石角咀水閘樞紐布置方案研究

賀小康

(廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510635)

1 工程概況

石角咀水閘位于中珠聯(lián)圍末端、前山水道的出?？诘貐^(qū)(珠海和澳門界上)，是一宗以擋潮、御咸、排水、航運(yùn)為主要任務(wù)的大型水閘樞紐工程，水閘總凈寬為161 m，其中舊閘凈寬為121 m、新閘凈寬為40 m；船閘凈寬約為14 m，設(shè)計(jì)通航船舶噸級為500 t，現(xiàn)狀處于斷航狀態(tài)，水閘管理房位于江心洲上；該閘與圍內(nèi)的洪灣、廣昌、大涌口閘聯(lián)合排水，水閘歸中山市運(yùn)行管理。2019年7月，經(jīng)安全鑒定該閘被評定為4類閘，需拆除重建，現(xiàn)狀水閘樞紐衛(wèi)星示意見圖1。

圖1 現(xiàn)狀水閘樞紐衛(wèi)星示意

石角咀水閘重建工作具體由珠海市實(shí)施，擬建新閘主要建筑物包括攔河水閘、船閘、泵站、市政橋及兩岸連接道路等。樞紐布置從右至左依次為10孔水閘總寬度為145 m、排澇泵站總寬度為29.20 m、江心洲總寬度為34.05 m、5孔水閘總寬度為72.8 m及船閘下閘首總寬為30 m。市政橋布置在水閘的上游，市政橋與兩岸連接公路總長約為1.1 km。水閘管理所仍位于江心洲現(xiàn)水閘管理所的位置不變。船閘管理所位于船閘下閘首左岸。水閘樞紐布置方案見圖2。

圖2 水閘樞紐布置方案示意

2 水閘樞紐布置

2.1 設(shè)計(jì)思路及基本原則

1) 滿足工程功能、特點(diǎn)和運(yùn)用要求。

2) 根據(jù)閘址區(qū)地形地質(zhì)條件、水流條件、原有建筑物布置情況，協(xié)調(diào)與水閘、通航、施工導(dǎo)流建筑物之間相互的關(guān)系，保證結(jié)構(gòu)可靠、運(yùn)行安全，并盡可能做到施工方便、占地拆遷少、節(jié)約工程投資、管理靈活方便[3]。

3) 充分考慮施工條件和施工場地布置條件等。

4) 建筑物布置應(yīng)結(jié)合城市遠(yuǎn)景規(guī)劃布局，兼顧近期各方面需求。

5) 閘址宜選擇在地形開闊、岸坡適宜、有利于工程布置的地點(diǎn)；應(yīng)盡量選在交通方便和靠近電源的地方，以便機(jī)械設(shè)備、建筑材料的運(yùn)輸和架設(shè)輸電線路[4-5]。

6) 市政路橋(國防公路)穿過水閘閘頂，考慮到兩岸用地及連接情況，本工程按照“先定市政路橋線位，再定水閘閘址”的原則。受兩岸道路銜接影響，市政橋線位為現(xiàn)狀水閘中心線處。

2.2 水閘布置方案研究

2.2.1水閘閘軸線擬定

現(xiàn)狀閘址河道總寬約為310 m(含江心洲約35 m)，港珠澳大橋珠海連接線上游前山水道總河寬約為580 m，下游前山水道河口總寬約為210 m。根據(jù)行洪過流、控制內(nèi)江水位壅高和船閘通航等要求，水閘樞紐結(jié)構(gòu)總寬為276 m，須避開較窄的水道，閘軸線不能選取在前山水道河口處。作為擋潮閘，石角咀水閘肩負(fù)著擋潮、防止外江暴潮進(jìn)入圍內(nèi)的任務(wù)，閘軸線宜選擇在岸線穩(wěn)定、泓灘沖淤變化較小的潮汐河口附近。受市政路橋線位影響，在現(xiàn)狀閘址下游200 m的范圍內(nèi)進(jìn)行閘軸線比選。水閘閘軸線初步擬定上、下2條閘軸線進(jìn)行比較。

