束水壩改造及在二河新閘工程運(yùn)行調(diào)度中的應(yīng)用

昌 魏

(江蘇省灌溉總渠管理處，江蘇 淮安 223200)

1 工程概況

1.1 二河新閘工程概況

二河新閘地處淮安市清江浦區(qū)和平村，位于入海水道與二河的交匯處，是淮河入海水道的第一級(jí)樞紐工程。其主要任務(wù)是承泄洪澤湖洪水，并控制入海水道與二河的流量。工程規(guī)模為Ⅰ等大(1)型。設(shè)計(jì)泄洪流量2270m3/s。強(qiáng)迫泄洪流量2890m3/s，入海水道的建成，使洪澤湖達(dá)到防御100年一遇的洪水標(biāo)準(zhǔn)。二河新閘工程是入海水道進(jìn)洪控制口門(mén)，位置重要。二河新閘采用鋼筋混凝土開(kāi)敞式平底板，10孔，單孔凈寬10m，閘底板高程6.0m，順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)21.0m，總寬120.08m，閘頂高程18.0m。閘門(mén)為10.0m×9.1m弧形鋼閘門(mén)，配QHJ-2×225kN卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)。工程按7度抗震設(shè)防。工程總投資9435萬(wàn)元。自2003年建成以來(lái)已承泄近80億m3洪澤湖洪水，保障了當(dāng)?shù)剞r(nóng)作物及人民生命財(cái)產(chǎn)安全，為當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)發(fā)展做出了貢獻(xiàn)，并在防洪體系中起到了重要作用。工程于2012年11月通過(guò)國(guó)家級(jí)驗(yàn)收，2015年11月通過(guò)國(guó)家級(jí)達(dá)標(biāo)復(fù)檢。工程水位組合見(jiàn)表1。

表1 二河新閘工程水位組合

1.2 束水壩工程概況

束水壩位于二河新閘下游450m的淮河入海水道深泓內(nèi)。2003年、2007年行洪時(shí)沖毀，2010年修復(fù)，修復(fù)后的束水壩壩頂高程6.5m，頂寬18.1m[1]，壩頂下游側(cè)2.0m范圍內(nèi)設(shè)置灌砌塊石護(hù)砌，迎水面為土坡，坡比1∶3，背水面為灌砌塊石護(hù)坡，背水面坡底設(shè)池深為0.5m的灌砌塊石消力池。2017年初小流量行洪，束水壩壩體兩側(cè)局部為土護(hù)坡，水流沖刷造成坡面土體流失，壩身迎水面為土坡，水流沖刷后土體流失較重，壩身表面為素土，水流沖刷造成土體流失，壩面雜草叢生，消力池及池兩側(cè)混凝土護(hù)坡齒坎由于水流沖刷局部淘空，壩身及兩側(cè)局部土體流失，束水壩消力池斜坡段破損坍陷，池前及兩側(cè)沖刷，混凝土坡面局部破損，壩面排水溝損毀。

2 束水壩在二河新閘調(diào)度管理中的作用

2.1 調(diào)節(jié)下游水位，確保下游閘底板處于凍融區(qū)以下

二河新閘閘底板高程6.0m，原束水壩壩頂高程6.0m，使得閘底板下游側(cè)處于凍融區(qū)，為了保護(hù)閘底板，減少底板混凝土的凍融破壞，修復(fù)后的束水壩壩頂高程6.5m，可有效地調(diào)節(jié)下游水位，使下游閘底板始終保持0.5m的水深，淮河地區(qū)凍土厚度0.1～0.5m，河水結(jié)凍厚度一般不超過(guò)0.2m，從而有效地保護(hù)了閘底板混凝土。

2.2 迅速抬高下游水位，形成漫灘行洪，減少水流沖刷

二河新閘以下淮河入海水道深泓泓底高程為4.5～1.5m，灘面高程9.5m，根據(jù)二河新閘的調(diào)度原則，二河新閘行洪時(shí)初始流量一般為500m3/s，此時(shí)若水體不快速漫灘，深泓平均流速可達(dá)1.53m/s，而入海水道深泓河床不沖流速僅為0.8m/s，束水壩可迅速抬高下游水位、增加過(guò)水面積，從而減小水體流速、減少河床土體流失。

