束水坝改造及在二河新闸工程运行调度中的应用

昌 魏

(江苏省灌溉总渠管理处，江苏 淮安 223200)

1 工程概况

1.1 二河新闸工程概况

二河新闸地处淮安市清江浦区和平村，位于入海水道与二河的交汇处，是淮河入海水道的第一级枢纽工程。其主要任务是承泄洪泽湖洪水，并控制入海水道与二河的流量。工程规模为Ⅰ等大(1)型。设计泄洪流量2270m3/s。强迫泄洪流量2890m3/s，入海水道的建成，使洪泽湖达到防御100年一遇的洪水标准。二河新闸工程是入海水道进洪控制口门，位置重要。二河新闸采用钢筋混凝土开敞式平底板，10孔，单孔净宽10m，闸底板高程6.0m，顺水流方向长21.0m，总宽120.08m，闸顶高程18.0m。闸门为10.0m×9.1m弧形钢闸门，配QHJ-2×225kN卷扬式启闭机。工程按7度抗震设防。工程总投资9435万元。自2003年建成以来已承泄近80亿m3洪泽湖洪水，保障了当地农作物及人民生命财产安全，为当地的经济发展做出了贡献，并在防洪体系中起到了重要作用。工程于2012年11月通过国家级验收，2015年11月通过国家级达标复检。工程水位组合见表1。

表1 二河新闸工程水位组合

1.2 束水坝工程概况

束水坝位于二河新闸下游450m的淮河入海水道深泓内。2003年、2007年行洪时冲毁，2010年修复，修复后的束水坝坝顶高程6.5m，顶宽18.1m[1]，坝顶下游侧2.0m范围内设置灌砌块石护砌，迎水面为土坡，坡比1∶3，背水面为灌砌块石护坡，背水面坡底设池深为0.5m的灌砌块石消力池。2017年初小流量行洪，束水坝坝体两侧局部为土护坡，水流冲刷造成坡面土体流失，坝身迎水面为土坡，水流冲刷后土体流失较重，坝身表面为素土，水流冲刷造成土体流失，坝面杂草丛生，消力池及池两侧混凝土护坡齿坎由于水流冲刷局部淘空，坝身及两侧局部土体流失，束水坝消力池斜坡段破损坍陷，池前及两侧冲刷，混凝土坡面局部破损，坝面排水沟损毁。

2 束水坝在二河新闸调度管理中的作用

2.1 调节下游水位，确保下游闸底板处于冻融区以下

二河新闸闸底板高程6.0m，原束水坝坝顶高程6.0m，使得闸底板下游侧处于冻融区，为了保护闸底板，减少底板混凝土的冻融破坏，修复后的束水坝坝顶高程6.5m，可有效地调节下游水位，使下游闸底板始终保持0.5m的水深，淮河地区冻土厚度0.1～0.5m，河水结冻厚度一般不超过0.2m，从而有效地保护了闸底板混凝土。

2.2 迅速抬高下游水位，形成漫滩行洪，减少水流冲刷

二河新闸以下淮河入海水道深泓泓底高程为4.5～1.5m，滩面高程9.5m，根据二河新闸的调度原则，二河新闸行洪时初始流量一般为500m3/s，此时若水体不快速漫滩，深泓平均流速可达1.53m/s，而入海水道深泓河床不冲流速仅为0.8m/s，束水坝可迅速抬高下游水位、增加过水面积，从而减小水体流速、减少河床土体流失。

2.3 二次消能

二河新闸采用底流式消能，消力池长28m，池深1.5m，经一次消能后，水体仍存在较大的能量，大流量行洪时下游漫滩行洪，水面较宽，束水坝消能作用不明显，小流量行洪时水体在下游深泓内，可充分发挥下游束水坝消能作用。

3 束水坝在淮河入海水道小流量行洪工况下存在的问题

3.1 淮河入海水道小流量行洪的概念

根据工程资料、非行洪期南泓水力条件，兼顾滩地生产需求，取用泓道糙率0.0275，滩面至水面安全高度0.5～0.7m，经初步演算，淮安地涵以上南泓小流量运行能力为220m3/s；淮安地涵以下泓道分洪能力较强，2007年6月南泓漫水闸以上实测流量达到310m3/s。小流量行洪以泄流量不大于220m3/s为准[2]。

