沿海擋潮閘下游消能防沖措施設(shè)計(jì)淺析

于建忠 呂 犇

沿海擋潮閘下游消能防沖措施設(shè)計(jì)淺析

于建忠 呂 犇

由于特定的位置、水文及地質(zhì)條件，沿海擋潮閘閘下消能防沖設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。處理不當(dāng)將導(dǎo)致閘下港道沖刷，甚至引起消能設(shè)施損壞，影響工程安全。結(jié)合“沿海擋潮閘下游消能防沖技術(shù)研究與應(yīng)用”課題研究，以掘苴新閘為例，對(duì)沿海擋潮閘消能防沖設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了初淺的探討。實(shí)踐證明，采用垂直防沖體系，可取得較好的消能防沖效果。

擋潮閘 消耗防沖 掘苴新閘

1 問題的提出

江蘇省濱江臨海，有數(shù)十座大中型擋潮閘，大部分建造年代較早，隱患較多，閘下港道普遍淤塞。自“十五”起，江蘇省政府啟動(dòng)了江海堤防達(dá)標(biāo)建設(shè)，普遍將老閘向下游遷建。由于新閘址下游即為海灘，幾乎無匯流港道。隨著下游潮位的不斷跌落，消能防沖設(shè)施直接外露，對(duì)其安全構(gòu)成極大的危脅。加之，閘址土質(zhì)抗沖能力差，極易產(chǎn)生溯源沖刷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)危及閘主體安全。此外，近年來，一方面降雨產(chǎn)匯流加快，另一方面為保證正常生產(chǎn)、生活，往往需要在低潮位時(shí)加緊搶排，使擋潮閘超設(shè)計(jì)工況運(yùn)行。上述種種因素直接導(dǎo)致?lián)醭遍l下游消能防沖設(shè)施遭受破壞。

若將最低潮位時(shí)閘門敞泄作為消能設(shè)施的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，往往引起工程投資顯著增加，很不合理，也不經(jīng)濟(jì)。若嚴(yán)格按設(shè)計(jì)中確定的超低潮位時(shí)“控制閘門開度甚至關(guān)閘”運(yùn)行，又與“分秒必爭(zhēng)搶排”的現(xiàn)實(shí)要求矛盾。在增加工程經(jīng)費(fèi)不多的情況下，尋求經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的消能防沖措施，以達(dá)到在保證消能設(shè)施安全的前提下，在超低潮位時(shí)盡可能延長(zhǎng)開閘時(shí)間，加大過閘流量，是一個(gè)值得探討的問題。

“沿海擋潮閘下游消能防沖技術(shù)研究與應(yīng)用”課題結(jié)合如東縣掘苴新閘、東安新閘兩座中型擋潮閘下遷建設(shè)，對(duì)擋潮閘的消能設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析研究，繼而對(duì)消能設(shè)施進(jìn)行了優(yōu)化、補(bǔ)充。實(shí)踐證明，取得了預(yù)期效果。課題于2013年底通過了江蘇省水利廳組織的驗(yàn)收。本文以掘苴新閘為例，對(duì)擋潮閘消能防沖設(shè)施優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹與探討。

2 相關(guān)因素分析

2.1 相關(guān)規(guī)范、文件分析

通常從經(jīng)濟(jì)、合理的角度出發(fā)，消能防沖須有一定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。在設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)的低潮位，應(yīng)能保證過流時(shí)閘主體及消能設(shè)施的安全；當(dāng)下游低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的低潮位時(shí)，應(yīng)控制閘門開度或關(guān)閘運(yùn)行。但是，針對(duì)該低潮位標(biāo)準(zhǔn)，目前的規(guī)范中無明確依據(jù)?！端姽こ痰燃?jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》中僅明確了建筑物消能防沖設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的防洪標(biāo)準(zhǔn)?！端l設(shè)計(jì)規(guī)范》2.2.5條、2.2.7條分別對(duì)擋潮閘的防洪(擋潮)標(biāo)準(zhǔn)及消能防沖設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了規(guī)定。江蘇省水利廳“蘇水管[1997]80號(hào)”《江蘇省江海堤防達(dá)標(biāo)建設(shè)修訂設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》及“蘇水管[1997]83號(hào)”《關(guān)于我省沿海擋潮建筑物達(dá)標(biāo)建設(shè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的通知》中也只對(duì)擋潮建筑物的防洪標(biāo)準(zhǔn)、特征潮(水)位進(jìn)行了說明。上述規(guī)范、文件均未明確消能設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的下游潮位標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 設(shè)計(jì)關(guān)鍵因子分析