2.3 二次消能

二河新閘采用底流式消能，消力池長(zhǎng)28m，池深1.5m，經(jīng)一次消能后，水體仍存在較大的能量，大流量行洪時(shí)下游漫灘行洪，水面較寬，束水壩消能作用不明顯，小流量行洪時(shí)水體在下游深泓內(nèi)，可充分發(fā)揮下游束水壩消能作用。

3 束水壩在淮河入海水道小流量行洪工況下存在的問(wèn)題

3.1 淮河入海水道小流量行洪的概念

根據(jù)工程資料、非行洪期南泓水力條件，兼顧灘地生產(chǎn)需求，取用泓道糙率0.0275，灘面至水面安全高度0.5～0.7m，經(jīng)初步演算，淮安地涵以上南泓小流量運(yùn)行能力為220m3/s；淮安地涵以下泓道分洪能力較強(qiáng)，2007年6月南泓漫水閘以上實(shí)測(cè)流量達(dá)到310m3/s。小流量行洪以泄流量不大于220m3/s為準(zhǔn)[2]。

3.2 淮河入海水道小流量行洪的意義

充分利用淮河入海水道南泓小流量分洪的現(xiàn)實(shí)意義在于：?三河閘以300～500m3/s流量預(yù)降洪澤湖水位時(shí)，下游水位將漫灘，影響到灘地種植，此時(shí)南泓分擔(dān)部分流量，可以有效地保護(hù)灘地種植收益；?灌溉總渠以500m3/s以下泄洪時(shí)，南泓分擔(dān)部分流量，更利于總渠船只航運(yùn)安全，同時(shí)大大降低總渠沿線水電站發(fā)電水頭損失，更有利于水電效益的高效發(fā)揮；?在非汛期，可以有效保證入海水道大運(yùn)河立交地涵下游水位維持在3.5m以上，根據(jù)大運(yùn)河立交地涵控制運(yùn)行方案，下游水位不應(yīng)低于3.5m，近幾年來(lái)事實(shí)證明，因上游來(lái)水量很少，非汛期大運(yùn)河立交地涵下游水位一般在3.0m以下，嚴(yán)重威脅工程運(yùn)行安全；?有利于改善南泓水質(zhì)，南泓在設(shè)計(jì)上是污水通道，小流量行洪可以降低污染物濃度，增加水環(huán)境容量；?可以利用水力資源發(fā)電，小流量行洪時(shí)，二河新閘上下游水位差可以維持在3.5m以上。從推理上，開(kāi)啟二河新閘實(shí)施南泓小流量分洪的確是一舉多得，防洪、水環(huán)境保護(hù)、水利經(jīng)濟(jì)等方面效益明顯。

3.3 二河新閘小流量行洪暴露出的問(wèn)題

a.束水壩壩軸線與二河新閘軸線存在夾角，泄洪時(shí)產(chǎn)生折沖水流，折沖水流蜿蜒蛇行，會(huì)使河、渠底部以及兩岸遭受?chē)?yán)重沖刷，對(duì)工程安全十分不利，因此在設(shè)計(jì)及運(yùn)用管理中，應(yīng)力求避免這一不良水流現(xiàn)象的發(fā)生。形成折沖水流的主要原因是建筑物下游尾水深度過(guò)小，不足以產(chǎn)生完整水躍消殺水流余能。在這種情況下，只要下泄水流單寬流量分布稍有不均，流向稍有不正，就會(huì)造成邊墻擴(kuò)散角太大、出流擴(kuò)散不良等[3]。

