浙江紹興崧北河治江圍涂水閘工程設(shè)計及計算

徐瑾瑾

（浙江省錢塘江管理局勘測設(shè)計院，浙江 杭州 310016）

近年來，上虞區(qū)經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，城市化水平不斷提高。根據(jù)《上虞市平原河道整治規(guī)劃報告》，虞北平原規(guī)劃通過“四橫三縱”骨干行洪排澇通道和4 個外排口門建設(shè)，平原排澇標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到20 a 一遇。目前，虞北平原“四橫二縱”骨干行洪排澇通道和3 個外排口門已按規(guī)劃要求進(jìn)行整治，平原排澇能力得到明顯提高，但仍未達(dá)到20 a 一遇規(guī)劃標(biāo)準(zhǔn)，迫切需要實施崧北河綜合治理工程。本工程的任務(wù)為以排澇、擋潮、防洪為主，兼顧改善河道水生態(tài)環(huán)境，通過新建水閘，提高虞北平原的防洪排澇能力。

1 工程概況

上虞區(qū)地處紹興市東部，虞北平原指上虞市北部水網(wǎng)平原地區(qū)，西臨曹娥江，南接豐惠鎮(zhèn)，東連余姚市，北靠杭州灣，近年來隨著杭州灣圍墾工程的逐步推進(jìn)，虞北平原總面積達(dá)480 km2，地勢上呈自西向東傾斜。本工程場區(qū)地貌單元屬錢塘江三角洲相堆積，其第四系松散沉積物上部主要為錢塘江相新近沖淤物，中部為全新世河海相沉積，下部為晚更新世海陸相沉積及中更新世陸相沉積。

1.1 氣象

工程區(qū)域?qū)俦眮啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，冬夏季風(fēng)交替明顯，具有四季分明、氣候溫和、雨量豐沛、日照充足等特點。該區(qū)域多年平均最高氣溫37.8℃，多年平均最低氣溫-5.7℃，多年平均氣溫16.1℃，歷史最高氣溫39.5℃。常年降水量約1500 mm。降水量時空分布不均，不僅年際變化大，而且年內(nèi)差異顯著。春末夏初為梅汛期；夏秋季節(jié)常發(fā)生大暴雨，是形成流域大洪水的主要因素，如“620906”“630912”“880730”“890916”“970817”等，稱臺汛期；10月下旬～翌年4月稱非汛期。

1.2 潮流特征

工程區(qū)域為錢塘江河口段，潮流為往復(fù)流，最大流速基本上出現(xiàn)在中潮位。潮流動力強勁、主流垂線平均最大流速與潮差、地形、徑流等因素有關(guān)。根據(jù)2002年3月的實測資料，南股槽中沙以北區(qū)域漲潮垂線平均最大流速為2.96 m/s～2.98 m/s，流向281°～287°；落潮垂線平均最大流速3.27 m/s～3.43 m/s，流向84°～123°。

2 水閘工程設(shè)計

本工程位置應(yīng)與一線海塘位置相協(xié)調(diào)，并做到平順連接，閘中心線應(yīng)與崧北河中心線一致，所在的虞北平原上河區(qū)中水位為（即正常水位）2.80 m。三號閘布置于堤內(nèi)側(cè)，為內(nèi)凹式布置，閘與堤軸線距離約110 m，閘兩側(cè)堤線內(nèi)凹。本工程建設(shè)需要破堤，長度306 m，新建及修復(fù)堤防連接段單側(cè)長182 m。閘前大橋與現(xiàn)有錢塘江一線堤防順直布置。三號閘閘前護(hù)塘河水系，西側(cè)與現(xiàn)有護(hù)塘河溝通，東側(cè)填筑封堵，經(jīng)與管理部門溝通，護(hù)塘河?xùn)|側(cè)水系擬與新東進(jìn)閘溝通，三號閘管理房布置于三號閘東側(cè)。

2.1 水閘結(jié)構(gòu)布置

2.1.1 水閘規(guī)模論證

在推薦的百崧河～崧北河規(guī)模基礎(chǔ)上，進(jìn)一步論證水閘的規(guī)模，本次擬定水閘比較方案如下：方案一，水閘4 孔×6 m，總凈寬24 m，閘底高程-0.5 m；方案二，水閘6 孔×6 m，總凈寬36 m，閘底高程-0.5 m。

經(jīng)過計算各方案虞北平原各代表點20 a 一遇的水位見表1，各排澇閘20 a 一遇外排水量的統(tǒng)計見表2。

表1 百崧河～崧北河規(guī)模比較表（P=5%） 單位：m

表2 各方案排澇閘排水量統(tǒng)計 單位：萬m3

由表1 和表2 可知，在推薦河道規(guī)模下，水閘規(guī)模的增加可一定程度降低虞北平原最高水位、增加總排水量：方案二較方案一，閘規(guī)模從4 孔×6 m 增加至6 孔×6 m，虞北平原上河區(qū)各代表站水位降幅0.00 m～0.03 m，平原總排水量增加285 萬m3。水閘的建設(shè)新增了排水口門，增加虞北平原總排水量，但同時也會削弱其他口門排澇閘的排澇效益。綜合虞北平原上河區(qū)高水位和平原總排水量的變化情況，推薦方案二，即水閘規(guī)模為6 孔×6 m，總凈寬36 m，閘底高程-0.5 m。

2.1.2 閘室結(jié)構(gòu)布置

（1）閘室及上部結(jié)構(gòu)

水閘共6 孔，單孔凈寬6 m。閘室為整體式，3 孔一連，中間設(shè)置縫墩。為保證閘下滲流的安全，在閘底板樁號0-002 及0-019 處，各設(shè)置鋼板樁防滲墻一道，墻底高程均為-19.5 m。

