儀揚河閘泄洪建筑物增設方案的對比分析及應用

全 莉，林智康，康 慷，錢 軍，曹立力

（1.揚州市勘測設計研究院有限公司，江蘇 揚州 225007；2.揚州大學水利科學與工程學院，江蘇 揚州225009）

水閘是一種修建在河道和渠道上利用閘門控制流量和調(diào)節(jié)水位的低水頭水工建筑物。隨著經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，水閘的功能及重要性得到了越來越多學者及工程人員的重視，當前，學者們對水閘的研究主要集中于先進的施工技術在水閘建設及改造工程中的應用[1-4］，數(shù)值模擬分析技術在水閘泄流及結構計算中的應用[5-9］，水閘的金屬結構及控制系統(tǒng)的分析[10-11］，水閘的安全評價[12-14］等方面。當水閘建成運行周期長，水情和工情會發(fā)生變化，水閘的功能也會隨之改變，為此需要根據(jù)當前水情和工情的要求，對現(xiàn)有水閘進行改造，本文以揚州市儀揚河閘為例，對其水情發(fā)生變化后采取的各種技術方案進行分析，以期為同類水閘增設泄洪建筑物的技術方案提供參考。

1 工程概況

揚州市儀揚河閘位于儀揚河與潤揚河連接處東側約1.2 km處，是儀揚河上的一座跨河建筑物（見圖1）。儀揚河閘建成于2012 年，主要承擔攔擋西部洪水、防止洪水倒灌揚州主城區(qū)的任務，原設計為Ⅱ等2 級水工建筑物，單孔凈寬22 m。在儀征市和邗江區(qū)域防洪排澇規(guī)劃實施前，儀揚河閘的水情發(fā)生變化，在儀征市主城區(qū)具備排水條件且水位可控的條件下需增加儀揚河閘的反向泄洪功能，水閘原有的單向泄洪功能無法滿足要求，需采取泄洪功能提升改造措施。針對儀揚河閘的水情和功能需求，提出了3 種不同功能提升方案，并從工程安全性、運行調(diào)度、原設計主體結構的影響、外觀環(huán)境景觀及社會影響、交通影響、施工條件、改造工程量及投資、可操作性共8 個方面進行對比分析，以期為同類型建筑物功能提升改造設計項目積累經(jīng)驗。

圖1 儀揚河閘

根據(jù)《揚州市城市防洪規(guī)劃（2012-2020）》及《揚州市蘇中區(qū)水利治理規(guī)劃》，儀揚河閘上游側河道設計水位為6.77 m，50 年一遇防洪設計水位為7.43 m，100 年一遇防洪設計水位為7.45 m。儀揚河閘下游防洪標準為50 年一遇。針對儀揚河閘的功能提升特點，經(jīng)仔細分析工程原設計情況并復測下游河道搶險后的水下斷面后，遵循“增能不降標”和保留原設計主體結構的原則下，初步提出了新建雙側堤后式箱涵、新建單側堤后式箱涵、新增疊梁閘門、改造三角門為升臥門、改造三角門為雙扉門、改造三角門為鋼壩閘、保留三角門改造下游消力池新建鋼壩閘共7 個方案。

2 方案對比分析

方案1 新增疊梁閘門方案適用于靜水啟閉工況，儀揚河閘需動水啟閉，大跨度動水啟閉過程中，閘門側阻力較大，可能會產(chǎn)生疊梁閘門無法吊出、影響應急泄洪，存在一定的安全隱患。方案2 將三角門改造為雙扉門，需新增閘室的工作排架和啟閉機房，啟閉機房高度超出現(xiàn)狀控制房近10 m，對外觀環(huán)境影響很大。方案3 將三角門改造為升臥門，跨徑達22 m 的升臥門屬于江蘇省首例，改造技術經(jīng)驗不足，且金屬結構設備價格較高。方案4 將三角門改造為鋼壩閘，鋼壩閘需抬高門檻高程至1.4 m，對通航有影響。方案5 保留三角門，改造下游消力池并新建鋼壩閘，新建鋼壩閘的面板高度較高，廠家生產(chǎn)經(jīng)驗少且金屬結構設備價格較高，閘門控制精度一般，運行管理存在一定風險。經(jīng)初步分析，上述的5 個方案在儀揚河閘增能改造中均存在弊端，為此本文將重點討論方案6 新建雙側堤后式箱涵和方案7 新建單側堤后式箱涵。方案6 新建雙側堤后式箱涵共包括2 種方案，方案6-1 新建雙側堤后式箱涵，在儀揚河閘址堤后雙側各布置一座單孔箱涵，依據(jù)現(xiàn)場上游與下游均成90°角布置，箱涵孔口尺寸為4.0 m×3.5 m（凈寬×凈高），底板面高程0.5 m，閘首頂高程9.0 m，涵洞上下游均為90°角布置，雙側堤后式箱涵總長約210 m，見圖2（a）。方案6-2 的箱涵孔口尺寸為4.0 m×3.5 m（凈寬×凈高），底板面高程0.5 m，閘首頂高程9.0 m，涵洞上游為90°角布置、下游為150°角布置，雙側箱涵總長約200 m，見圖2（b）。

