積美攔河閘壩樞紐工程布置方案研究

楊吉旺

(中山市水利水電勘測設(shè)計(jì)咨詢有限公司，廣東 中山 528400)

1 工程概況

吳川市積美攔河閘壩工程位于梅錄鎮(zhèn)以北5km處的鑒江干流上，為鑒江第五梯級攔河壩，于1990年投入使用，是一宗以排洪、灌溉、供水為主，結(jié)合航運(yùn)及公路交通的水利樞紐工程。經(jīng)過幾十年運(yùn)行，水閘老化失修，存在嚴(yán)重安全隱患，本次對該工程進(jìn)行拆除重建。重建工程等別為大(2)型工程，主要建筑物、水輪泵站、船閘閘首及閘室級別為2級，次要建筑物級別為3級，臨時(shí)建筑物級別為4級。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為50a一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為100a一遇。船閘通航按50噸船只設(shè)計(jì)。重建后閘孔總凈寬為225m，分15孔布置，單孔凈寬15m，設(shè)計(jì)泄洪流量4830m3/s(P=2%)，校核泄洪流量5337m3/s(P=1%)。閘室采用平底寬頂堰型，堰頂高程為-1.00m，閘室長度為22m。交通橋荷載標(biāo)準(zhǔn)按汽車荷載按公路-Ⅰ級設(shè)計(jì)，地震基本烈度為Ⅶ度。

根據(jù)地勘報(bào)告，水閘工程區(qū)地層自上而下為：第四系人工堆積(①-1拋石、①-2人工填砂)、第四系沖積層(②-1粉質(zhì)黏土、②-2中粗砂、②-4圓礫)、第四系殘積層(③殘積土)、震旦系變質(zhì)巖(④-1全風(fēng)化花崗片麻巖、④-2強(qiáng)風(fēng)化花崗片麻巖、④-3弱風(fēng)化花崗片麻巖)。閘室建基面土層為中粗砂，其下為花崗巖層，地基條件較好。

2 工程總布置方案比選

本次重建積美攔河閘主要建筑物有：船閘、深水閘、管理區(qū)、水輪泵站以及上下游導(dǎo)墻等建筑物。工程總體布置將根據(jù)工程選址處的地形、地質(zhì)、水流、施工、征地拆遷等條件以及各建筑物的功能、特點(diǎn)、運(yùn)用要求等確定，要求工程布置與鑒江兩岸大堤合理銜接，在形成整體防洪排澇體系的同時(shí)，做到布局合理、協(xié)調(diào)美觀，與其它水利工程組成有機(jī)的聯(lián)合體，共同發(fā)揮工程效益。

在可研階段成果的基礎(chǔ)上，經(jīng)進(jìn)一步分析，船閘的布置是關(guān)鍵，關(guān)系到整個(gè)水閘樞紐的整體布置。初設(shè)階段擬采用以下2個(gè)布置方案進(jìn)行比選：

方案一(船閘位于左岸)：從左岸到右岸分別為船閘、攔河水閘、管理區(qū)、水輪泵站。船閘布置于左岸，船閘右側(cè)為水閘，原船閘位置布置水輪泵站，管理區(qū)將水輪泵站及水閘分開。船閘上閘首布置于樞紐上游,下閘首及交通橋與水閘在同一軸線。布置方案見圖1。

圖1 方案一(船閘位于左岸)平面布置圖

方案二(船閘位于右岸)：沿用水閘現(xiàn)狀各建筑物的布置方式，從左岸到右岸分別為攔河水閘、水輪泵站、管理區(qū)和船閘。船閘布置于右岸，位于原船閘閘址，管理區(qū)將水輪泵站與船閘分開。由于上游受右側(cè)山體影響，為了滿足引航道的尺寸要求。船閘上閘首及交通橋布置與水閘在同一軸線，為了滿足下游引航道的尺寸要求，鑒江右側(cè)堤防需進(jìn)行退堤改建。布置方案見圖2。

圖2 方案二(船閘位于右岸)平面布置圖

以下分別從地形地質(zhì)條件、建筑物布置條件、水流條件、運(yùn)行管理?xiàng)l件、施工條件、征地拆遷條件、改擴(kuò)建條件及工程投資等方面對上述兩閘軸線方案進(jìn)行比較。