擋潮閘素有“十閘九沖”的說法，下游沖刷在所難免。綜合分析引起下游消能防沖設(shè)施破壞的原因主要有以下幾方面：

(1)由于沿海潮位站點(diǎn)偏少，閘址處常常無潮位資料，使理論計(jì)算缺少最基本的數(shù)據(jù)。

(2)新閘建于海灘上，除新建的二三百米左右的港堤外，幾乎無匯流港道，水流出閘后，直接平鋪入海，對(duì)消能不利。

(3)土質(zhì)抗沖能力差。閘址地質(zhì)往往均屬海成地貌，表層多為粉砂、極細(xì)沙土，極易被沖刷。

(4)隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，下墊面條件發(fā)生了改變，降雨匯流加快。另一方面，防洪排澇對(duì)排水也提出了更高要求，遇雨往往要求盡快排澇，降低內(nèi)河水位。擋潮閘很難嚴(yán)格按設(shè)計(jì)工況運(yùn)行。

(5)降雨時(shí)空分布不均衡，局地強(qiáng)降雨概率加大，極端災(zāi)害性天氣情況逐年增多。如東縣氣象局實(shí)測(cè)資料顯示，2009、2010年最大3 d雨量分別達(dá)到了206.3 mm和159.6 mm，均超過設(shè)計(jì)最大3 d暴雨值150.65 mm。

(6)下游船舶無序停泊，加劇了排澇時(shí)出閘水流紊亂。

3 掘苴新閘消能設(shè)計(jì)

3.1 工程概況

如東縣老掘苴閘是掘苴河的入海口門，為如東三座中型擋潮閘之一，也是南通地區(qū)重要的排澇、擋潮閘之一。根據(jù)江蘇省發(fā)改委批復(fù)，結(jié)合海堤達(dá)標(biāo)建設(shè)及圍墾開發(fā)，將老閘向下游遷建，建設(shè)掘苴新閘。遷建后的掘苴新閘位于老閘下游約2.7 km處，集擋潮、排澇、兼顧通航等功能于一體。共5孔(8 m×2孔+12 m+8 m×2孔)，中孔兼通航。閘底板面高程-1.5 m，設(shè)計(jì)最大排澇流量527 m3/s。工程于2007年9月開工，2008年5月通過水下工程驗(yàn)收， 2011年10月通過江蘇省水利廳組織的竣工驗(yàn)收，工程質(zhì)量被評(píng)為優(yōu)良。

3.2 消能防沖設(shè)計(jì)

該閘消能設(shè)計(jì)時(shí)，吸收了洋口外閘及其它沿海擋潮閘的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)、教訓(xùn)，優(yōu)化了消力池計(jì)算方法，改進(jìn)了消能防沖設(shè)施布置。

在確定擋潮閘規(guī)模時(shí)，按設(shè)計(jì)暴雨推求洪水過程并與汛期連續(xù)4 d平均高潮位相遇，結(jié)合內(nèi)河水位—槽蓄量關(guān)系曲線，進(jìn)行調(diào)洪演算，以確定閘室總凈寬。消能設(shè)計(jì)不利工況的選取結(jié)合上述洪水計(jì)算過程，分別對(duì)閘上高水位對(duì)應(yīng)時(shí)最大流量，內(nèi)河汛期正常高水位遇外海側(cè)平均低潮位，閘上較高水位遇閘下較低潮位時(shí)對(duì)應(yīng)的最大流量3種情況分別進(jìn)行消能計(jì)算。消力池設(shè)計(jì)時(shí)取上述3種工況的“包絡(luò)”。消力池計(jì)算成果詳見表1。

