舟山市定海区白泉大闸重建工程建设技术

彭 渊,王文杰

(1.浙江广川工程咨询有限公司,浙江 杭州 310020;2.舟山市定海区白泉镇人民政府,浙江 舟山 316012)

1 工程概况

舟山市定海区白泉大闸重建工程位于舟山市定海区白泉镇。白泉镇位于舟山本岛东北部,与普陀山、沈家门、岱山岛相毗邻。该工程是中央水利建设投资项目,浙江省强塘固房”工程项目和舟山市重点水利建设项目。工程内容包括拆除现有老闸、外移新建1座总净宽40m的白泉大闸及1 300m的浦道隔堤 (见图1)[1].。新建水闸和隔堤按50 a一遇防潮标准设计[2].,工程概算投资7 671.32万元,现已经基本建成。工程建成后可进一步提高区域防洪减灾能力,满足城镇工农业用水,改善河网水质等综合利用功能,对确保白泉镇经济平稳较快发展具有重要意义。

2 工程建设依据

2.1 安全鉴定成果

现状白泉水闸位于白泉大河末端,是一座以排涝挡潮为主,兼顾当地交通的中型水利工程。工程建于20世纪60年代,是当地防汛、排涝、水环境改善和水资源调度不可缺少的重要建筑,运行以来取得了良好的社会效益、经济效益和生态效益。现状白泉大闸经过近40 a的运行使用,各种设备和设施老化、病害明显,威胁水闸安全的隐患较多,并且排涝规模已经不能满足白泉镇整体防洪排涝功能的需要,经过安全鉴定被评定为四类闸,需拆除重建。

图1 工程平面布置图

2.2 闸下冲淤影响分析

工程附近海域、海床及岸滩与水动力相适应,总体处于基本稳定状态。工程附近海域岸线变化主要由于连岛围涂及矶头间小海湾的围涂引起,矶头岸线外侧泥沙淤积不明显;海域的潮动力强劲,灌门水道深槽的等高线所围面积1960—2006年间略有增大,从趋势上能说明狭道海域的冲刷特性;深泓线的摆动幅度远小于潮流冲刷槽的宽度,亦较为稳定。闸下浦道近期淤积迅速,现状深槽基本靠清淤维持。

原闸址重建,闸下浦道的变化基本是淤积的,由数学模型结果确定涨、落潮历时和涨、落潮平均流速,预测了电厂现状、近期和中远期3种排水规模下,闸下浦道年内平均淤积厚度。泥沙数学模型计算结果表明,近闸河段先淤积,且淤积强度最大,平均淤积厚度0.6～1.0m;横向分布表现为先淤槽后淤滩;入海口门处以冲刷为主,随着排水规模的增加,冲刷长度增大。大洪水期闸下浦道呈现冲刷形态,近闸段平均冲刷厚度0.3～0.5m,远离闸门区域,冲刷幅度逐渐减小。但从闸下的冲淤幅度看来,即便闸上游发生20 a一遇的大洪水,电厂现状排水规模条件下大闸工程年内运行引起的闸下泥沙淤积也很难全部得到清淤。

由于原址重建清淤疏浚工作量大,将闸址外移至入海口门处,对于闸下河床的防淤具有很好的效果。计算结果初步分析表明:闸下河床略有淤积,闸下平均淤积厚度0.2～0.4m,但淤积的总量较原址重建显著减小;闸左侧的电厂排水通道具有束水攻沙的作用,有利于闸下防淤。洪水期内,闸下河床基本处于冲刷状态,平均冲刷厚度与原址重建相当。但从闸下的冲淤幅度看来,如果闸上游发生较大洪水时,闸址外移后大闸工程年内运行引起的闸下泥沙淤积能基本得到清淤。

3 工程建设技术特点

3.1 采用闸址外移重建方案,有效解决了浦道长期淤积的问题

本工程处于舟山市发电厂灰库东堤与舟山市钓浪围垦工程西直堤之间的约125 m宽的浦道上,浦道长度约1 400m。浦道左侧为灰库东堤,为抛石透水堤,布置有2处电厂的冷却水排放口,排水流量为40m3/s,排水方式为24 h不间断均匀排水。灰库东堤顶部建有1条从码头至电厂运煤的皮带运输机及管道[2].。

因工程涉及敏感物较多,新建水闸的选址对工程投资、施工及建成后运行影响均较大,本工程对新建水闸的选址进行了原址重建和外移重建2个方案的论证。

原址重建为拆除老闸,在老闸位置按新的设计标准和规模新建水闸。新闸左侧与山体连接,右侧与钓浪围垦工程西直堤闭合,水闸外侧有长1.4 km,宽125m的浦道,受外海风浪影响小,相对安全;水闸基础靠近山体,建闸工程投资小,估算投资约1 493万元,施工时对周边建筑物影响较小,特别是电厂排水口仍能保持独立运行,基本不受施工影响。本方案由于水闸内缩于浦道内侧,距离出海口较远,存在闸前淤积的隐患。结合闸下冲积专题研究的成果,初步认为年淤积厚度约47.2 cm,水闸运行期间需定期进行机械清淤,清淤年运行费约115万元。