經(jīng)實(shí)測(cè)二河新閘水流方向軸線與束水壩軸線夾角約為5°，目測(cè)水流偏向河道南側(cè)，導(dǎo)致河道邊坡南側(cè)受沖刷、北側(cè)產(chǎn)生漩渦，部分護(hù)坡沖刷嚴(yán)重，出現(xiàn)邊坡土方塌陷的現(xiàn)象。

b.束水壩兩側(cè)護(hù)坡與原二河新閘下游混凝土護(hù)坡間不銜接，引起邊坡沖刷。二河新閘小流量行洪流量一般不超過(guò)220m3/s，束水壩與二河新閘之間泓道內(nèi)水體平均流速為2.1m/s，壩后泓道內(nèi)平均流速為0.67m/s，而邊坡土體抗沖刷流速僅為0.8m/s，所以束水壩與原混凝土之間的土護(hù)坡沖刷是不可避免的。

c.消力池后海漫較短，不滿足小流量行洪要求。二河新閘按220m3/s小流量行洪時(shí)，理論計(jì)算壩頂單寬流量為4.78m3/(s·m)，束水壩上游水位9.81m，束水壩下游水位9.5m(2010年小流量行洪實(shí)測(cè)值)，理論計(jì)算躍后水深h″c=2.21m，下游水深hs=2.9m，因h″c

圖1 二河新閘束水壩消力池剖視(尺寸單位：cm)

d.束水壩壩頂水體流速較大，造成壩頂土體流失。經(jīng)實(shí)測(cè)，行洪流量220m3/s時(shí)壩頂流速達(dá)1.32m3/s，此處土體抗沖流速僅為0.8m/s，2010年小流量行洪僅16天，壩頂最大沖刷深度達(dá)0.5m。

3.4 2017年束水壩改造

針對(duì)以上暴露的問(wèn)題，為維護(hù)工程完整，保證工程運(yùn)行安全和工程效益的發(fā)揮，二河新閘管理所組織技術(shù)人員對(duì)下游束水壩修復(fù)問(wèn)題進(jìn)行研究，及時(shí)編報(bào)了維修方案。管理處以淮管發(fā)〔2017〕1號(hào)文件批復(fù)同意實(shí)施二河新閘束水壩改造項(xiàng)目，批復(fù)工程經(jīng)費(fèi)28萬(wàn)元。修復(fù)方案如下：

a.壩體兩側(cè)新做混凝土護(hù)坡，坡面C25混凝土厚15cm，下鋪10cm黃砂、10cm碎石濾層，坡頂、坡腳設(shè)0.4m×0.6m灌砌塊石格梗。

b.壩身迎水面新建灌砌塊石混凝土，迎水面新做35cm厚灌砌塊石護(hù)坡，坡下鋪10cm黃砂、10cm碎石濾層,坡腳、坡頂設(shè)0.4m×0.6m灌砌塊石格梗，灌砌塊石坡面20～40m分塊，塊間采用0.4m×0.6m灌砌塊石格梗，坡比1∶2。

c.壩身平臺(tái)新建灌砌塊石，壩體表面新做35cm厚灌砌塊石護(hù)坡，坡下鋪10cm黃砂、10cm碎石濾層，灌砌塊石頂與排水溝平齊。

d.消力池修復(fù)。池身破損、坍陷處回填土方壓實(shí)后，表面做35cm厚灌砌塊石護(hù)坡，面層采用5cm厚C25混凝土找平，與原消力池齊平、協(xié)調(diào)，散拋石護(hù)岸，消力池及池兩側(cè)混凝土護(hù)坡齒坎由于水流沖刷局部淘空，土方填實(shí)后，采用單塊質(zhì)量10～100kg塊石拋石防護(hù)，防護(hù)部位拋1～2層塊石。

e.破損排水溝按原標(biāo)準(zhǔn)修復(fù)，接長(zhǎng)至池底。

f.改造過(guò)后的束水壩在2018年小流量行洪中有效防止了壩體兩側(cè)護(hù)坡的沖刷，壩體及消力池完好無(wú)損。本次改造起到了重要作用。

4 對(duì) 策

a.嚴(yán)格執(zhí)行調(diào)度指令，按運(yùn)行規(guī)程調(diào)度二河新閘。嚴(yán)格執(zhí)行二河新閘的運(yùn)行規(guī)程是保證二河新閘安全的生命線，必須嚴(yán)格控制在設(shè)計(jì)工況內(nèi)運(yùn)用。