圖2 新建雙側堤后式箱涵方案

方案7 新建單側堤后式箱涵包括2 個方案，方案7-1 在閘址南側堤后布置一座雙孔箱涵，孔口尺寸均為4.0 m×3.5 m（凈寬×凈高），底板面高程0.5 m，閘首頂高程9.0 m，涵洞上、下游均為90°角布置，箱涵長度約145 m，見圖3（a）。方案7-2在閘址南側堤后布置一座雙孔箱涵，孔口尺寸均為4.0 m×3.5 m（凈寬×凈高），底板面高程0.5 m，閘首頂高程9.0 m，涵洞上游為90°角布置，下游為150°角布置，箱涵長度約130 m，見圖3（b）。

圖3 新建單側堤后式箱涵方案

方案6-1、方案6-2、方案7-1 和方案7-2 均需要破堤開挖施工，破壞兩岸管理設施。方案6-1、方案6-2、方案7-1和方案7-2 工程建成后，洞頂均可維持現(xiàn)狀地坪原樣，僅增加兩小間啟閉機房，對外觀影響小。方案6-1 工程投資較少，而方案6-2 的兩側箱涵斜向?qū)_出流，需要的消能防沖段較長，河底防護長約250 m，增加額外工程投資。方案7-1 與方案7-2 均僅南岸單側開挖施工，影響范圍小于兩側新建箱涵方案，但單側箱涵出流，對消能和北岸堤防岸坡穩(wěn)定不利，需要增加下游側消能設施，方案7-1 需對北岸約250 m 駁岸墻進行拆除重建，增加投資較大。方案7-2 對北岸120 m 駁岸墻進行拆除重建。

為進一步驗證方案6 和方案7 的合理性和安全性，采用ANSYS 軟件對各方案進行數(shù)值模擬分析，重點分析兩種泄洪工況下箱涵的流速及流態(tài)。泄洪工況1 的上游水位為7.0 m，下游水位為5.5 m，流量為100 m3／s；泄洪工況2 的上游水位6.5 m，下游水位為5.5 m，流量為60 m3／s。方案6 和方案7的各方案水深5 m 特征截面的速度云圖見圖4～圖7。在2 種泄洪工況時方案6-1 高流速區(qū)在1.93 m／s～2.26 m／s 范圍，高速區(qū)范圍較小，遠離箱涵對沖區(qū)域流速下降幅度較大，近岸區(qū)最大速度在0.64 m／s。方案6-2、方案7-1 和方案7-2 在2種泄洪工況時均出現(xiàn)近岸區(qū)流速大的區(qū)域，方案6-2 的近岸區(qū)流速最大達1.22 m／s，方案7-1的近岸區(qū)流速最大為2.64 m／s，方案7-2 的近岸區(qū)流速最大達2.79 m／s，均會對河岸邊坡產(chǎn)生沖刷作用。方案6-2、方案7-1 和方案7-2 均出現(xiàn)了明顯的偏流現(xiàn)象，為確保工程安全，需采取更多的防護措施，從而增加工程投資，另從流速沖刷岸坡角度綜合分析，建議采用方案6-1，該方案的兩側箱涵對沖出流的消能效果最好，工程安全性、影響范圍及美觀性的整體優(yōu)勢明顯。

圖4 方案6-1 的特征截面速度云圖

圖5 方案6-2 的特征截面速度云圖

圖6 方案7-1 的特征截面速度云圖

圖7 方案7-2 的特征截面速度云圖

3 結論

以儀揚河閘的水情發(fā)生變化為切入點，通過對比分析7個不同方案，優(yōu)選了在儀揚河閘上游和下游新建箱涵方案，箱涵均呈90°布置，該方案的洞頂可維持現(xiàn)狀地坪原貌，對外觀影響小，兩側箱涵對沖出流，消能效果較好，工程投資小，儀揚河閘的泄洪建筑物增設建議采用此方案，也為同類水閘的改造提供了參考。