外移重建为新闸址基本位于浦道的出海口,距离最外侧口门约100m,距离老闸位置约1 300m。该处建闸结合消能布置,闸外冲淤基本平衡,不存在闸外侧定期清淤问题,年运行费用低。但因闸下地基软弱,建闸费用相对较高,估算投资约1 723万元;对于外海风浪影响和建闸施工期的影响也相对较大。

闸址外移重建虽然前期建筑费用高,但可以有效解决原址重建情况下浦道长期存在淤积的问题,极大地降低工程年运行费用。对于外海风浪影响方面,可以通过加强工程结构等措施加以解决;施工期的影响可以通过合理的施工方案和施工导流加以解决。

3.2 采用新建浦道隔堤将浦道一分为二,解决了上游排涝和电厂排水的矛盾

工程的布置受灰库堤、钓浪围垦工程西直堤和电厂24 h不间断排水口的制约,工程的建设不能影响相关建筑物的正常运行,特别是不能对电厂冷却水排放产生影响。由于本次水闸需外移重建,场地狭窄、地基软弱,周边敏感建筑物多,工程总体布置难度大,是本工程的主要难点。

工程总体布置方案在水闸外移重建的基础上,又对封闭浦道和不封闭浦道2个方案进行论证,论证中充分考虑了周边敏感物的影响,从电厂及上游排涝、施工难度、工程管理和投资等方面进行了综合论证。

3.2.1 封闭浦道布置方案(方案1)

考虑新建海堤连接段封闭浦道,浦道成为内河。由于电厂的灰库东堤为抛石透水堤,不能与西直堤形成挡潮标准海塘闭合圈,需增加内侧的闭气土方施工,改建东堤为标准堤塘,长度为930m(见图2)。

另外发电厂的冷却水排放口排水不能间断,如工程建成后,排放口处将成为内河,冷却水排放如果仍按现状直排浦道再通过水闸外排入海,将对河道的生态及水闸运行产生不利的影响,并且台风期间水闸不能开闸排水,对电厂影响极大,电厂难以承受。因此排水口需外接管道,穿堤将排放口延伸至外海。

3.2.2 不封闭浦道布置方案(方案2)

在方案1的基础上采用不封闭浦道,新建浦道隔堤将浦道一分为二,电厂灰库东堤与浦道隔堤间为预留电厂排水通道,宽23m,钓浪围垦工程西直堤与浦道隔堤间为排涝河道,宽98m。

新建浦道隔堤与电厂灰库东堤平行,起点为六眼闸处山体,终点止于新建白泉大闸,与西直堤形成挡潮闭合圈。由于浦道隔堤断面型式受水闸布置宽度及电厂排水通道宽度的限制,传统土石结构堤型由于断面宽度过大,不能满足要求,故创新地采用新型堤型断面结构,满足了布置需要,堤线长1 310m(见图3)。

图2 封闭浦道布置图 (方案1)

图3 不封闭浦道布置图(方案2)

3.2.3 2个方案的比较

2个方案从下面几个方面进行了比较 (见表1):

表1 总体布置方案比较表

续表1

通过比较,最终推荐了方案2。该方案解决了下游挡潮和上游排涝问题,并通过新建浦道隔堤,将原浦道一分为二,使得上游排涝和电厂排水有效分隔,既保证了水闸上游河道蓄淡对水质的要求,又使得上游排涝和电厂排水不再相互影响,方便管理;同时隔堤、水闸与西直堤连接形成防潮闭合圈,保证了保护区的防潮安全。

工程建成后上游排涝和电厂排水有效分隔,得到了工程周边各利益相关方的肯定,为主管部门的决策提供了重要依据。工程实施过程也表明,该方案实施是顺利的,施工是方便的,投资是合理且可控的。

3.3 合理的工程布置,提高了区域挡潮排涝标准,增加了御咸蓄淡功能

现状白泉镇防洪排涝能力不足10 a一遇,出海排水口门规模偏小,排水能力不足,随着城镇建设的发展,原来部分可用于调蓄洪涝的农田和低洼地将成为新的城区,可调蓄容量减少,内涝加剧。白泉大闸的新建把该区域排涝能力提高至20 a一遇,挡潮标准从20 a一遇提高至50 a一遇,形成高标准的防潮闭合圈,保证人民生命和财产安全。

白泉大闸的外移重建将使原来位于外海的浦道成为内河。从防洪排涝方面看,相当于增加了1个蓄洪区,对提高整个白泉流域的防洪排涝能力有着积极的效果;从御咸蓄淡方面看,工程建成后浦道成为内河,相当于增加了1个平地水库(库容约40万m3),具有御咸蓄淡功能,其蓄水容积对海岛的用水具有重要意义。

白泉大闸的改造结合白泉镇河道的综合整治开发利用,将极大增强白泉镇的综合功能,提高区域总体防洪排涝能力、改善水环境,营造两岸水绿景观,为全区经济社会可持续发展和幸福宜居新定海建设提供坚实的水利基础保障,社会效益显著。