二河新閘應(yīng)根據(jù)規(guī)劃設(shè)計(jì)要求和管理處防汛防旱調(diào)度方案制定控制運(yùn)用原則，報(bào)管理處批準(zhǔn)，并接受其監(jiān)督；由淮河防汛總指揮部辦公室提出調(diào)度意見(jiàn)，報(bào)國(guó)家防汛抗旱總指揮部辦公室，經(jīng)國(guó)家防汛抗旱總指揮部批準(zhǔn)，或國(guó)家防汛抗旱總指揮部授權(quán)淮河防汛總指揮部批準(zhǔn)，并下達(dá)調(diào)度指令，江蘇省防汛抗旱指揮部執(zhí)行；對(duì)下達(dá)的調(diào)度指令應(yīng)詳細(xì)記錄、復(fù)核，執(zhí)行完畢后及時(shí)填寫(xiě)閘門(mén)啟閉操作命令票并按要求報(bào)送水情信息。值班人員要了解工程的設(shè)計(jì)功能以及所在流域的作用，并能熟練操作各項(xiàng)設(shè)備，具有應(yīng)急處置工程突發(fā)事件的能力；在保證工程安全、滿足調(diào)度指令要求的前提下，應(yīng)防止河床淤積及水質(zhì)污染。

b.均勻、對(duì)稱(chēng)開(kāi)啟閘門(mén)避免集中水流。閘門(mén)開(kāi)啟操作應(yīng)由2名或2名以上熟悉業(yè)務(wù)的工作人員進(jìn)行，其中1人操作，1人監(jiān)護(hù)。遇大流量運(yùn)行或特殊運(yùn)行工況時(shí)，管理所所長(zhǎng)及技術(shù)負(fù)責(zé)人應(yīng)到現(xiàn)場(chǎng)指揮。過(guò)閘水流不應(yīng)該發(fā)生折沖水流、漩渦等不良狀態(tài)的水流，如果發(fā)生這種情況，要及時(shí)適當(dāng)調(diào)整閘門(mén)開(kāi)啟高度，以消除不正?，F(xiàn)象。

小流量行洪時(shí)因單寬流量較小，往往出現(xiàn)人為的集中水流現(xiàn)象，根據(jù)2010年二河新閘小流量行洪的經(jīng)驗(yàn)，二河新閘泄洪220m3/s時(shí)，開(kāi)啟中間6孔為宜，160m3/s以下行洪時(shí)開(kāi)啟中間4孔為宜，下游流態(tài)分布較好，單寬流量控制在4.0m3/s以?xún)?nèi)，可有效地減少折沖水流，也滿足設(shè)計(jì)單寬流量小于22.7m3/s的要求。

