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計研究院有限公司，廣州 510635)

1 工程概況

石角咀水閘位于中珠聯圍末端、前山水道的出海口地區(珠海和澳門界上)，是一宗以擋潮、御咸、排水、航運為主要任務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，設計通航船舶噸級為500 t，現狀處于斷航狀態，水閘管理房位于江心洲上；該閘與圍內的洪灣、廣昌、大涌口閘聯合排水，水閘歸中山市運行管理。2019年7月，經安全鑒定該閘被評定為4類閘，需拆除重建，現狀水閘樞紐衛星示意見圖1。

圖1 現狀水閘樞紐衛星示意

石角咀水閘重建工作具體由珠海市實施，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 設計思路及基本原則

1) 滿足工程功能、特點和運用要求。

2) 根據閘址區地形地質條件、水流條件、原有建筑物布置情況，協調與水閘、通航、施工導流建筑物之間相互的關系，保證結構可靠、運行安全，并盡可能做到施工方便、占地拆遷少、節約工程投資、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) 建筑物布置應結合城市遠景規劃布局，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；應盡量選在交通方便和靠近電源的地方，以便機械設備、建筑材料的運輸和架設輸電線路[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。根據行洪過流、控制內江水位壅高和船閘通航等要求，水閘樞紐結構總寬為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，石角咀水閘肩負著擋潮、防止外江暴潮進入圍內的任務，閘軸線宜選擇在岸線穩定、泓灘沖淤變化較小的潮汐河口附近。受市政路橋線位影響，在現狀閘址下游200 m的范圍內進行閘軸線比選。水閘閘軸線初步擬定上、下2條閘軸線進行比較。

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

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

1) 上閘線方案

上閘線新建市政橋與水閘緊鄰布置，市政橋與水閘結構間設永久縫，結構上彼此獨立。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

從地形地質條件、水流條件、施工條件、工程布置及運行管理、工程投資等方面因素，對閘軸線方案進行比較(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 應急泵站布置方案研究

石角咀水閘新建泵站，結合廣昌水閘改擴建工程(增設抽水泵站)、廣昌涌沙心涌內堤加高工程等，形成前山河珠海境內統一的調度體系，以增加水動力，提高前山河水體交換能力，增加前山河流域水環境容量。泵站施工時需開挖深基坑，且泵站運行時有噪聲，為了減小其對周邊房屋及居民的影響，泵站宜靠江心洲側布置，因此，泵站站址擬定2個方案，即左站址和右站址(見圖6)。

左站址方案：位于江心洲左側，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，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

從地形地質條件、施工條件、水力學條件等方面因素，對站址方案進行比較。

1) 地形地質條件

左、右站址地形地質條件對比見表2。

2) 施工條件

左、右站址施工條件對比見表3。

表2 左、右站址地形地質條件對比

表3 左、右站址施工條件對比

3) 水力學條件

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

① 泄流流態對比

通過模型試驗了解泄流流態，并為工程設計提供優化建議[6-7]。水閘下泄流量Q=1 625.27 m3/s時，左站址方案泵站阻水嚴重，進水池處形成漩渦，同時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，水流整體流態呈“S”型；右站址整體泄流流態好于左站址方案，且右站址左右汊上下游流速分布也明顯較好(左、右站址泄流流態分別見圖7～圖8)。

圖7 左站址泄流流態示意

圖8 右站址泄流流態示意

② 孔中流速對比

水閘下泄流量Q=1 625.27 m3/s時，左站址方案孔中流速最大為2.71 m/s，出現在左側3孔水閘中間孔；右站址方案孔中流速最大為2.09 m/s，出現在左側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，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，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

針對泵站右側布置體現出來的水力學優勢條件，前期研究寄希望通過優化閘門調度提高泵站右側布置方案上游運行最大通航流量。

表6 左、右站址上游水位對比

閘門控泄時，基本可以通過閘門調度，使右站址方案上游運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，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，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，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通航要求情況下，樞紐整體泄流量將相應的降低。

通過優化閘門調度，右站址方案上游運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 現狀與工程后左右汊分流比試驗對比

現狀情況下，左汊設8孔、凈寬為5 m的泄水閘，右汊設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3孔、凈寬為12 m的泄水閘，右汊設12孔、凈寬為12 m的泄水閘。右站址方案，左汊設5孔、凈寬為12 m的泄水閘，右汊設10孔、凈寬為12 m的泄水閘。

洪水Q=1 625.27 m3/s，現狀情況下，試驗測得左側過流量約為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，試驗測得左右汊分流比為2.6∶7.4，左汊分流量略小于現狀情況，右汊分流量略大于現狀情況。右站址方案，試驗測得左右汊分流比為3.4∶6.6，左汊分流量略大于現狀情況，右汊分流量略小于現狀情況。現狀與工程后左右汊分流比試驗對比見表8。

表8 現狀與工程后左右汊分流比試驗對比

4) 比選結論

從地形地質條件來看，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、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、現狀與設計方案左右汊分流比對比等水力學條件來看，泵站右閘址方案優于左閘址方案。

在上游正常蓄水位和最高蓄水位情況下，可以通過調節左右汊閘門開度，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，左站址泵站運行時，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，應滿足船閘引航道口門區和連接段的通航水利條件。船閘布置是樞紐安全運行的根本和關鍵[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，應布置在河床的左右岸。

石角咀船閘上游1 km范圍內共有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設計，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，通過3座大橋及現狀船閘通往下游外海，為不改變原航跡線，船閘應布置在河道的左岸即現狀船閘位置。

3 結語

經過比較論證研究，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，在投資節省、技術先進、使用方便等方面達到和諧的統一[11]，水閘樞紐重建后，保護上游中山和珠海共約100.79萬人，治澇面積為1.62萬hm2，同時加大前山河水流動力，增加水環境容量[12]，改善前山河的水質，恢復前山河水道航運，對加強珠海與澳門的經濟融合發揮重要的作用。石角咀水閘重建工程布置方案已通過珠海市水務局和住建局的聯合批復，其通航通航條件影響評價通過國家交通運輸部的審核，洪水影響評價通過水利部珠江水利委員會審查，目前正在進行開工前準備工作。