基于河床下切邊界條件的引黃閘改建閘址比選

王李平，陳翠霞，周雪梅

（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南鄭州450003）

黃河下游干流共有引黃涵閘111座（含河南黃河河務(wù)局注冊登記的5座防沙閘），其中河南段47座、山東段64座，不包含黃河下游分洪閘以及地方政府、灌區(qū)單位管理的引渠防沙閘。黃河河南段涵閘大多修建于20世紀(jì)50—70年代，山東黃河涵閘多建于20世紀(jì)70年代至90年代初期。小浪底水庫運用以來，受水庫攔沙和調(diào)水調(diào)沙影響，黃河下游河道河床持續(xù)沖刷下切，同流量水位降低，對引黃涵閘引水能力產(chǎn)生了不利影響。受下游河床邊界條件變化影響，結(jié)合引水能力復(fù)核成果，對部分涵閘進行改建十分必要。

涵閘改建主要技術(shù)問題包括論證涵閘設(shè)計引水位、涵閘設(shè)計規(guī)模、閘址論證比選、閘型論證比選及涵閘改建方案確定等。許多水利技術(shù)人員從不同角度對涵閘改建進行了技術(shù)總結(jié)，林瀟[1]結(jié)合涵閘改建工程設(shè)計，簡述了建設(shè)方案的比選、論證及實施；肖建忠等[2]針對復(fù)雜邊界條件的涵閘除險加固總體設(shè)計方案進行了比選、分析及論證；田雨普等[3]在涵閘改建工程閘型比選中引入生態(tài)足跡作為比選因素，綜合確定改建閘型；劉應(yīng)雷等[4]對引黃涵閘改建工程防滲布置進行了論證分析；董海釗等[5]論證了PHC管樁復(fù)合地基在引黃閘基礎(chǔ)處理中的應(yīng)用。

本文結(jié)合黃河小浪底水庫運用及調(diào)水調(diào)沙影響、河床下切程度，以位山閘為例，根據(jù)地質(zhì)條件、水流條件、引渠淤積及清淤生態(tài)環(huán)境影響、對原有建筑物影響、施工工期影響、工程投資等因素綜合分析論證閘址，閘址比選方案包括原址重建方案和閘址前移方案。

1 涵閘設(shè)計方案

1.1 位山灌區(qū)及位山引黃閘概況

位山引黃灌區(qū)位于山東省黃河北岸的聊城市，涵蓋聊城市8個縣（市、區(qū)）的85個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的大部分耕地，設(shè)計引水能力240.00 m3/s，設(shè)計灌溉面積36萬hm2，屬徒駭河、馬頰河流域，是黃河中下游最大的引黃灌區(qū)，在當(dāng)?shù)貒窠?jīng)濟發(fā)展中起著舉足輕重的作用。同時，位山引黃閘還承擔(dān)了引黃濟津、引黃入冀兩大跨流域調(diào)水任務(wù)，有力地支援了天津市和河北省的經(jīng)濟建設(shè)。

位山引黃閘位于山東聊城黃河左岸，大堤樁號8+040 m處，緊鄰東阿縣劉集鎮(zhèn)位山村。該閘始建于1958年，為巖基開敞式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，設(shè)計流量240 m3/s，采用分離式閘墩型式、弧形閘門。因防洪標(biāo)準(zhǔn)不足，于1981年冬改建，1983年10月竣工。改建后閘型未變，東西兩側(cè)各封堵一孔，由原來的10孔改為8孔，閘室結(jié)構(gòu)仍采用鋼筋混凝土分離式閘墩，閘墩底板與閘室底板分縫位置與原閘相同，將閘墩加高加厚，閘墩每側(cè)加厚1.15 m，閘底板抬高2.00 m，閘孔尺寸由10.00 m×5.00 m改為7.70 m×3.00 m。

位山引黃閘至今運行年限長達34 a。小浪底水庫開始攔沙運用以及調(diào)水調(diào)沙以來，使黃河下游河道不斷下切，同流量水位逐年降低，致使位山引黃閘引水能力明顯降低，不能滿足設(shè)計的功能要求。

1.2 原址重建方案

原閘址基礎(chǔ)為弱風(fēng)化寒武系灰色灰?guī)r，地基條件較好，因此考慮了原址拆除重建方案。原閘基礎(chǔ)良好，閘基巖體弱風(fēng)化，屬Ⅲ類巖體，承載力足以滿足閘基要求。前期施工時，對較大裂隙均進行了混凝土封堵，且在1982年改建時在閘前進行了帷幕灌漿，經(jīng)過幾十年的運行，未發(fā)現(xiàn)明顯變形。此次涵閘改建工程原基礎(chǔ)可作為新閘基礎(chǔ)，不需要進行地基處理。