2.1 地形地質(zhì)條件

方案一地形開闊，有利于建筑物布置，船閘上、下閘首均座落于殘積土層，船閘閘室局部座落于砂層，但厚度較薄，地基沉降量較小。方案二地基為中粗砂層，厚度較薄，花崗巖層在較淺僅在-13m左右，地基沉降量小，上游導(dǎo)航段右側(cè)為山體。

從地質(zhì)條件來看，兩個(gè)方案的船閘工程地質(zhì)條件相近，沒有重大工程地質(zhì)問題，均具備修建船閘的工程地質(zhì)條件。從地形條件來看，方案一設(shè)計(jì)基坑底高程-2.20m(上下閘首)、-1.20m(船閘閘室)與現(xiàn)狀河底高程相差不大，但下游導(dǎo)航段現(xiàn)狀淤積較為嚴(yán)重，疏挖量較大。方案二船閘位于舊船閘處，由于舊船閘閘室高程接近3.00m，造成較大基礎(chǔ)開挖回填工程量，增加投資。從地形地質(zhì)條件來看，方案一略優(yōu)于方案二。

2.2 建筑物布置條件

方案一地形相對開闊，船閘上游導(dǎo)航段可布置相對較長，船只進(jìn)出閘比較暢順。方案二受上游山體影響，船閘上游導(dǎo)航段<1.5倍船長，需根據(jù)地形調(diào)整；下游受堤防影響，需對下游大堤進(jìn)行退堤以滿足船閘通行要求。船只進(jìn)出閘不夠暢順。從建筑物布置來看，方案一優(yōu)于方案二。

2.3 水流條件

通過MIKE21平面二維數(shù)學(xué)模型，以垂線平均的水流因素作為研究對象，模擬積美攔河閘計(jì)算河段的平面水位、流場及河床細(xì)部的變化情況，通過對水位、流速、流態(tài)以及沖淤情況等指標(biāo)進(jìn)行對比分析，預(yù)測水閘工程對河道流場和河床沖淤的影響，通過對各設(shè)計(jì)方案的流態(tài)、流場的變化情況的對比分析提出推薦的水閘設(shè)計(jì)方案[1]。

為了便于問題分析，在擬建工程附近及上下游河道共布設(shè)20個(gè)水位采樣點(diǎn)，其中水閘上游2km范圍內(nèi)布置10個(gè)水位采樣點(diǎn)，水閘下游2km范圍內(nèi)布置10個(gè)水位采樣點(diǎn)；在水閘閘孔處和水閘上下游100m范圍內(nèi)布置105個(gè)流速和沖淤厚度采樣點(diǎn)；采樣點(diǎn)位見圖3-4。

圖3 水位采樣點(diǎn)

圖4 流速及沖淤采樣點(diǎn)

1)水位

表1為兩個(gè)方案水閘上下游2km范圍內(nèi)各水位采樣點(diǎn)的水位，方案1閘上水位6.40m，方案2閘上水位6.48m，方案1閘上水位略低于方案2。

表1 各方案水位采樣點(diǎn)水位

續(xù)表1 各方案水位采樣點(diǎn)水位

2)流態(tài)

方案1P=2%的流場圖見圖5，方案2P=2%的流場見圖6。

圖5 方案一流場圖(P=2%)

圖6 方案二流場圖(P=2%)

從各方案的流場圖可以看出，兩方案主流均在河道中間，流態(tài)穩(wěn)定，流線平順，未出現(xiàn)旋渦等不利流態(tài)。表2為兩個(gè)方案水閘上下游100m范圍內(nèi)各采樣點(diǎn)流速和流向。從表中可以看出兩方案閘上、閘下流速以及過閘流和速流向差異不大。

表2 兩方案各采樣點(diǎn)流速和流向?qū)Ρ?/p>

3)沖淤

單次50a一遇洪水過程下，方案一、方案二水閘上下游沖淤情況見圖7、8，圖中紅色(淺色)為淤，藍(lán)色(深色)為沖。

圖7 方案一水閘上下游河床沖淤厚度圖

圖8 方案二水閘上下游河床沖淤厚度圖

設(shè)計(jì)工況下，由于閘下護(hù)坦的作用，單次洪水對水閘下游的沖淤影響不大，各設(shè)計(jì)方案閘下沖淤程度基本一致，最大沖淤厚度0.03m。方案1中，左岸船閘上游建有導(dǎo)流墻，岸坡附近水流流速小，水流對水閘上游左岸的沖刷程度<方案2。

