積美攔河閘壩樞紐工程布置方案比選

楊吉旺

(中山市水利水電勘測設計咨詢有限公司，廣東 中山 528400)

1 工程概況

吳川市積美攔河閘壩工程為鑒江第五梯級攔河壩，于1990年投入使用，是以排洪、灌溉、供水為主，結合航運及公路交通的水利樞紐工程。經過幾十年運行，水閘老化失修，存在嚴重安全隱患，此次對該工程進行拆除重建。重建工程等別為大(2)型工程，主要建筑物、水輪泵站、船閘閘首及閘室級別為2級，次要建筑物級別為3級，臨時建筑物級別為4級。設計洪水標準為50年一遇，校核洪水標準為100年一遇。船閘通航按50 t船只設計。重建后閘孔總凈寬為225 m，分15孔布置，單孔凈寬15 m，設計泄洪流量4 830 m3/s(P=2%)，校核泄洪流量5 337 m3/s(P=1%)。閘室采用平底寬頂堰型，堰頂高程為-1.00 m，閘室長度為22 m。交通橋荷載標準按汽車荷載按公路-Ⅰ級設計，地震基本烈度為Ⅶ度。

根據地勘報告，水閘工程區地層自上而下為：第四系人工堆積(①-1拋石、①-2人工填砂)、第四系沖積層(②-1粉質黏土、②-2中粗砂、②-4圓礫)、第四系殘積層(③殘積土)、震旦系變質巖(④-1全風化花崗片麻巖、④-2強風化花崗片麻巖、④-3弱風化花崗片麻巖)。閘室建基面土層為中粗砂，其下為花崗巖層，地基條件較好。

1.1 工程總布置方案比選

此次重建積美攔河閘主要建筑物有：船閘、深水閘、管理區、水輪泵站以及上下游導墻等建筑物。工程總體布置將根據工程選址處的地形、地質、水流、施工、征地拆遷等條件以及各建筑物的功能、特點、運用要求等確定，要求工程布置與鑒江兩岸大堤合理銜接，在形成整體防洪排澇體系的同時，做到布局合理、協調美觀，與其他水利工程組成有機的聯合體，共同發揮工程效益。

在可研階段成果的基礎上，經進一步分析，船閘的布置是關鍵，關系到整個水閘樞紐的整體布置。初設階段擬采用以下兩個布置方案進行比選：方案一(船閘位于左岸)：從左岸到右岸分別為船閘、攔河水閘、管理區、水輪泵站。船閘布置于左岸，船閘右側為水閘，原船閘位置布置水輪泵站，管理區將水輪泵站及水閘分開。船閘上閘首布置于樞紐上游,下閘首及交通橋與水閘在同一軸線。布置方案見圖1。方案二(船閘位于右岸)：沿用水閘現狀各建筑物的布置方式，從左岸到右岸分別為攔河水閘、水輪泵站、管理區和船閘。船閘布置于右岸，位于原船閘閘址，管理區將水輪泵站與船閘分開。由于上游受右側山體影響，為了滿足引航道的尺寸要求。船閘上閘首及交通橋布置與水閘在同一軸線，為了滿足下游引航道的尺寸要求，鑒江右側堤防需進行退堤改建。布置方案見圖2。

圖1 方案一(船閘位于左岸)平面布置圖

圖2 方案二(船閘位于右岸)平面布置圖

以下分別從地形地質條件、建筑物布置條件、水流條件、運行管理條件、施工條件、征地拆遷條件、改擴建條件及工程投資等方面對上述兩閘軸線方案進行比較。

2.1 地形地質條件

方案一地形開闊，有利于建筑物布置，船閘上、下閘首均坐落于殘積土層，船閘閘室局部坐落于砂層，但厚度較薄，地基沉降量較小。方案二地基為中粗砂層，厚度較薄，花崗巖層在較淺僅在-13 m左右，地基沉降量小，上游導航段右側為山體。

從地質條件來看，兩個方案的船閘工程地質條件相近，沒有重大工程地質問題，均具備修建船閘的工程地質條件。從地形條件來看，方案一設計基坑底高程-2.20 m(上下閘首)、-1.20 m(船閘閘室)與現狀河底高程相差不大，但下游導航段現狀淤積較為嚴重，疏挖量較大。方案二船閘位于舊船閘處，由于舊船閘閘室高程接近3.00 m，造成較大基礎開挖回填工程量，增加投資。從地形地質條件來看，方案一略優于方案二。

2.2 建筑物布置條件

方案一地形相對開闊，船閘上游導航段可布置相對較長，船只進出閘比較暢順。方案二受上游山體影響，船閘上游導航段小于1.50倍船長，需根據地形調整；下游受堤防影響，需對下游大堤進行退堤以滿足船閘通行要求。船只進出閘不夠暢順。從建筑物布置來看，方案一優于方案二。

2.3 水流條件

此次設計通過MIKE21平面二維數學模型，以垂線平均的水流因素作為研究對象，模擬積美攔河閘計算河段的平面水位、流場及河床細部的變化情況，通過對水位、流速、流態以及沖淤情況等指標進行對比分析，預測水閘工程對河道流場和河床沖淤的影響，通過對各設計方案的流態、流場變化情況對比分析提出推薦的水閘設計方案。

