)簡(jiǎn)單，管理人員能在短時(shí)間內(nèi)掌握操作和操作維護(hù)技能。(3)液壓?jiǎn)㈤]機(jī):優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)先進(jìn)，液壓操作的啟閉速度是可調(diào)的，設(shè)備外形美觀(外觀無(wú)油脂)、布置緊湊等優(yōu)點(diǎn);但是液壓系統(tǒng)具有各種功能的閥組，運(yùn)行圍護(hù)保養(yǎng)要求較高的專業(yè)技術(shù)，運(yùn)行操作相對(duì)比較復(fù)雜。綜上所述，從本工程的運(yùn)行要求、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和維護(hù)保養(yǎng)等方面考慮，水閘的工作閘門的啟閉設(shè)備推薦采用卷?yè)P(yáng)機(jī)型式。
3.5閘下防滲墻結(jié)構(gòu)方案比選
根據(jù)工程場(chǎng)地的自然條件，排水閘室的基礎(chǔ)是粉土層，采用C30灌注樁φ800作為閘室的基礎(chǔ)。為了滿足水閘地基的滲流穩(wěn)定［9］，在閘室下方和兩側(cè)的空箱岸壁設(shè)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(jié)構(gòu)方案如下:方案1鋼板樁防滲墻:在閘室的上下游兩側(cè)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(jù)JTS153—3—2007《海港工程鋼結(jié)構(gòu)防腐技術(shù)規(guī)范》［10］，取耐腐蝕值，每年兩側(cè)腐蝕速速度為0.05mm。當(dāng)50年的使用年限后，兩側(cè)總腐蝕量約5mm，腐蝕厚度在鋼板樁的設(shè)計(jì)中加以考慮。方案2高壓噴射防滲墻:利用灌漿機(jī)的灌漿管提前鉆至預(yù)定深度，設(shè)備噴射高壓水和高壓氣體切割土層。當(dāng)噴射的動(dòng)水壓力超過(guò)土體強(qiáng)度時(shí)，土體將逐漸脫落，一些土壤小顆粒將從地面冒出來(lái)。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(xù)的防滲墻。由于造價(jià)等原因，未考慮其他防滲方案如地下混凝土地下連續(xù)墻等。兩個(gè)方案的綜合比較后，推薦設(shè)計(jì)方案1，見(jiàn)表7。
4結(jié)語(yǔ)
上虞區(qū)虞北平原崧北河綜合整治工程實(shí)施后，三號(hào)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(jié)合閘址、規(guī)模、消能措施物模驗(yàn)證、啟閉機(jī)型式、防滲措施等方面進(jìn)行多維度比選方案的分析，主要結(jié)論如下:(1)平原河網(wǎng)排澇閘規(guī)模論證需結(jié)合周邊水系運(yùn)行調(diào)度，不但要確保單閘設(shè)計(jì)的安全性、先進(jìn)性，在有效提高虞北平原的排澇能力時(shí)，還要考慮河網(wǎng)聯(lián)合排澇的整體效益，。(2)粉砂土地基的水閘滲流設(shè)計(jì)極其重要，閘下采用鋼板樁圍封防滲效果較為可靠。
作者:徐劍 郭憲艷 徐進(jìn)剛 單位:浙江省錢塘江管理局勘測(cè)設(shè)計(jì)院