太湖通江大型水利樞紐工程關鍵技術研究與應用

高興和，吳 忠，陳 曄

(1.江蘇省太湖水利規劃設計研究院有限公司,江蘇 蘇州 215128;2.江蘇省太湖治理工程建設管理局,江蘇 南京 210029)

新溝河江邊水利樞紐，由五孔中型攔河擋潮水閘(2×8+16 +2×8=48m)、大(2)型雙向泵站[Q排(引)=180(90)m3/s]、Ⅴ級船閘(16m×180m)和長廊道多隔倉魚道(寬2m)組成，具有引排改善水環境、擋潮、防洪、排澇、航運及生態等綜合功能。

工程呈南北走向，位于江陰市濱江村新溝河入江口。閘站和船閘分居東西兩側，隔堤銜接。水閘在西側，魚道依附其西岸；泵站在東側，單向泵靠岸、雙向泵臨閘。閘、站、魚道與船閘下閘首并列，與下游翼墻及江堤銜接形成沿江擋潮防洪線。管理區分居東、西兩岸，內外道路互相溝通。

1 工程條件及特點

工程位于“長三角”和“蘇南”最發達地區，是太湖流域和江蘇水利“十三五”期間重點和收官項目。工程將流域超大型水體太湖與長江聯通，是江蘇省沿江當時在建水利工程中條件最局限、技術最復雜、實施難度最大的大型通江水利樞紐工程。

1.1 水文工況條件

江潮漲落動態多變，與內河相對穩定水位形成的雙向水頭，是“防洪排澇”和“調水引流”天然動力。工程雙向運行與控制運用具有明顯季節特點，汛期排江、非汛期引江濟太為常態；非旱非澇時，引排雙向運行，“調水暢流”為主要運行工況。

1.2 地形地質條件

地處蘇南經濟發達地區，人口密集，土地資源十分珍貴，沿江沖積平原地貌，地勢平坦；建筑物基坑及地基為富含承壓水的松散砂性土，滲透系數10-3～10-4cm/s，標準貫入擊數12～18擊，地基允許承載力140～180Kpa，土體抗剪強度和承載能力一般，典型的沿江砂性透水軟弱土地基。

1.3 水力銜接與結構布置條件

工程緊鄰濱江大橋，船閘與集中布置的閘站并列分建，建筑物總寬大于河寬，兩岸布置局限，入江灘面淤積寬淺，上下游存在彎道和漸變水力銜接；站房臨空高度45m，岸墻擋土高度16～18m，閘站多層結構復雜、體量高大，以及船閘整體U型閘室結構，均屬于水工大體積鋼筋混凝土結構。

1.4 專業銜接及施工特點

工程涉及水工、水力機械、金屬結構、電氣及自動化、房建、道路橋梁和市政綠化等多個專業，工程交叉和銜接錯綜復雜；分期實施的基坑需雙向截滲；施工期跨多個汛期需度汛；主基邊坡高于15m，屬飽和砂性軟弱土上的高邊坡、深基坑[1]；機泵安裝非常規條件，試運行條件局限。

2 關鍵技術研究與應用

項目利用無錫、常州境內老河道進行拓浚整治，將長江和太湖兩個超大型水源相互聯通，通過口門控制，利用潮差并滲透人為干預，獲得雙向水頭，形成往復水流，使得太湖流域河網水體按治理需要有序流動，從而達到改善水環境和防洪、除澇等目的，實現江湖聯通的各項綜合功能。江邊樞紐工程是新溝河通江達湖最重要的龍頭口門，是保證太湖及其內陸河道適宜水位并抵御長江洪潮的重要屏障，是全面實現新溝河綜合功能最重要和最有效的控制性工程。為最大限度地實現太湖通江綜合利用功能，針對通江大型樞紐工程特點和復雜條件，利用科研課題或專題研究、設計研發、模型試驗驗證與優化等手段，對項目各專業關鍵技術進行了重點研究，獲得了成功應用于本工程且具有推廣應用價值的多個重大關鍵技術。

