零影響改造中泄洪建筑物方案的比選分析

隋 昕，龐 正，謝 忱

(1.山東省調(diào)水工程運(yùn)行維護(hù)中心膠州管理站，山東 膠州 266300；2.山東省調(diào)水工程運(yùn)行維護(hù)中心博興管理站，山東 博興 256500)

1 零影響改造原因調(diào)查

既有水利樞紐工程隨著使用時間增加會伴隨各種病害的產(chǎn)生[1]，大沽河樞紐自1989年建立以來已經(jīng)持續(xù)運(yùn)行了30余年。如今設(shè)備設(shè)施老化、安全隱患陡增、效能持續(xù)減弱的情況屢見不鮮，樞紐工程極大程度上影響著灌區(qū)人民生活質(zhì)量，改造工作迫在眉睫，在不影響輸水工程正常輸水的情況下實行最優(yōu)方案的改造是“零影響”改造的本質(zhì)意義[2-4]。該樞紐工程處在膠州市東北，與王珠鄉(xiāng)小高村相距20km，具體來看，坐落于大沽河輸水河設(shè)計里程241+399處。由于該項工程是引黃濟(jì)青工程中的輸水樞紐工程，修建時各環(huán)節(jié)安裝頗為完善，主要包含閘門、壩址、交通橋、水渠和涵洞。此外，倒虹是閘門和交通橋的基礎(chǔ)，在該樞紐中扮演主要角色。近年來，管理人員在調(diào)水樞紐運(yùn)行期間觀察發(fā)現(xiàn)了該樞紐站存在不同程度的老化、損壞等問題[5]。

1.1 倒虹吸現(xiàn)狀調(diào)查及質(zhì)量問題分析

1.1.1現(xiàn)狀調(diào)查

大沽河倒虹吸長度總共444m，整體使用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)澆筑而成，管身形狀為箱型，凈空尺寸為2.75m×2.75m，整個倒虹吸被分為23節(jié)且每節(jié)都設(shè)置成兩孔形式。管底高程深淺不一，灘地段、泄洪閘段和沖砂閘段高程分別是3.09、1.35、0.55m，倒虹出口處管底高4.48m。管身三段分，斜管連接位置處在第15和第20節(jié)；岔管段位于第23節(jié)，在此處匯合有無壓引水箱涵，該引水箱涵穿過大沽河左岸。

1.1.2質(zhì)量問題分析

20年來，倒虹吸一直維持深水狀態(tài)，供水期與非供水期水深相差不過1m左右。每逢大沽河豐水期，河水直滲使得倒虹涵洞難以負(fù)荷而造成漏水現(xiàn)象，這在近幾年來已經(jīng)成為屢見不鮮的狀況。上游采砂，下游河床降低，倒虹涵洞由此變成攔截河水的堤壩，迅猛的河水日夜沖擊著倒虹，不僅影響著倒虹壽命，還存在非常大的安全隱患，急需實行加固改造措施防止事故產(chǎn)生。團(tuán)隊無法對常年積水的倒虹內(nèi)部進(jìn)行混凝土抗壓強(qiáng)度檢測，此次檢測只針對表面和進(jìn)出口的混凝土。僅對外部做現(xiàn)場調(diào)研和質(zhì)檢已經(jīng)能夠判定該倒虹早已不符合規(guī)范對其質(zhì)量的約束，應(yīng)抓緊完成維修加固工作[6]。

1.2 泄洪閘、沖砂閘、引水閘現(xiàn)狀問題調(diào)查及質(zhì)評分析

泄洪、沖砂和引水三個閘門混凝土材料使用已達(dá)20余年，質(zhì)量老化程度較高，此外，咸水沖刷致使混凝土碳化加快成為主要質(zhì)量成因[7]。除材料本身問題，沖刷造成的建筑物損壞也相繼產(chǎn)生，我們將此次調(diào)查做了系統(tǒng)性整理，見表1。

表1 閘門現(xiàn)狀問題及質(zhì)評分析表

1.3 交通橋現(xiàn)狀調(diào)查及質(zhì)量問題分析

1.3.1現(xiàn)狀情況調(diào)查

調(diào)查發(fā)現(xiàn)交通橋?qū)儆陔p柱空心板型橋梁，上部結(jié)構(gòu)高程9.5m，橋梁長、寬分別為200、4.5m。

該交通橋梁連接河流兩岸兩個主要經(jīng)濟(jì)體，流量大，荷載大是該交通橋最大特征。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，橋梁附屬設(shè)施破損嚴(yán)重，護(hù)輪帶未安裝，欄桿多處缺失。橋梁下部結(jié)構(gòu)受損嚴(yán)重，大面積混凝橋墩混凝土出現(xiàn)脫落和裂縫狀況，不少地方可見明顯漏筋，病害嚴(yán)重[4]。