上閘線：原址重建，即位于原閘址下游約25 m處，緊鄰新建市政橋布置在其下游。

下閘線：移址重建，即位于原閘址下游約125 m處。閘軸線位置示意見圖3。

圖3 閘軸線位置示意

2.2.2水閘閘軸線比選

根據(jù)本工程主要任務(wù)，2方案均采用相同的規(guī)模及建筑物布置形式，各方案主要建筑物形式及規(guī)模如下。

1) 上閘線方案

上閘線新建市政橋與水閘緊鄰布置，市政橋與水閘結(jié)構(gòu)間設(shè)永久縫，結(jié)構(gòu)上彼此獨(dú)立。上閘線閘橋鄰建方案總布置：攔河閘共布置15孔胸墻式泄水閘，每孔凈寬為12.00 m，總凈寬為180.00 m，水閘總寬度為217.80 m。攔河閘采用寬頂堰的形式，堰頂高程基本與河床齊平，水閘堰頂高程取-3.50 m。樞紐布置從右至左依次為10孔水閘總寬度為145.00 m、排澇泵站擋潮閘總寬度為29.20 m、江心洲總寬度為34.05 m、5孔水閘總寬度為72.80 m及船閘下閘首總寬為30 m。市政橋緊靠水閘閘室布置在其上游。閘頂檢修橋右岸與珠海情侶路南段直接相連，左岸接連至新建的市政橋。上閘線(閘橋鄰建)剖面示意見圖4。

圖4 上閘線(閘橋鄰建)剖面示意

2) 下閘線方案

下閘線方案為移址重建、閘橋分建方案，新建市政橋位于原水閘處，新建水閘往下游移125 m。方案總布置：攔河閘共布置15孔胸墻式泄水閘，每孔凈寬為12.00 m，總凈寬為180.00 m，水閘總寬度為217.80 m。攔河閘采用寬頂堰的形式，堰頂高程基本與河床齊平，水閘堰頂高程取-3.50 m。樞紐布置從右至左依次為10孔水閘總寬度為145.00 m、排澇泵站擋潮閘總寬度為29.20 m、江心洲總寬度為34.05 m、5孔水閘總寬度為72.8 m及船閘下閘首總寬為30 m。市政橋布置在水閘閘室上游100 m處。閘頂檢修橋左右岸均連接邊界巡邏道。下閘線(閘橋分建)剖面示意見圖5。

3) 閘軸線比選

從地形地質(zhì)條件、水流條件、施工條件、工程布置及運(yùn)行管理、工程投資等方面因素，對閘軸線方案進(jìn)行比較(見表1)。

由表1可見，下閘線方案需要增加右岸邊坡開挖支護(hù)及地基換填，建筑工程投資較上閘線增加約1 492萬元，推薦上閘線方案。

圖5 下閘線 (閘橋分建)剖面示意

表1 上、下閘線比選

2.3 應(yīng)急泵站布置方案研究

石角咀水閘新建泵站，結(jié)合廣昌水閘改擴(kuò)建工程(增設(shè)抽水泵站)、廣昌涌沙心涌內(nèi)堤加高工程等，形成前山河珠海境內(nèi)統(tǒng)一的調(diào)度體系，以增加水動(dòng)力，提高前山河水體交換能力，增加前山河流域水環(huán)境容量。泵站施工時(shí)需開挖深基坑，且泵站運(yùn)行時(shí)有噪聲，為了減小其對周邊房屋及居民的影響，泵站宜靠江心洲側(cè)布置，因此，泵站站址擬定2個(gè)方案，即左站址和右站址(見圖6)。

左站址方案：位于江心洲左側(cè)，從右岸到左岸以此為12孔水閘(單孔凈寬為12 m)、江心洲、泵站、3孔水閘(單孔凈寬為12 m)、船閘等。

右站址方案：位于江心洲右側(cè)，從右岸到左岸以此為10孔水閘(單孔凈寬為12 m)、泵站、江心洲、5孔水閘(單孔凈寬12 m)、船閘等。

圖6 泵站擬選站址示意

從地形地質(zhì)條件、施工條件、水力學(xué)條件等方面因素，對站址方案進(jìn)行比較。

1) 地形地質(zhì)條件

左、右站址地形地質(zhì)條件對比見表2。

2) 施工條件

左、右站址施工條件對比見表3。

表2 左、右站址地形地質(zhì)條件對比

表3 左、右站址施工條件對比

3) 水力學(xué)條件

結(jié)合前期研究成果，分別從泄流流態(tài)、孔中流速、分流比、上游水位、上游允許最大通航流量、與現(xiàn)狀水閘分流比對比等多方面進(jìn)行比較。