2.1 水功能多模型耦合一體化技術

采用太湖流域河網湖泊水量水質模型、太湖與長江二維水流水質數學模型等完全耦合一體化技術[2]，重點分析典型年型實況下，工程實施對水環境、排水出路、供水與防洪效益的影響和實施可行性。根據降雨徑流模型成果及負荷模型廢水排放量，河網水質模型模擬成果，耦合計算，加上引、排作用，模擬河網水流運動；利用水量模型水文條件和污染負荷模型負荷量，模擬河網水體水質；并采用丹麥Mike21軟件建立長江水域二維水流水質數學模型，模擬排江水質影響。經耦合[3]優化的成果，更真實反映流域河網各項水功能要素情況，符合江湖河網實際。項目實施將增大區域北排長江能力，有效削減入湖污染，促進西太湖三個湖灣水體交換，改善湖灣和區域河網水環境，保障飲用水源地供水安全，生態、經濟和社會效益顯著。該技術為太湖流域通江河網綜合功能研究和可行性分析開創了先例，提供了新思路、新方法。

2.2 選址布局優化及數模驗證

前期擬定選址涉及高等級變電所及輸電線路搬遷，實施難度大。初設階段，按避讓優化調整：將樞紐向東偏移，并縮小閘站與船閘間距和隔堤寬度，增設截滲墻，解決深基坑雙向防滲問題，可減少征地135畝，節省投資1.79億元(占比25%)，工程布局相對更為緊湊、合理和經濟，優化效果與效益顯著。

總體布置中，閘站按“淺基礎靠岸、深基礎居中、階梯型高差”布置型式，將銜接高差呈階梯型分級，大大節省單、雙向泵進出水池與護岸之間高差銜接工程量。施工圖階段，通過“數模優化研究”，進一步優化并驗證工程總布局，增設隔水、導流及截滲設施后，工程區域各工況水流流態良好，分期基坑防滲安全可靠，引排和航運安全指標均符合規范要求，工程選址與布局更趨經濟合理、安全可行。

2.3 控制運用方式與安全運行指南

本工程閘門控制采用升臥式與直升式鋼閘門組合：節制閘中孔兼顧通航采用升臥門，兩側邊孔設胸墻采用直升門；船閘為升臥門組合直升門輸水方式。手動與自動控制，操作簡便且靈活機動，設備選型經久耐用，安裝簡便，工程結構和設備維護、管理和檢修更為方便快捷，更能適應沿江潮位頻繁多變的雙向擋洪泄流及通航等復雜運行工況要求。

沿江口門控制后，順向水頭時，內外隨潮位漲落可獲得雙向自流條件，逆向水頭時，關閘開泵，全天候可實現雙向引排或攔蓄功能。相對于泵站提水，水閘運行效率更高，能耗低，更經濟。適應潮位動態變化，沿江水閘調度運用原則為：“雙向運行、適時啟閉、適量過流、動態控制”[4]。研究并用足閘站綜合功能，意義重大，工程交付使用后，專題研發了水閘引排安全泄流計算與繪圖軟件，并利用該軟件進一步編制形成沿江工程安全運行指南，該成果可操作性強，對沿江口門控制運用[5]具有普遍和直接指導作用。

2.4 高剛度T型高支擋結構研究與應用

為解決單、雙向泵下游較大高差銜接以及深基坑、高邊坡防滲和永久支擋等關鍵技術問題，研究了砂性軟土地基上臨時、永臨結合和永久型三種斷面型式高支擋結構，其核心技術為結構組合變形技術，由液壓抓斗成槽、地下T型地連墻緊密連續而成。

專題研究[6]以“扶壁式”和“T型”鋼筋砼結構原理、地下樁土共同作用的懸臂式結構理論和成熟的地連墻技術為研究基礎，側重于提高結構剛度和抗彎承載能力，將薄壁地連墻變形重組，形成“T型”高剛度、高支擋結構。理論研究和實踐證明，結構功能技術指標滿足規范要求，達到預期效果；其扶壁體增大剛度、減小變形[7]和提高承載力等作用顯著，支擋、防滲、整體性和耐久性等性能優異，其免(少)挖填特性，節約工期和用地，避免邊界矛盾，適應軟土類各種邊界條件，結構尺寸可調，組合多變，經濟實用，后續仍有組合預應力技術研發價值。可繼續在水利、水運行業的地下、臨水高支擋工程中廣泛推廣和應用。