為了便于問題分析，在擬建工程附近及上下游河道共布設20個水位采樣點，其中水閘上游2 km范圍內布置10個水位采樣點，水閘下游2 km范圍內布置10個水位采樣點；在水閘閘孔處和水閘上下游100 m范圍內布置105個流速和沖淤厚度采樣點；采樣點位見圖3、4。

圖3 水位采樣點圖

圖4 流速及沖淤采樣點圖

2.3.1 水位

兩個方案水閘上下游2 km范圍內各水位采樣點詳見表1。方案一閘上水位6.40 m，方案二閘上水位6.48 m，方案一閘上水位略低于方案二。

表1 各方案水位采樣點水位表

2.3.2 流態

方案一P=2%的流場圖見圖5，方案二P=2%的流場見圖6。

圖5 方案一流場圖(P=2%)

圖6 方案二流場圖(P=2%)

從各方案的流場圖可以看出，兩方案主流均在河道中間，流態穩定，流線平順，未出現旋渦等不利流態。通過分析兩個方案水閘上下游100 m范圍內各采樣點流速和流向可知，兩方案閘上、閘下流速以及過閘流和速流向差異不大。

2.3.3 沖淤

單次50年一遇洪水過程下，方案一、方案二水閘上下游沖淤情況見圖7、8，圖中紅色(淺色)為淤，藍色(深色)為沖。

圖7 方案一水閘上下游河床沖淤厚度圖

圖8 方案二水閘上下游河床沖淤厚度圖

設計工況下，由于閘下護坦的作用，單次洪水對水閘下游的沖淤影響不大，各設計方案閘下沖淤程度基本一致，最大沖淤厚度0.03 m。方案一中，左岸船閘上游建有導流墻，岸坡附近水流流速小，水流對水閘上游左岸的沖刷程度小于方案二。

綜上，從水流條件來看，方案一優于方案二。

2.4 運行管理條件

方案一船閘布置在左岸，可在左岸單獨布置管理房，與水閘分開管理，功能分區明確，運行管理靈活。方案二船閘布置于原位置，需與水閘共用生產生活管理區，有利于整個水閘樞紐的管理。從運行管理來看，方案一與方案二各有利弊，不分上下。

2.5 施工條件

方案一船閘與水閘左側6孔閘孔均為一期施工，平衡了二期施工的工期壓力。方案二在舊船閘位置施工，船閘需整體布置在下游，施工圍堰較大。從施工條件來看，方案一優于方案二。

2.6 征地拆遷條件

方案二船閘位于右岸，下游堤防需退堤改建，涉及征地拆遷。從征地拆遷條件來看，方案一優于方案二。

2.7 改擴建條件

方案一船閘布置在左岸，船閘左側及與大堤之間留有足夠空間，為船閘改擴建提供條件。方案二船閘布置于右岸，右側受用地紅線及堤防的限制，左側為管理區，船閘改擴建需要退堤，新增用地。難度較大。從改擴建條件來看，方案一優于方案二。

2.8 工程投資比較

方案一總投資約4.40億元，方案二總投資約4.25億元。方案二由于上下游引航段擋墻與右岸擋土墻結合在一起，投資稍少于方案一。因此，從工程投資角度比較，方案二略優于方案一。

通過以上技術經濟比較，綜合考慮地形地質、建筑物布置、水流條件、運行管理、施工條件、征地拆遷條件、改擴建條件及工程投資等因素，擬推薦方案一(即船閘位于左岸的布置方案)為推薦方案，水閘樞紐布置從左岸到右岸依次為船閘、攔河水閘、管理區、水輪泵站。目前，該方案已經通過上級有關部門的審批。

3 結語

閘壩工程的合理布置是水利樞紐工程設計中的關鍵技術問題，筆者針對積美攔河閘壩水利樞紐工程，提出兩種布置方案，并對方案的優缺點進行了比較，最終選擇船閘位于左岸的布置方案為推薦方案，并提出以下幾點建議，可供類似工程借鑒與參考。①閘壩樞紐布置應根據閘址地形、地質、水流等條件，以及各建筑物功能、特點、施工、運用要求等確定。做到緊湊合理、協調美觀，組成整體效益最大的有機聯合體。樞紐布置要盡量避免或減輕對周圍環境的不利影響，并充分發揮有利的影響，使樞紐的外觀與周圍環境相協調。如方案二需要退堤，對周邊影響較大，施工難度較大，不宜采用。②水閘樞紐是以水閘為主的水利樞紐，因此一般以水閘居中布置，具有通航、發電或抽水灌溉作用的船閘、泵站或水電站等其他建筑物原則上“宜靠岸布置”。船閘不宜與泵站或水電站布置在同一岸側。如工程方案一船閘與水輪泵站分居水閘左右側，比較適宜。③水閘樞紐的布置，可采用數學模擬方法進行水流流態分析研究確定。水流流態復雜的大型水閘樞紐的布置，應經水工模型試驗驗證。數學模擬或水工模型試驗范圍應包括水閘上、下游可能產生沖淤及流態復雜的河段。如工程采用MIKE21平面二維數學模型，模擬了積美攔河閘計算河段的平面水位、流場及河床細部的變化情況，通過對水位、流速、流態以及沖淤情況等指標進行對比分析，預測水閘工程對河道流場和河床沖淤的影響。