① 泄流流態(tài)對比

通過模型試驗(yàn)了解泄流流態(tài)，并為工程設(shè)計(jì)提供優(yōu)化建議[6-7]。水閘下泄流量Q=1 625.27 m3/s時(shí)，左站址方案泵站阻水嚴(yán)重，進(jìn)水池處形成漩渦，同時(shí)將水流挑向左岸船閘處，通過水閘下泄后靠近江心洲處水流紊亂，水流整體流態(tài)呈“S”型；右站址整體泄流流態(tài)好于左站址方案，且右站址左右汊上下游流速分布也明顯較好(左、右站址泄流流態(tài)分別見圖7～圖8)。

圖7 左站址泄流流態(tài)示意

圖8 右站址泄流流態(tài)示意

② 孔中流速對比

水閘下泄流量Q=1 625.27 m3/s時(shí)，左站址方案孔中流速最大為2.71 m/s，出現(xiàn)在左側(cè)3孔水閘中間孔；右站址方案孔中流速最大為2.09 m/s，出現(xiàn)在左側(cè)5孔水閘靠江心洲第2孔中。從所有閘孔流速分布來看，右站址方案閘中流速分布相對均勻。左、右站址孔中流速對比見表4。

表4 左、右站址孔中流速對比 m/s

③ 分流比對比

水閘下泄流量Q=1 625.27 m3/s時(shí)，左站址方案左汊分流比為26%，右汊分流比為74%，左汊∶右汊=2.6∶7.4；右站址方案左汊分流比為34%，右汊分流比為66%，左汊∶右汊=3.4∶6.6。左、右站址分流比對比見表5。

表5 左、右站址分流比對比

④ 上游水位對比

水閘下泄流量Q=1 625.27 m3/s，下游水位1.36 m時(shí)，左站址方案左汊上游水位為1.60 m，右汊上游水位為1.53 m，左汊水位比右汊水位高7 cm；右站址方案左汊上游水位為1.54 m，右汊上游水位為1.48 m，左汊水位比右汊水位高6 cm。左站址方案上游水位均比右站址高，左右汊水位差也高1 cm。左、右站址上游水位對比見表6。

⑤ 上游允許最大通航流量對比

針對泵站右側(cè)布置體現(xiàn)出來的水力學(xué)優(yōu)勢條件，前期研究寄希望通過優(yōu)化閘門調(diào)度提高泵站右側(cè)布置方案上游運(yùn)行最大通航流量。

表6 左、右站址上游水位對比

閘門控泄時(shí)，基本可以通過閘門調(diào)度，使右站址方案上游運(yùn)行最大通航流量與左站址布置保持一致(其中，上游水位為0.6 m、下游水位為-0.46 m和0.0 m時(shí)，允許的左右汊閘門開度最大差值為0.8 m。上游水位為1.14 m、下游水位為-0.46 m和0.0 m時(shí)，允許的左右汊閘門開度最大差值為0.4 m；上游水位為1.14 m、下游水位為0.6 m時(shí)，允許的左右汊閘門開度最大差值為0.8 m)。

閘門敞泄、上游最高通航水位情況下，右站址方案中，船閘上游口門區(qū)所在的左汊5孔過流量明顯增加，需在滿足船閘上游口門區(qū)通航要求情況下，樞紐整體泄流量將相應(yīng)的降低。

通過優(yōu)化閘門調(diào)度，右站址方案上游運(yùn)行最大通航流量可提高至800 m3/s，與左站址布置方案相差不大。左、右站址上游允許最大通航流量對比見表7。

表7 左、右站址上游允許最大通航流量對比

⑥ 現(xiàn)狀與工程后左右汊分流比試驗(yàn)對比

現(xiàn)狀情況下，左汊設(shè)8孔、凈寬為5 m的泄水閘，右汊設(shè)38孔、凈寬為2.9 m泄水閘以及1孔、凈寬為7 m的過船孔。左站址方案，左汊設(shè)3孔、凈寬為12 m的泄水閘，右汊設(shè)12孔、凈寬為12 m的泄水閘。右站址方案，左汊設(shè)5孔、凈寬為12 m的泄水閘，右汊設(shè)10孔、凈寬為12 m的泄水閘。