2.5 “雙廊道組合底流輸水的閘首”優化與應用

低水頭時，直接開啟主門門底輸水，高水頭時，短廊道對沖輸水；結合樁基布置，借助計算機輔助設計，利用已有成熟塢式結構，對其墩墻進行優化與改進，形成對稱空箱結構，擱置于樁基上，廊道位于下部空箱內，上部空箱作為控制樓基礎，既滿足閘首結構布置需要，大大改善結構受力條件，又兼顧輸水廊道功能和生產用房與上部結構和空間之間的銜接要求，工程結構布置緊湊，功能齊備。該結構的優化，綜合解決了閘首地基處理、船閘輸水、對沖或底流消能、防沖、控制樓載體以及上下空間銜接和交通溝通等功能性技術問題，控制運行靈活、簡便。已在走馬塘、新溝河、新孟河等通江大型樞紐中得到廣泛應用。

2.6 大跨度整體閘室結構優化

船閘閘室高8.5m，底板寬20m，高寬比小，跨度大。結合沿江粉砂土地質特性，采用水泥攪拌樁復合地基上整體塢式結構[8]，具有整體性好、剛度大、地基應力小以及抗滲性能好、結構簡單、施工方便等顯著優點。通過梯級加深復合地基、預留沉降、設置后澆帶、組合式止水、分期回填和回升地下水位等一系列簡易可行措施，加上變截面優化處理和大體積砼抗裂控制措施，不但節省工程投資，而且有效解決大跨度整體結構抗裂以及基礎處理、防滲、抗浮、穩定和沉降等一系列功能性問題，經實踐檢驗，達到預期既經濟又安全的效果。本工程僅按常規方法進行了優化，未能嘗試“非常規”結構研究，如條件許可，類似工程可將“預應力”技術引進大跨度水工結構中，為水(地)下大跨度結構研究嘗試新方法、開拓新思路。

2.7 大體積砼抗裂防治措施研究與效果

本工程主體結構體量大，屬大體積砼，需采取溫控和抗裂措施，降低內部溫升，控制內外溫差，避免產生溫度裂縫。針對一期閘室大體積砼結構，在分析裂縫成因和大體積特征基礎上，通過改善地基約束條件、優化結構體量并采取布管通水冷卻[9]、摻抗裂外加劑以及配置溫度鋼筋等多個設計措施加以控制，結合施工環節自拌混凝土原材料及配合比控制[10]、溫度控制及監測、澆筑及養護等控制措施，有效降低大體積結構內部溫升，控制內外溫差符合規范要求；二期閘站大體積結構繼續落實各項抗裂措施，達到預期效果。實踐證明，通過設計和施工兩個環節的多重有效控制，研究和采取的措施行之有效，取得了理想的實施效果，獲得了寶貴的抗裂實踐經驗[11]。

2.8 “雙豎縫多隔倉雙向洄游魚道”設置效果

魚道是供魚類洄游過閘的人工水槽通道，滿足魚類上溯習性，在低水位側，魚類依靠水流吸引，逆流進入，克服流速溯游至高水位側。在對沿江過魚種類、生物學特征、生態特點及魚類習性和行為學等進行深入調研基礎上，結合運行工況和水閘結構設計，魚道依附水閘及上下游翼墻布置，采用“長槽型雙側豎縫多隔倉”結構，將狹長水槽上、下游總水頭，通過多個豎縫和隔倉[12]，分成若干個小的梯級，利用水墊、沿程摩阻、水流對沖、回旋和擴散來消除水頭能量，并形成各種魚類喜好的流速動態變化的溯游水流。

經專題調研和數模驗證[13]，“魚道布置與體型設計，符合長江口雙向過魚水文特性，過流參數符合魚種習性，滿足魚類洄游需要”。工程建成后，經動態觀察，洄游季節各魚種往復溯游頻繁，設施運行有效。該結構構造簡單，尺寸可變，施工簡便，具有通用性，江蘇沿江魚道可廣泛推廣應用。

2.9 機泵選型與裝置模型優化試驗與研究

經綜合比選，采用立式開敞式軸流泵，電機與水泵豎向布置，結構簡單，制造、安裝技術成熟，運行可靠，維修方便，運管經驗豐富；雙向泵采用平面蝸殼式進水流道，錐形管軸向管口四周出水方式，正、反向運行效率一致，流道幾何形狀簡單，施工方便，且泵型為抽芯結構，與電機直聯，軸向力由電機承受，安裝、維修方便，運行可靠；單向泵為鐘形進水流道，挖深小，底板面與雙向泵箱涵式流道一致，單、雙向泵進出口斷面相同，整座泵站結構統一，施工更簡便。