3.4 创新地采用新型堤型断面结构,克服了工程场地狭窄等困难,满足工程布置需要

新建水闸位于电厂灰库东堤与钓浪围垦工程西直堤之间的浦道上,上口宽度仅125m。根据功能要求,必须将现状浦道一分为二,一侧建水闸及上游河道,另一侧作为电厂排水通道。

工程首先遇到的困难是场地狭窄,在125m宽的浦道内要布置40m净宽的水闸、5m高度的隔堤、水闸排涝河道及电厂排水通道;电厂排水通道不能过窄,否则不能满足电厂排水要求,也容易引起淤积,通过水动力及冲淤数模分析,电厂排水河道在满足40 m3/s排水流量的前提下,河道底高程-0.50m,宽度须大于15 m;而且工程处地基为深厚的淤泥质软土地基。设计、施工难度非常大,对设计方案的合理性要求非常高。

新建浦道隔堤为3级建筑物,设计挡潮标准为50 a一遇。隔堤的堤身宽度和断面型式受场地宽度、周边敏感物和深厚软土地基的限制,常规的土石断面结构型式已经不能满足布置需要。根据工程实际情况和施工条件,隔堤堤型断面结合地基处理和防渗布置,创新地设计出新型桩基框架堤型断面结构,大幅度缩小了堤身断面宽度,为工程布置和顺利实施创造了有利条件。

新型桩基框架堤型设计思路是隔堤采用混凝土灌注桩基础和上部轻型框架结构以尽可能减少隔堤占地,增加电厂排水河道宽度。新型堤型是以钢筋混凝土框架为主,并结合土石堤的复式断面,框架是挡潮、防浪和挡土的主要结构,采用框架结构可减轻堤身重量,减少地基处理费用。直立堤身内外侧与土石堤结合形成复式断面,直立堤后填土,作为防渗闭气土方和绿化带,与堤后地面平顺连接。为避免框架结构基础可能与地基存在不均匀沉降对防渗的不利影响,框架后适当填土并结合预制板桩增加防渗系统的可靠性。地基处理采用φ80 cm灌注桩基础。该堤型占地面积小,有利于内外河道布置,尽可能增加河道过水断面;施工速度较快、工程质量容易保证(断面结构见图4)。

工程施工实践证明,工程方案是安全、合理的,是成功的典型案例。

3.5 施工导流难度高,创造性地提出 “大套小”导流方式,保证施工顺利进行

该工程施工场地狭窄、水闸规模大,施工时既要满足电厂不间断排水需要,又要满足上游河道行洪的需求,因此施工组织和施工导流难度高。水闸施工围堰标准采用汛期5 a一遇,围堰顶高程3.50m。如采用一次性围堰只能满足电厂排水和小洪水要求,预留的口门宽度难以满足上游流域汛期的排涝要求,工程风险大。如采用常规的分期导流方式,在本工程软土地基条件下,一期纵向围堰会把抛石体遗留在地基中,从而影响二期水闸的地基处理,不仅增加施工难度,同时也会增加工程投资,影响水闸的防渗效果。

工程建设过程中创造性地采用了“大套小”的二期导流方式,将围堰分2期进行施工。施工时先按全闸范围构筑一期围堰,时间安排在非汛期内至少完成西侧5孔及翼墙的施工,达到启闭要求,并在汛期到来前,构筑二期纵向围堰,进行东侧剩余5孔水闸及翼墙的施工。二期纵向围堰形成后,拆除一期纵向围堰及部分横向围堰,使得排水口门宽度达到36m,基本满足汛期上游排涝要求。施工围堰采用土石围堰、钢板桩围堰和灌砌石挡墙围堰等多种结构型式的围堰联合布置,以减少投资和施工期对浦道的占用,从而满足施工场地布置和施工期电厂不间断排水和河道行洪的要求,具体布置见图5、6。

图5 一期围堰平面布置图

图6 二期围堰平面布置图

采用 “大套小”的二期导流方式,也可充分发挥施工单位的积极性,在施工设备和人员充足的前提下,可加快一期的施工进度,从而降低施工成本。建设单位也可根据实际情况,适时调整施工进度,增加施工的灵活性。该种施工导流方式对今后同类工程建设有借鉴作用。

4 结 语

本工程涉及敏感物多,涉及面广,场地狭窄,技术难度大。工程中采用了闸址外移结合新建隔堤不封闭浦道的总体布置,有效地解决了浦道长期存在的淤积问题,减少每年的闸下清淤费用和上游排涝和电厂排水相互影响的矛盾,同时又很好地协调了各方的利益,得到有关各方的好评。工程建成后在提高区域挡潮排涝标准的同时,还具有御咸蓄淡功能,社会效益显著。在技术创新方面,采用了新型隔堤断面结构和“大套小”施工导流方案,克服了工程场地狭窄、电厂排水不能间断等困难,满足了工程布置需要,同时保证了施工顺利进行,对今后同类工程的建设和施工具有借鉴意义。

[1].彭渊,金玉,仇健,等.舟山市定海区白泉大闸重建工程初步设计报告 [R]..杭州:浙江广川工程咨询有限公司,2009.

[2].中华人民共和国水利部.SL 265—2001水闸设计规范 [S]..北京:中国水利水电出版社,2001.