綜上，從水流條件來看，方案一優(yōu)于方案2。

2.4 運(yùn)行管理?xiàng)l件

方案一船閘布置在左岸，可在左岸單獨(dú)布置管理房，與水閘分開管理，功能分區(qū)明確，運(yùn)行管理靈活。方案2船閘布置于原位置，需與水閘共用生產(chǎn)生活管理區(qū)，有利于整個(gè)水閘樞紐的管理。從運(yùn)行管理來看，方案1與方案2各有利弊，不分上下。

2.5 施工條件

方案一船閘與水閘左側(cè)6孔閘孔均為一期施工，平衡了二期施工的工期壓力。方案2在舊船閘位置施工，船閘需整體布置在下游，施工圍堰較大。從施工條件來看，方案1優(yōu)于方案2。

2.6 征地拆遷條件

方案二船閘位于右岸，下游堤防需退堤改建，涉及征地拆遷。從征地拆遷條件來看，方案一優(yōu)于方案2。

2.7 改擴(kuò)建條件

方案1船閘布置在左岸，船閘左側(cè)及與大堤之間留有足夠空間，為船閘改擴(kuò)建提供條件。方案2船閘布置于右岸，右側(cè)受用地紅線及堤防的限制，左側(cè)為管理區(qū)，船閘改擴(kuò)建需要退堤，新增用地。難度較大。從改擴(kuò)建條件來看，方案一優(yōu)于方案2。

2.8 工程投資比較

方案1總投資約4.395億元，方案2總投資約4.253億元。方案2由于上下游引航段擋墻與右岸擋土墻結(jié)合在一起，投資稍少于方案1。因此，從工程投資角度比較，方案2略優(yōu)于方案1。

通過以上技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，綜合考慮地形地質(zhì)、建筑物布置、水流條件、運(yùn)行管理、施工條件、征地拆遷條件、改擴(kuò)建條件及工程投資等因素，擬推薦方案1(即船閘位于左岸的布置方案)為推薦方案，水閘樞紐布置從左岸到右岸依次為船閘、攔河水閘、管理區(qū)、水輪泵站。目前，該方案已經(jīng)通過上級有關(guān)部門的審批[2]。

3 結(jié) 語

閘壩工程的合理布置是水利樞紐工程設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)問題，針對積美攔河閘壩水利樞紐工程，提出兩種布置方案，并對方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較，最終選擇船閘位于左岸的布置方案為推薦方案，并提出以下幾點(diǎn)建議，可供類似工程借鑒與參考。

1)閘壩樞紐布置應(yīng)根據(jù)閘址地形、地質(zhì)、水流等條件，以及各建筑物功能、特點(diǎn)、施工、運(yùn)用要求等確定。做到緊湊合理、協(xié)調(diào)美觀，組成整體效益最大的有機(jī)聯(lián)合體。樞紐布置要盡量避免或減輕對周圍環(huán)境的不利影響，并充分發(fā)揮有利的影響，使樞紐的外觀與周圍環(huán)境相協(xié)調(diào)。如方案二需要退堤，對周邊影響較大，施工難度較大，不宜采用。

2)水閘樞紐是以水閘為主的水利樞紐，因此一般以水閘居中布置，具有通航、發(fā)電或抽水灌溉作用的船閘、泵站或水電站等其他建筑物原則上“宜靠岸布置”。船閘不宜與泵站或水電站布置在同一岸側(cè)。如本工程方案一船閘與水輪泵站分居水閘左右側(cè)，比較適宜。

3)水閘樞紐的布置，可采用數(shù)學(xué)模擬方法進(jìn)行水流流態(tài)分析研究確定。水流流態(tài)復(fù)雜的大型水閘樞紐的布置，應(yīng)經(jīng)水工模型試驗(yàn)驗(yàn)證。數(shù)學(xué)模擬或水工模型試驗(yàn)范圍應(yīng)包括水閘上、下游可能產(chǎn)生沖淤及流態(tài)復(fù)雜的河段。如本工程采用MIKE21平面二維數(shù)學(xué)模型，模擬了積美攔河閘計(jì)算河段的平面水位、流場及河床細(xì)部的變化情況，通過對水位、流速、流態(tài)以及沖淤情況等指標(biāo)進(jìn)行對比分析，預(yù)測水閘工程對河道流場和河床沖淤的影響。