1.3.2交通橋質(zhì)量問題解讀

根據(jù)JTG H11—2004《公路橋涵養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范》和其他相關(guān)規(guī)范，大沽河交通橋技術(shù)狀況類別為五類橋梁，大面積的混凝土質(zhì)量問題是橋梁質(zhì)量過保的征兆，該橋梁已經(jīng)無法滿足質(zhì)量安全要求，需立即進(jìn)行改建或者拆除重新修建。

2 泄洪建筑物方案比選

上游采砂是引起此處河床下切的主要因素，該段河床下降高達(dá)2m，已對工程造成嚴(yán)重威脅。由于大拆大建會影響甚至中斷引黃濟(jì)青工程正常輸水，所以本次改建理念為“零影響下的微改造”。零影響要求不對現(xiàn)有輸水現(xiàn)狀造成威脅，這是本次改造的硬要求。拆除現(xiàn)狀倒虹吸管所需工期長，水利狀況不確定因素很多，由此產(chǎn)生的措施項目費(fèi)和損失不可估量，故此次按照保留原倒虹吸現(xiàn)狀，維持現(xiàn)有閘門底板高低的原則實施。關(guān)于閘門混凝土侵蝕、閘門裂縫和局部漏水問題，考慮工期長短帶來的額外經(jīng)濟(jì)收益和損失，我們按照“保持機(jī)構(gòu)體系不變，微調(diào)電器設(shè)備”的更新原則進(jìn)行，即只針對上下游翼墻、護(hù)坡和護(hù)底的塌陷問題加以穩(wěn)固和維修，不做傾覆式的大拆大建。但即使是“針灸式”的改造也涉及到方案最優(yōu)化的問題，選擇合適且創(chuàng)新性的方案更有利于后期工程的實施。文章通過對優(yōu)缺點(diǎn)分析和各方案可比項投資的比較最終確定了一個原則下可行的最佳方案[8-9]。

2.1 (方案一)新建橡膠壩及交通橋

新建3孔橡膠壩，中墩邊墩分別按照2個設(shè)計，橡膠壩壩孔按照33.5m設(shè)計，如圖1所示。將原有沖砂閘用于調(diào)節(jié)橡膠壩，設(shè)為調(diào)節(jié)閘。拆舊橋，建新橋。重新修建交通橋，將橋面與堤壩等高設(shè)計，這樣設(shè)計好處在于汛期能夠保證人員、車輛安全，徹底解決危橋風(fēng)險。

圖1 橡膠壩平面示意圖

優(yōu)點(diǎn)：橡膠壩在汛期不阻水，可保證大沽河在汛期的正常泄洪，徹底規(guī)避人流和車流安全風(fēng)險，減小倒虹損害。新建橋梁比起加固橋梁更為容易，屬于投資最低的新建橋方案。

缺點(diǎn)：由于材質(zhì)原因，橡膠壩耐久性大大低于鋼閘門。

2.2 (方案二)新建泄洪閘(鋼閘門)及交通橋

交通橋新建同方案一，橋面高程按照13.8m修建，不同的是方案二注重對泄洪閘的新建。按照10孔(2.8m×9.6m)閘門規(guī)模新建開敞式鋼筋混凝土泄洪閘，閘門室、閘門底板和閘門分別按照105.7m×6.7m×5m的規(guī)模建設(shè)，擋水位設(shè)置為7.5m高，如圖2所示。此外還將設(shè)計工作閘門，閘門頂部安裝機(jī)房和機(jī)架橋。

圖2 鋼閘門新建橋方案橫剖面示意圖

優(yōu)點(diǎn)：從根本上解決河流泄洪問題，建筑物將來維護(hù)更加方便，安全度更高，耐久性能更好，施工難度小于加固工程。

缺點(diǎn)：投資高，違背改造原則。

2.3 (方案三)泄洪閘(翻板門)與交通橋重建

拆除泄洪閘，重新修建翻板閘門(液壓控制型)。孔洞按照10孔布置，其中每道孔均設(shè)置5m×2.5m翻板閘門兩道，底板高程為5m，擋水水位為7.5m，泄洪閘寬度設(shè)置為10m，如圖3所示。交通橋新建，同方案一。