表1 閘下消能計(jì)算成果表

實(shí)際取消力池長(zhǎng)25 m、深1.8 m、厚1.0 m。

此外，根據(jù)調(diào)洪演算成果，對(duì)閘下設(shè)計(jì)潮型中的最低潮位-0.37 m、閘上高水位2.9 m的極端工況下消能設(shè)施安全進(jìn)行了復(fù)核。此時(shí)閘門最大開度1.96 m，相應(yīng)過閘流量約447.8 m3/s。

考慮擋潮閘下游沖刷的必然性及淤漲型海灘的特點(diǎn)，消能防沖措施布置改變常規(guī)設(shè)計(jì)思路：變水平防沖為垂直防沖體系，在設(shè)計(jì)工況下允許閘下出現(xiàn)沖刷，但不得危及閘主體安全。同時(shí)適當(dāng)縮短港道護(hù)底防護(hù)范圍，以節(jié)省投資。具體為：在消力池后接21 m 鋼筋混凝土護(hù)底與長(zhǎng)21.0 m防沖排樁(鉆孔灌注樁)連為整體，后接拋石防沖槽(面寬7 m，深2 m)。在下游出現(xiàn)最大沖坑的極端情況下，確保閘室主體及翼墻安全。港道兩側(cè)港堤全部采用漿砌石進(jìn)行護(hù)坡，坡底設(shè)拋石護(hù)腳。

3.3 應(yīng)急超標(biāo)準(zhǔn)排水后水損情況

2008年5月工程通過水下驗(yàn)收，進(jìn)入6月份后，遇區(qū)域連續(xù)陣雨，特別是6月14日、6月17日兩次強(qiáng)降雨，內(nèi)河水位急速上漲。應(yīng)上級(jí)防指要求，將閘門全開進(jìn)行應(yīng)急排澇。開閘七潮次后發(fā)現(xiàn)下游右側(cè)高程2.0 m以下局部護(hù)坡發(fā)生塌陷。經(jīng)測(cè)量，底部河床沖刷至高程-3.5 m，而坡腳拋石棱體因淤積土中黏粒作用未發(fā)生滾落。經(jīng)拋石處理，當(dāng)年未再大流量泄洪，下游逐步淤積，未有新的險(xiǎn)情。

2009年7月24—28日連續(xù)大雨，內(nèi)河水位升至3.41 m(超警戒水位0.61 m)，閘門全開，后發(fā)現(xiàn)下游兩側(cè)出現(xiàn)對(duì)稱性漩渦，部分港堤岸坡發(fā)生塌陷。經(jīng)測(cè)量，河床最大沖深至高程-10.12 m(設(shè)計(jì)允許至高程-14.0 m)，后控制閘門開度泄洪。

3.4 水損處理方案

2008、2009年汛期遭遇特大洪澇、超標(biāo)泄洪后，防沖排樁至閘主體段的結(jié)構(gòu)未受到損壞，但港道底部出現(xiàn)了不同程度沖刷，并引起局部港堤邊坡坍塌。經(jīng)分析，建設(shè)初期受投資指標(biāo)制約，下游港道底部護(hù)砌偏短、抗沖能力較差。

雖然港道沖坑尚未超過設(shè)計(jì)計(jì)算深度、未對(duì)閘主體構(gòu)成威脅，但影響港堤安全。經(jīng)研究并報(bào)主管部門同意，動(dòng)用預(yù)備費(fèi)對(duì)防沖槽外河床及港堤進(jìn)行適當(dāng)處理。