（2）消力池

外海側(cè)設(shè)二級消力池，其中一級消力池深1.75 m，池長25 m，尾檻頂高程-0.75 m；二級消力池深1.50 m，池長25 m，尾檻頂高程-2.50 m。

（3）海漫

自二級消力池出口樁號閘0+050～閘0+140.2 總長度約90.2 m，本段渠底保護(hù)段統(tǒng)稱海漫，采用C35 鋼筋砼底板。

2.2 設(shè)計計算

（1）閘頂高程計算

閘頂高程按《水閘設(shè)計規(guī)范》進(jìn)行計算：

式中：ZP為閘頂高程，m；HP為兩百年一遇潮位（最高擋水位）8.20m；hp為波列累積頻率p的波高，1 級水閘，h1%=2.26 m；ΔH為安全超高，按規(guī)范，ΔH=0.5 m；hz為波浪中心線超出計算水位的高度；0.53 m。

經(jīng)計算：Zp=8.20+2.26+0.53+0.5=11.49 m。

（2）過閘流量計算

過閘流量按照常規(guī)堰流公式計算：

式中：Q為排澇流量，m3/s；m為流量系數(shù)；B為閘室總凈寬，m；H0為計入行進(jìn)流速水頭的堰上總水頭，m。

計算結(jié)果見表3。

表3 閘下自由出流情況下的閘室排澇流量

（3）消力池后至錢塘江連接河段防沖設(shè)計

①防沖設(shè)計工況

內(nèi)河設(shè)計水位3.47 m，過閘流量為476 m3/s，下游連接河段底高程由-2.50 m 漸變?yōu)?0.50 m，多年平均低潮位-1.66 m。

②海漫末端河床沖刷深度［1]計算：

式中：dm為海漫末端河床沖刷深度，m；qm為海漫末端單寬流量，m3/（s·m）；［v0]為河床土質(zhì)允許不沖流速，粉砂土取0.2 m/s；hm為海漫末端河床水深，m。

經(jīng)計算，在經(jīng)過二級消力池消能后，海漫末端天然河床沖刷深度仍然達(dá)到18.91 m。

（4）閘下防滲設(shè)計

1）閘下防滲墻布置

本閘采用φ800C30 灌注樁作為閘室基礎(chǔ)。閘室地基為粉土，在高程-18.0 m～-28.0 m 為淤泥粉質(zhì)粘土，可視作相對不透水層。

為保證粉土地基的滲透穩(wěn)定，在閘室連同兩側(cè)空箱式岸墻下設(shè)置上游、下游、左側(cè)、右側(cè)封閉式的防滲墻，樁號0-002 及0-019 處各設(shè)置鋼板樁防滲墻一道，底高程為-19.5 m。閘室上下游鋪蓋及防滲墻不加入閘下防滲輪廓線。

2）閘下防滲墻結(jié)構(gòu)方案型式選擇

方案一：鋼板樁防滲墻

①鋼板樁防滲墻布置

本方案在閘室上游，樁號0-019 處設(shè)置鋼板樁防滲墻一道，頂高程-1.5 m，底高程-19.5 m，同時在閘室下游，樁號0+002 處設(shè)置另一道鋼板樁防滲墻，與上游防滲墻相同。

②鋼板樁的耐久性

鋼板樁處于與大氣隔絕的地基（泥下區(qū)）中具有良好抗腐蝕性，腐蝕率采用每年每邊0.05 mm，在設(shè)計使用年限50 a 內(nèi)，雙面總腐蝕量約為5.0 mm，在鋼板樁的設(shè)計厚度內(nèi)加以考慮。

方案二：高壓噴射灌漿防滲墻

利用鉆機(jī)把帶有噴嘴的注漿管鉆至土層預(yù)定深度以后，利用高壓使?jié){液或水從噴嘴中噴射出來形成噴射流，來沖擊破壞土層。當(dāng)能量大、速度快的脈動狀射流，動壓力大于土層結(jié)構(gòu)強度時，土顆粒便從土層中剝落下來。一部分細(xì)顆粒隨漿液或水冒出地面，其余土料在射流的沖擊力、離心力和重力作用下，與漿液攪拌混合，并按一定的漿土比例和質(zhì)量要求，有規(guī)律地重新排列。漿液凝固后便在土層中形成固結(jié)體。固結(jié)體的形狀和高壓噴射流的作用方向、移動軌跡及持續(xù)噴射時間有關(guān)。當(dāng)噴射流作35°擺噴時，固結(jié)體呈菱形，從而形成連續(xù)防滲體。

3）防滲墻結(jié)構(gòu)方案比較

表4 防滲墻方案綜合比較表

根據(jù)表4 可得，本工程推薦方案一作為防滲墻方案。

3 結(jié)語

2013年上虞撤市設(shè)區(qū)加快了上虞城市化的進(jìn)程，使得該區(qū)域下墊面發(fā)生了較大的改變，特別是虞北平原濱海新城變化較大，地坪高程普遍抬高，用地類型發(fā)生顯著變化，新東進(jìn)閘實施導(dǎo)致的排水路徑延長，均對排澇要求和排澇標(biāo)準(zhǔn)提出了更高的要求。崧北河綜合治理工程的建設(shè)對滿足城市化快速發(fā)展和產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃的需要，完善錢塘江上虞區(qū)防洪潮能力，增加可利用土地、確保可持續(xù)發(fā)展以及保護(hù)重要基礎(chǔ)設(shè)施等方面都將具有重要意義。