圖3 翻板門新建橋方案橫剖面示意圖

優(yōu)點(diǎn)：投資少(投資在新建橋方案里居中)，結(jié)構(gòu)簡單，施工難度小，工期短，耐久性好。

缺點(diǎn)：翻板門涉及到埋件安裝、支墩安裝和混凝土門體框架安裝，精度要求非常高，埋件和支墩安裝偏差都要求不大于2mm。目前對于翻板門技術(shù)仍然處于初步階段，安裝困難較高，很難達(dá)到要求，技術(shù)路線還不夠完備，仍然需要探索、創(chuàng)新來完善技術(shù)，保證技術(shù)可靠性。近期試驗表明，當(dāng)下翻板門的連桿軸和滾輪軸極易因上游泄洪的異物造成卡殼，異物卡殼會導(dǎo)致行洪困難，嚴(yán)重威脅防洪構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，位于水下的液壓推桿在水下時間會更長，損壞幾率會更大[10]。不僅如此，當(dāng)遇到不利水流時，晃動會導(dǎo)致翻板閘門直接破裂，泄洪狀態(tài)下翻板閘門阻水現(xiàn)象顯著。

2.4 (方案四)合二為一，新建泄洪閘并加固成交通高橋

新建鋼閘門作為泄洪閘，與方案二雷同。依舊按照開敞式泄洪閘修建，閘門采用鋼制閘門，尺寸規(guī)格如圖2所示。與方案二相同，依然設(shè)計一道工作閘門，閘門頂部安裝機(jī)房和機(jī)架橋。全盤更新交通橋上部附屬結(jié)構(gòu)，拆除原病害梁板并重新更新為混凝土預(yù)制蓋梁與橋板，橋面高程13.8m，位于原高程之上，排除漫水威脅。橋面系跨度設(shè)計20m，材質(zhì)使用裝配式混凝土材質(zhì)，減緩河水腐蝕。

其中，進(jìn)口段與出口段分別按照長度為215.4m和158.5m設(shè)計，大橋全長564.9m，包含4段彎道，如圖4所示。

圖4 鋼閘門加固橋方案橫剖面示意圖

優(yōu)點(diǎn)：從根本解決大沽河泄洪困難的問題，鋼制閘門優(yōu)勢明顯，高耐久性和高安全性，后期維護(hù)更加方便。

缺點(diǎn)：交通橋梁加固難度大，對原橋梁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)有較大的承重要求，施工技術(shù)特殊。橋梁高程需要加高，但是加高后的橋梁抗震性能會降低，車輛行駛與洪水沖擊引起的震動會輻射到倒虹對其造成危害。加固橋梁能增加原有結(jié)構(gòu)的利用率，但調(diào)查顯示橋梁下部結(jié)構(gòu)病害嚴(yán)重，難以支撐上部的加固工作，此外，4個彎道段更加大了加固工作的難度，增加了措施項目費(fèi)用[9]。

2.5 (方案五)重建液壓泄洪閘(翻板門)，加固為交通高橋

按照10孔設(shè)計，孔間跨度10m，重建立、液壓控制翻板門泄洪閘門。每個孔都設(shè)置5m×2.5m的翻板閘門兩扇，根據(jù)歷年洪水水位線高度，將擋水水位增高至7.5m以保證橋面安全。

交通橋加固方案同方案四，全盤更新交通橋上部附屬結(jié)構(gòu)，著重安裝橋面路燈和落水管，拆除原病害梁板并重新更新為混凝土預(yù)制蓋梁與橋板，橋面高程13.8m，位于原高程之上，排除漫水威脅。進(jìn)口段與出口段分別按照長度為215.4m和158.5m設(shè)計，大橋全長564.9m，包含4段彎道，如圖5所示。

圖5 翻板門加固橋方案橫剖面示意圖

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，施工過程難度較小。

缺點(diǎn)：技術(shù)未落地，主要技術(shù)困難未突破。

2.6 (方案六)新建泄洪閘(鋼閘門)，加固漫水交通橋

新建閘門，依舊按照開敞式鋼混結(jié)構(gòu)修建泄洪閘，閘門使用鋼制閘門，如圖6所示，孔洞共計10個，尺寸均為9.6m×2.7m，閘室寬度設(shè)計為105.7m寬，閘門底板長度為6.8m，高程依舊保持原有高程，堰型選取平底寬頂堰。按照要求設(shè)置工作閘門，閘門頂部根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求布置機(jī)架橋和啟閉機(jī)房。原橋梁梁板和橋板均拆除后新建，新建橋梁依然保持9.5m高度要求。

圖6 鋼閘門加固漫水橋方案橫剖面示意圖

優(yōu)點(diǎn)：最大程度解決大沽河泄洪問題，后期維護(hù)方便，維護(hù)使用費(fèi)用降低，泄洪閘耐久性和功能都大幅度提高。

缺點(diǎn)：橋梁加固是一項高風(fēng)險工程，不僅難度大，而且原有橋梁危險程度已經(jīng)超越規(guī)范規(guī)定的底線要求，這對后期加固工作是一個很大威脅；加固橋梁無法徹底解決“漫水橋”現(xiàn)狀和交通橋因為運(yùn)維階段的震動對倒虹造成的危害。此外，橋梁加固依然未根治漫水橋的危害，漫水橋在汛期對相關(guān)管理人員和橋上車輛安全構(gòu)成極大生命財產(chǎn)威脅。