洪水Q=1 625.27 m3/s，現(xiàn)狀情況下，試驗(yàn)測得左側(cè)過流量約為488 m3/s，右汊過流量約為1 138 m3/s，分流比為3∶7。左站址方案，試驗(yàn)測得左右汊分流比為2.6∶7.4，左汊分流量略小于現(xiàn)狀情況，右汊分流量略大于現(xiàn)狀情況。右站址方案，試驗(yàn)測得左右汊分流比為3.4∶6.6，左汊分流量略大于現(xiàn)狀情況，右汊分流量略小于現(xiàn)狀情況?，F(xiàn)狀與工程后左右汊分流比試驗(yàn)對比見表8。

表8 現(xiàn)狀與工程后左右汊分流比試驗(yàn)對比

4) 比選結(jié)論

從地形地質(zhì)條件來看，左右站址相近；從施工條件來看，左站址對1期工程防洪度汛壓力小。

從閘孔泄流流態(tài)、樞紐上下游河勢分布、上游水位壅高、閘孔過流均勻性、左右汊分流比、現(xiàn)狀與設(shè)計(jì)方案左右汊分流比對比等水力學(xué)條件來看，泵站右閘址方案優(yōu)于左閘址方案。

在上游正常蓄水位和最高蓄水位情況下，可以通過調(diào)節(jié)左右汊閘門開度，基本能保證右站址布置允許的最大泄流量與左站址布置一致，但在最高通航水位下，右站址上游船閘通航允許的最大流量降低約 200 m3/s。同時(shí)，左站址泵站運(yùn)行時(shí)，改變了船閘下游航道流速，對船閘安全通航有影響。

綜上對比，推薦泵站右站址方案。

2.4 船閘布置方案研究

船閘宜臨岸布置，不應(yīng)布置在緊鄰的溢流壩、泄水閘、電站等兩過水建筑物之間，且與以上建筑物之間，必須有足夠長度的隔流堤或隔流墻[8-9]。樞紐泄水時(shí)，應(yīng)滿足船閘引航道口門區(qū)和連接段的通航水利條件。船閘布置是樞紐安全運(yùn)行的根本和關(guān)鍵[10]，本工程江心洲寬度較窄且上下游地面較低，受航跡線要求，船閘不宜布在江心洲兩側(cè)，應(yīng)布置在河床的左右岸。

石角咀船閘上游1 km范圍內(nèi)共有3座跨河大橋，由上游往下游依次為昌盛大橋、廣珠輕軌大橋及港珠澳前山河特大橋，3座大橋的通航孔按500 t設(shè)計(jì)，均布置在前山河水道的左岸，大橋靠右岸的橋墩凈寬均不滿足通航的要求，港珠澳前山河特大橋距船閘很近，河中部有江心洲，船閘右閘址顯然是不合適的；且上游河道的航跡線是靠河左側(cè)，通過3座大橋及現(xiàn)狀船閘通往下游外海，為不改變原航跡線，船閘應(yīng)布置在河道的左岸即現(xiàn)狀船閘位置。

3 結(jié)語

經(jīng)過比較論證研究，充分利用地形地貌的自然條件，擬拆除重建的石角咀水閘樞紐建筑物布置合理，在投資節(jié)省、技術(shù)先進(jìn)、使用方便等方面達(dá)到和諧的統(tǒng)一[11]，水閘樞紐重建后，保護(hù)上游中山和珠海共約100.79萬人，治澇面積為1.62萬hm2，同時(shí)加大前山河水流動(dòng)力，增加水環(huán)境容量[12]，改善前山河的水質(zhì)，恢復(fù)前山河水道航運(yùn)，對加強(qiáng)珠海與澳門的經(jīng)濟(jì)融合發(fā)揮重要的作用。石角咀水閘重建工程布置方案已通過珠海市水務(wù)局和住建局的聯(lián)合批復(fù)，其通航通航條件影響評價(jià)通過國家交通運(yùn)輸部的審核，洪水影響評價(jià)通過水利部珠江水利委員會審查，目前正在進(jìn)行開工前準(zhǔn)備工作。