綜合分析1.2節(jié)中“關(guān)鍵因子”，考慮閘下實(shí)際最低潮位低于-1.5 m的現(xiàn)狀等因素，擬將下游港道底高程適當(dāng)降低，以增加低潮位時(shí)港道內(nèi)水深。同時(shí)適當(dāng)加長(zhǎng)港道底部的防護(hù)范圍，以保證港堤邊坡安全。防沖樁外側(cè)港道底高程降低后，客觀上與外海灘形成了“二次消能”。港堤以外為灘地，水流為漫灘流，流速減小，一般不會(huì)發(fā)生大的沖刷。且如東屬淤漲型海域，根據(jù)工程運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，即使發(fā)生沖刷，在非排水期，一個(gè)潮汛即可淤平，不會(huì)對(duì)工程產(chǎn)生危害。

為確定下游港道挖深值，根據(jù)水閘設(shè)計(jì)規(guī)范，分別計(jì)算港道疏挖至不同高程對(duì)應(yīng)的港道河床最大沖刷深度值(按粉細(xì)砂土質(zhì)計(jì))，其結(jié)果詳見表2，變化曲線詳見圖1。

表2 港道不同高程對(duì)應(yīng)最大沖刷深度 m

圖1 港道底最大沖刷深度變化曲線

由表2、圖1可看出，隨著港道深度的加大，河床最大沖刷深度值不斷減小，但減小幅度總體趨緩。另一方面，本閘主體及兩側(cè)港堤已經(jīng)建成，閘孔邊墩凈距為51.4 m，為保證水流流態(tài)平順，港道底寬不宜過窄。綜合考慮上述因素，下游港道底高程定為-4.0 m。

在工程處組織召開的掘苴、東安新閘閘下消能防沖問題專家咨詢會(huì)上，與會(huì)專家認(rèn)可了上述補(bǔ)充設(shè)計(jì)方案。補(bǔ)充設(shè)計(jì)工程2010年1月底開始實(shí)施，2010年5月底完成。

4 實(shí)施效果

從管理單位反饋的運(yùn)行情況顯示，2010年“7.12”暴雨，上游水位達(dá)3.14 m，掘苴新閘閘門全部開啟自由泄流，閘下游消能防沖設(shè)施未有任何損壞。經(jīng)測(cè)量，2010年汛期以來，兩閘下游港道亦未出現(xiàn)沖刷破壞，護(hù)坡及干砌石護(hù)底完好。

東安新閘工程于2009年3月底開工，其閘下消能防沖設(shè)計(jì)理念與掘苴新閘相同。在建設(shè)過程中亦按上述思路對(duì)閘下游消能防沖設(shè)施進(jìn)行了改進(jìn)。工程投入使用多年來，運(yùn)行情況較好，消能防沖設(shè)施未發(fā)生破壞。

5 結(jié) 語(yǔ)

消能防沖設(shè)施的安全歷來是擋、泄水建筑物的關(guān)鍵。由于沿海擋潮閘特定的地理位置及水文、地質(zhì)等條件，消能防沖設(shè)施極易遭受破壞。如東掘苴新閘、東安新閘消力池設(shè)計(jì)綜合考慮設(shè)計(jì)排水過程的不利工況，改水平防沖為垂直防沖體系，同時(shí)通過適當(dāng)降低港道底高程等系列措施?？傮w工程經(jīng)費(fèi)增加很少，但在保證閘下消能設(shè)施安全的前提下，延長(zhǎng)了低潮位時(shí)的開閘排水時(shí)間，取得了預(yù)期效果。對(duì)擋潮閘的消能防沖設(shè)計(jì)有一定的參考借鑒作用。

[1] SL 252—2000水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn) [S].

[2] SL 265—2001水閘設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 郭子著.消能防沖原理與水力設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社,1982.

[4] 毛昶熙，周名德，柴恭純.閘壩水力學(xué)與設(shè)計(jì)管理[M].北京：水利電力出版社，1995.

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1007-6980(2017)02-0012-03

2017-03-10)

于建忠 男 高級(jí)工程師 江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 江蘇蘇州 215128

呂 犇 男 工程師 江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 江蘇蘇州 215128