閘中心線位于原址處，基礎(chǔ)狀況良好，為開敞式布置。閘室布置8孔，2孔一聯(lián)，均設(shè)平板檢修門和弧形工作門，弧門單孔尺寸為8.0 m×4.0 m（寬×高），前設(shè)胸墻。閘室頂高程50.00 m，底板高程降低1.10 m，至高程36.00 m，閘室總長度20.00 m。閘室下游設(shè)消力池、海漫、防沖槽，上、下游兩岸岸坡均設(shè)混凝土護坡。

1.3 閘址前移方案

位山閘閘前引渠在黃河調(diào)水調(diào)沙及汛期高含沙洪水過后淤積嚴(yán)重，為減少淤積、改善水流條件，提出了閘址前移方案。結(jié)合施工圍堰布置，確定閘址前移200 m，前移閘址與原閘址相對位置見圖1。

根據(jù)鉆孔描述及室內(nèi)土工試驗成果，在勘探深度范圍內(nèi)（最大揭露深度35.0 m）揭露地層為第四系人工填土層（Qr4）、第四系全新統(tǒng)河流沖洪積層（Qal+pl4）及寒武系地層（∈）。

圖1 位山閘前移閘址與原閘址相對位置

閘中心線位于原址上游約200 m處，閘室布置8孔，2孔一聯(lián)，均設(shè)平板檢修門和弧形工作門，弧門單孔尺寸為8.0 m×4.0 m（寬×高），前設(shè)胸墻。閘室頂高程50.00 m，底板高程36.00 m，閘室總長度20.00 m，上游設(shè)鋪蓋，下游設(shè)消力池、海漫、防沖槽，上、下游兩岸岸坡均設(shè)混凝土護坡。

為改善閘下滲流條件，閘前端下設(shè)水泥土攪拌樁連續(xù)墻，深入粉質(zhì)黏土層1.00 m；為增加地基承載力、抗滑穩(wěn)定性，閘室底板下設(shè)混凝土灌注樁，樁徑1.30 m，深度15.00 m，間距3.00 m。

閘室兩岸布置均質(zhì)土堤與原堤防連接，土堤頂寬12.00 m，上下游邊坡坡比均為1∶3；上游面堤腳布設(shè)水泥土攪拌樁連續(xù)墻。

2 閘址方案比選

2.1 地質(zhì)條件

原址拆除重建方案閘址基礎(chǔ)為寒武系灰?guī)r，弱風(fēng)化，地基承載力為1 000～1 200 kPa，滿足閘基應(yīng)力要求。閘基巖體為Ⅲ類巖體，原基礎(chǔ)已作帷幕灌漿處理，可作為新閘基礎(chǔ)，不需要進行基礎(chǔ)處理。閘址前移方案閘址處為第四系人工填土層（）、第四系全新統(tǒng)河流沖洪積層（）。閘基底部地層為粉質(zhì)壤土，地基承載力為110～120 kPa，閘基應(yīng)力不滿足要求，需要進行基礎(chǔ)處理，且可能存在地基不均勻沉降的情況。從閘下基礎(chǔ)條件來看，原址拆除重建方案明顯優(yōu)于前移方案。

2.2 水流條件

2.2.1 閘前水流條件數(shù)學(xué)模擬計算

采用Mike軟件分析計算位山閘附近流場，Mike軟件中的Mike21模塊主要用于模擬河流、湖泊、河口、海灣、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及環(huán)境等。

（1）計算范圍。計算范圍自位山閘上游約6 km至位山閘下游約6 km。位山閘原址重建方案和閘址前移方案計算區(qū)域地形分別見圖2和圖3。

（2）網(wǎng)格剖分及地形插值。黃河主流采用不規(guī)則網(wǎng)格，位山閘前區(qū)域采用規(guī)則網(wǎng)格，對黃河下游干流主槽和位山閘前網(wǎng)格進行加密。位山閘原址重建方案計算網(wǎng)格總數(shù)為9 833個，位山閘閘址前移方案計算網(wǎng)格總數(shù)為8 037個，見圖4、圖5。插值后的地形見圖2、圖 3。