2.7 (方案七)重建液壓泄洪閘(翻板門)，加固漫水交通橋

加固漫水橋方案同方案六，不拆除，根據(jù)現(xiàn)有調(diào)研報告對橋梁進(jìn)行加固處理，更新上部結(jié)構(gòu)，保持橋面高度為9.5m。泄洪閘門重建使用液壓控制型翻板門，泄洪閘寬度保持10m，孔洞數(shù)量以及規(guī)格同其余方案中液壓控制翻板門規(guī)格尺寸，如圖7所示。

圖7 翻板門加固漫水橋方案橫剖面示意圖

優(yōu)點(diǎn)：翻板門結(jié)構(gòu)簡單可靠，造價低廉，泄洪閘重建施工相對簡單，節(jié)約工期，不會對現(xiàn)有引水工程造成較大影響。

缺點(diǎn)：翻板門技術(shù)要求較高，規(guī)范明確要求安裝精度偏差小于2mm，目前安裝方法不足以滿足這樣的高精度要求，仍然需要探索、創(chuàng)新來完善技術(shù)，保證技術(shù)可靠性。近期試驗表明，當(dāng)下翻板門的連桿軸和滾輪軸極易因上游泄洪的異物造成卡殼，不僅如此，當(dāng)遇到不利水流時，晃動會導(dǎo)致翻板閘門直接破裂，泄洪狀態(tài)下翻板閘門阻水現(xiàn)象顯著。即使對橋梁進(jìn)行加固也不能阻止汛期洪水漫過交通橋，不能保證汛期人員安全。

2.8 (方案八)更換泄洪閘翻板門，新建交通橋

與其他方案不同，方案八將原有漫水橋保留作為工作橋來更換泄洪閘門，泄洪閘孔寬度設(shè)計10m，共計10個孔洞，每個孔洞設(shè)計5m×2.5m的翻板閘門兩道，擋水水位和底板高程與上述翻板閘門方案相同，均為7.5m和5m。交通橋新建，但橋面高程為13.59m。

優(yōu)點(diǎn)：①大面積維持工程現(xiàn)有狀態(tài)，比較充分保證現(xiàn)有水資源被引用。②新建交通橋，橋面保證順直，施工難度較小，橋梁耐久性好。橋面高程與堤壩平齊以保證汛期防洪和調(diào)水工作的正常進(jìn)行，保障管理人員和橋上車輛安全，徹底防止震動對倒虹造成危害。

缺點(diǎn)：翻板門阻水問題未解決。

3 結(jié)論

大沽河樞紐泄洪建筑物在“零影響”改造的大前提下衍生了上述8個可行方案，這8個方案在成本、技術(shù)和安全等方面的比較下，權(quán)衡水資源利用和引黃濟(jì)青工程等各方面因素本次推薦使用方案八，即維持工程現(xiàn)狀，更換翻板門和新建交通橋方案。

方案八優(yōu)于其余方案主要體現(xiàn)在投資數(shù)目相對較小和現(xiàn)狀維持明顯兩方面。其一，對比觀察表2中投資比較表可見方案八(更換泄洪閘翻板門，新建交通橋)在建筑工程投資項中屬8個方案中最低。此外，通過比較8個方案中前3項的投資合計數(shù)額后發(fā)現(xiàn)第八個方案在建筑、金屬結(jié)構(gòu)和機(jī)電設(shè)備中的投資遠(yuǎn)小于其他7個方案。8個方案中，只有方案八在機(jī)電設(shè)備中的投資為零。其二，上述對8個方案的優(yōu)缺點(diǎn)分析中，雖然方案八、方案六、方案四和方案二都具備正常的泄洪能力、安全的運(yùn)維條件、便捷的維護(hù)流程和高質(zhì)量高耐久的泄洪閘門，但只有方案八能維持工程現(xiàn)狀并充分引用大沽河現(xiàn)有水資源。通過對工程現(xiàn)狀及病險問題進(jìn)行分析，對包含閘門和交通橋等防洪建筑物進(jìn)行排險加固改造，使樞紐能夠恢復(fù)正常運(yùn)行，充分發(fā)揮引黃濟(jì)青工程的現(xiàn)實性作用，穩(wěn)固灌溉區(qū)人民群眾的經(jīng)濟(jì)增長。實踐證明，這樣的更新改造可以將投資發(fā)揮到最優(yōu)，增效顯著[11]。

表2 各方案可比項投資比較 單位：萬元