大流量行洪時(shí)嚴(yán)格按照《二河新閘工程管理細(xì)則》開(kāi)啟5號(hào)、6號(hào)孔閘門(mén)，運(yùn)行至閘門(mén)開(kāi)啟高度0.5m；在5號(hào)、6號(hào)孔閘門(mén)運(yùn)行至閘門(mén)開(kāi)啟高度0.5m時(shí)啟動(dòng)4號(hào)、7號(hào)孔閘門(mén)，此時(shí)4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)孔閘門(mén)同時(shí)運(yùn)行；在5號(hào)、6號(hào)孔閘門(mén)運(yùn)行至閘門(mén)開(kāi)啟高度1.0m時(shí)和4號(hào)、7號(hào)孔閘門(mén)運(yùn)行至閘門(mén)開(kāi)啟高度0.5m時(shí)啟動(dòng)3號(hào)、8號(hào)孔閘門(mén)，此時(shí)3號(hào)、4號(hào)、5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)、8號(hào)孔閘門(mén)同時(shí)運(yùn)行；在5號(hào)、6號(hào)孔閘門(mén)運(yùn)行至閘門(mén)開(kāi)啟高度1.5m，4號(hào)、7號(hào)孔閘門(mén)運(yùn)行至閘門(mén)開(kāi)啟高度1.0m和3號(hào)、8號(hào)孔閘門(mén)運(yùn)行至閘門(mén)開(kāi)啟高度0.5m時(shí)停止5號(hào)、6號(hào)孔閘門(mén)運(yùn)行，啟動(dòng)2號(hào)、9號(hào)孔閘門(mén)，此時(shí)2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)、7號(hào)、8號(hào)、9號(hào)孔閘門(mén)同時(shí)運(yùn)行；在4號(hào)、7號(hào)孔閘門(mén)運(yùn)行至閘門(mén)開(kāi)啟高度1.5m，3號(hào)、8號(hào)孔閘門(mén)運(yùn)行至閘門(mén)開(kāi)啟高度1.0m和2號(hào)、9號(hào)孔閘門(mén)運(yùn)行至閘門(mén)開(kāi)啟高度0.5m時(shí)停止4號(hào)、7號(hào)孔閘門(mén)運(yùn)行，啟動(dòng)1號(hào)、10號(hào)孔閘門(mén)，此時(shí)1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、8號(hào)、9號(hào)、10號(hào)孔閘門(mén)同時(shí)運(yùn)行；將1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)、8號(hào)、9號(hào)、10號(hào)孔閘門(mén)全部運(yùn)行至開(kāi)啟高度1.5m時(shí)暫停?？刂菩购榱髁坎怀^(guò)1000m3/s，如果達(dá)不到該流量，可進(jìn)行第二循環(huán)的閘門(mén)開(kāi)啟，在開(kāi)啟過(guò)程中要實(shí)時(shí)監(jiān)控泄洪流量，達(dá)到1000m3/s后停止閘門(mén)開(kāi)啟，待下游水位達(dá)到11.68m后方可繼續(xù)開(kāi)啟閘門(mén)，直至達(dá)到設(shè)計(jì)流量2270m3/s。

c.加強(qiáng)對(duì)臨時(shí)設(shè)施的管理，包括日常巡視和經(jīng)常性檢查[4]。日常巡視檢查主要是對(duì)二河新閘管理范圍內(nèi)的水工建筑物、設(shè)備、設(shè)施、工程環(huán)境進(jìn)行巡視、檢查；經(jīng)常性檢查主要是對(duì)建筑物各部位進(jìn)行檢查，尤其是對(duì)行洪期間束水壩和水流形態(tài)進(jìn)行檢查。行洪期間發(fā)現(xiàn)水毀工程及時(shí)采取應(yīng)急防護(hù)措施，阻止事態(tài)的發(fā)展，保證建筑物的安全。

d.按水工建筑物的重要性合理確定工程保護(hù)順序。二河新閘為Ⅰ等大(1)型水工建筑物[5]，消力池、閘墩等主要建筑物為1級(jí)建筑物，束水壩、上下游護(hù)坡等次要建筑物為3級(jí)建筑物，所以任何工況下都必須保證1級(jí)建筑物的安全，而束水壩、上下游護(hù)坡等次要建筑物在行洪期間只要加強(qiáng)觀測(cè)、水毀后及時(shí)修復(fù)即可，切不可本末倒置，影響二河新閘整體效益的發(fā)揮。

5 結(jié) 語(yǔ)

束水壩在大型水閘中并不常見(jiàn)，二河新閘工程具有代表性，科學(xué)地管理、維修養(yǎng)護(hù)好束水壩對(duì)于提高工程管理水平、保護(hù)水工建筑物安全具有重要的意義，是當(dāng)今水利工程精細(xì)化管理和安全標(biāo)準(zhǔn)化管理的首要任務(wù)；但工程管理人員更要分清水工建筑物的主、次關(guān)系，不可拘泥于束水壩等次要建筑物的約束，影響工程整體效益的發(fā)揮。正確的做法是加強(qiáng)對(duì)束水壩等次要建筑物的管理，最大限度地發(fā)揮水工建筑物防洪、減災(zāi)的效益。