圖2 位山閘原址重建方案計算地形

圖3 位山閘閘址前移方案計算地形

圖4 位山閘原址重建方案網(wǎng)格剖分

（3）計算結(jié)果。模型計算時間步長為30 s。糙率通過模型的率定和驗證來確定，并參照經(jīng)驗，取值范圍為0.012～0.016。模型計算進口邊界流量為490 m3/s，其中位山閘過流量120 m3/s，出口斷面水位為確定閘底板高程的設(shè)計引水位37.19 m；黃河下游出口流量為370 m3/s，出口斷面水位—流量關(guān)系由上游孫口、下游艾山斷面水位流量關(guān)系插值得到，由水位—流量關(guān)系插值得到出口水位為36.47 m。位山閘原址拆除重建方案和閘址前移方案的閘門前局部流場分別見圖6、圖7。

圖5 位山閘閘址前移方案網(wǎng)格剖分

圖6 位山閘原址重建方案閘門附近流場分布

圖7 位山閘閘址前移方案閘門附近流場分布

2.2.2 閘前水流條件分析

可以看出，兩方案閘前水流流場分布相差不大，閘址前移方案水流相對較平順。閘址前移方案因過流寬度較原址重建方案減小，閘前流速略大于原址重建方案。原址重建方案閘前引渠長300 m，前窄后寬，水流條件不利，從多年運行情況來看，原閘右岸兩孔淤積嚴(yán)重，新閘遠期運行受閘孔淤積影響也可能存在引水能力不足問題。閘址前移方案引渠比較平順，閘前水流條件有了很大改善。從閘前水流條件看，閘址前移方案明顯優(yōu)于原址重建方案。

2.3 引渠淤積及清淤生態(tài)環(huán)境影響

（1）引渠淤積。經(jīng)對位山閘閘前多年淤積及清淤情況統(tǒng)計與調(diào)研，原址拆除重建方案閘前引渠長約300 m，年清淤量7.63萬m3，按聊城市位山閘灌溉管理處提供資料，年清淤費用為207.4萬元。閘址前移方案引渠長約100 m，年清淤量預(yù)計為2.6萬m3，費用約為69.1萬元。2018年度黃河汛期防汛形勢嚴(yán)峻，黃河下游大河流量大，大河持續(xù)高水位，閘前平均淤積深度為4 m，閘前總淤積量為9萬m3，較往年平均淤積量增加17.9%。從閘前引渠淤積角度，閘址前移方案占優(yōu)。

（2）清淤生態(tài)環(huán)境影響。依據(jù)引渠淤積情況分析，多年平均清淤量原址重建方案是閘址前移方案的2.63倍。原址重建方案清淤量大，導(dǎo)致清淤體臨時占地面積很大，棄置清淤體對生態(tài)環(huán)境影響較大，棄料場相應(yīng)需采取的水保、環(huán)保措施多，投資大。隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，土地資源緊張，導(dǎo)致臨時征地困難，另外，踐行生態(tài)文明建設(shè)也是各級政府工作重點，從減少引渠清淤臨時占地及生態(tài)環(huán)境影響角度，閘址前移方案明顯占優(yōu)。

2.4 對原有建筑物的影響

原址重建方案可以利用原有渠系建筑物；閘址前移方案為與原渠道平順連接，需重建下游渠道約200 m；兩個方案均需拆除原有閘室。

原址重建方案，新閘建成后與原有堤防平順連接，堤防按標(biāo)準(zhǔn)恢復(fù)，對黃河大堤基本無影響。移址新建方案，閘址前移后新建一段堤防，新建堤防、新建位山閘及原有堤防平順連接，裁彎取直，使黃河大堤更加順直。

從對原建筑物影響角度分析，閘址前移方案占優(yōu)。

2.5 對施工工期的影響

原址重建方案基礎(chǔ)可不作處理，施工簡單；閘址前移方案基礎(chǔ)處理復(fù)雜，施工工期較長。從施工工期角度看，原址重建方案占優(yōu)。

2.6 工程投資

原址重建方案、閘址前移方案工程量及投資見表1。從工程投資角度分析，原址重建方案略占優(yōu)。

表1 位山閘改建工程閘址主要工程量及投資比較

3 閘址比選結(jié)論

綜上所述，從改善水流條件、保證引水能力、減少引渠淤積及清淤生態(tài)影響、對原有建筑影響來看，閘址前移方案明顯優(yōu)于原址重建方案；從地質(zhì)條件、施工工期、工程總投資來比較，原址拆除重建方案優(yōu)于閘址前移方案。綜合考慮閘址前移方案能減少渠道淤積、保證引水能力及后期管理運行方便等原因，推薦閘址前移方案。

4 結(jié) 語

通過數(shù)值模擬計算分析不同閘址方案水流流態(tài)，并綜合考慮地質(zhì)、清淤、環(huán)境、工程影響、施工工期及工程投資等因素，論證并確定涵閘改建方案，為涵閘改建工程閘址選擇提供了新的思路與方法，具有一定的創(chuàng)新性。