水泵裝置CFD優化及試驗研究[14]，對流道三維湍流進行數值模擬和優化，使流道型線更優，水泵裝置最高效率提高1.3%～1.9%，進一步提升泵型性能，節能降耗；同時，綜合考慮流速分布均勻度及其水力損失兩個目標函數，對雙向流道喇叭口高度進行多方案優化[15]，當進口高為0.57D(D為葉輪直徑)，水力損失小，流速分布均勻度最好；出口高度為0.48D時，對流道水力性能影響為最優。將優化的雙向流道配置優選泵型，進行裝置模型試驗，在低揚程3.26 m時，裝置效率達71.2%，可為同類型泵裝置優化提供參考。

2.10 雙速電機研究與推廣應用

雙速電機技術特點是通過機組變速調節，使機組具有不同轉速，從而有效調節水泵高效區。同步電機變極調速難點為轉子變極，按“虛擬槽”理念，將凸極轉子看作隱極轉子圓周表面均勻分布的齒槽，遵循兩種極數下繞組系數最大，諧波含量最少且保持轉子凸極結構不變的原則，用迭代法不斷構建轉子變極方案。其核心技術即“虛擬槽位法”[16]，導體利用率高，諧波含量低。根據測試成果，引、排設計工況下水泵裝置效率分別提高8.1%和9%，可節省18%、8%電費，節能效果明顯。本項目研究與應用，解決了雙向泵揚程變幅大、工況復雜、電機高效運行及結構與設備互換性等關鍵技術問題，為泵站新建或更新改造直接更換雙速電機創造了條件，可在機泵領域推廣應用。

2.11 機電設備非常規安裝及試運行技術研究

因度汛需要，工程提前通水，使機電設備獲得水下非常規安裝與試運行實踐[17]。泵站6臺立式機組，設備總高15m。按預設檢修工況，分三批、兩個塊體各一臺機組同期對稱安裝方法，自下而上分層安裝，利用工作閘門擋水，泵室設泵抽排，形成安裝環境。不同于常規條件，站外江潮漲落形成雙向動態多變水頭，加上泵室排空水體后浮力作用，站身重心動態變化，且隨機組不同而存在較大差異，而機泵軸向高度大，微小變形便會影響安裝精度。根據已有經驗[18]，機泵高精度安裝須順應潮位規律，在潮差較小相對平穩條件下進行，并經連續多天多潮位反復調試和監測驗證，直到各安裝參數及指標精度符合要求為止。

機泵安裝完成后，需進行試運行調試。對分批具備條件的機泵，充分利用汛期和非汛期內河高低不同水位和長江動態變化潮位條件，擇機打開水閘，采用打循環水的方法，獲得機泵雙向連續試運行工況，直至滿足要求，經反復調試，順利完成非常規機泵安裝和試運行，驗收一次通過，投入運行一切正常。

3 關鍵技術應用總體效果與效益

工程批復概算總投資54935萬元。2013年12月26日開工建設，2018年6月全面完工投入使用。

截至發稿，閘站累計引水2.89億m3，排水9.96億m3；船閘通過量4895萬噸。工程已歷經多個汛旱考驗，建筑物及設備運行正常，引排順暢，控制有效，總體狀況良好；全壽命期內，江湖聯通控制運用，可獲得改善水環境多年平均效益27995萬元/年，防洪除澇25125萬元/年；水資源綜合利用11755萬元/年，通航1050萬元/年，綜合效益合計為65925萬元/年。

4 結語

新溝河將太湖與長江聯通，其通江大型水利樞紐是江湖聯通的重要控制口門，工程關鍵技術點多、實施難度大，通過研究與實踐，順利解決其功能與規模、控制與調度、選址與布局、水工結構和機電設備等重大關鍵技術難題，應用達到經濟安全的理想效果。工程已投入運行，在調水引流和防洪保安方面[19]，正在并將繼續發揮巨大作用，特別是今年梅雨期防洪減災效益顯著，自6月7日～7月31日，50多天排洪總量達6.25億m3，有效緩解太湖湖西直武地區洪澇災害，減輕流域防洪壓力；2018年汛后應急調水試驗中，工程持續引水，沿線河網水動力和水質、水環境明顯改善[20]，綜合效益顯著，必將對高度發達的“長三角”地區經濟社會及其區域一體化高質量發展產生積極和重大影響[21]。