3.2 淮河入海水道小流量行洪的意义

充分利用淮河入海水道南泓小流量分洪的现实意义在于：ⓐ三河闸以300～500m3/s流量预降洪泽湖水位时，下游水位将漫滩，影响到滩地种植，此时南泓分担部分流量，可以有效地保护滩地种植收益；ⓑ灌溉总渠以500m3/s以下泄洪时，南泓分担部分流量，更利于总渠船只航运安全，同时大大降低总渠沿线水电站发电水头损失，更有利于水电效益的高效发挥；ⓒ在非汛期，可以有效保证入海水道大运河立交地涵下游水位维持在3.5m以上，根据大运河立交地涵控制运行方案，下游水位不应低于3.5m，近几年来事实证明，因上游来水量很少，非汛期大运河立交地涵下游水位一般在3.0m以下，严重威胁工程运行安全；ⓓ有利于改善南泓水质，南泓在设计上是污水通道，小流量行洪可以降低污染物浓度，增加水环境容量；ⓔ可以利用水力资源发电，小流量行洪时，二河新闸上下游水位差可以维持在3.5m以上。从推理上，开启二河新闸实施南泓小流量分洪的确是一举多得，防洪、水环境保护、水利经济等方面效益明显。

3.3 二河新闸小流量行洪暴露出的问题

a.束水坝坝轴线与二河新闸轴线存在夹角，泄洪时产生折冲水流，折冲水流蜿蜒蛇行，会使河、渠底部以及两岸遭受严重冲刷，对工程安全十分不利，因此在设计及运用管理中，应力求避免这一不良水流现象的发生。形成折冲水流的主要原因是建筑物下游尾水深度过小，不足以产生完整水跃消杀水流余能。在这种情况下，只要下泄水流单宽流量分布稍有不均，流向稍有不正，就会造成边墙扩散角太大、出流扩散不良等[3]。

经实测二河新闸水流方向轴线与束水坝轴线夹角约为5°，目测水流偏向河道南侧，导致河道边坡南侧受冲刷、北侧产生漩涡，部分护坡冲刷严重，出现边坡土方塌陷的现象。

b.束水坝两侧护坡与原二河新闸下游混凝土护坡间不衔接，引起边坡冲刷。二河新闸小流量行洪流量一般不超过220m3/s，束水坝与二河新闸之间泓道内水体平均流速为2.1m/s，坝后泓道内平均流速为0.67m/s，而边坡土体抗冲刷流速仅为0.8m/s，所以束水坝与原混凝土之间的土护坡冲刷是不可避免的。

c.消力池后海漫较短，不满足小流量行洪要求。二河新闸按220m3/s小流量行洪时，理论计算坝顶单宽流量为4.78m3/(s·m)，束水坝上游水位9.81m，束水坝下游水位9.5m(2010年小流量行洪实测值)，理论计算跃后水深h″c=2.21m，下游水深hs=2.9m，因h″c

图1 二河新闸束水坝消力池剖视(尺寸单位：cm)

d.束水坝坝顶水体流速较大，造成坝顶土体流失。经实测，行洪流量220m3/s时坝顶流速达1.32m3/s，此处土体抗冲流速仅为0.8m/s，2010年小流量行洪仅16天，坝顶最大冲刷深度达0.5m。

3.4 2017年束水坝改造

针对以上暴露的问题，为维护工程完整，保证工程运行安全和工程效益的发挥，二河新闸管理所组织技术人员对下游束水坝修复问题进行研究，及时编报了维修方案。管理处以淮管发〔2017〕1号文件批复同意实施二河新闸束水坝改造项目，批复工程经费28万元。修复方案如下：

a.坝体两侧新做混凝土护坡，坡面C25混凝土厚15cm，下铺10cm黄砂、10cm碎石滤层，坡顶、坡脚设0.4m×0.6m灌砌块石格梗。

b.坝身迎水面新建灌砌块石混凝土，迎水面新做35cm厚灌砌块石护坡，坡下铺10cm黄砂、10cm碎石滤层,坡脚、坡顶设0.4m×0.6m灌砌块石格梗，灌砌块石坡面20～40m分块，块间采用0.4m×0.6m灌砌块石格梗，坡比1∶2。

c.坝身平台新建灌砌块石，坝体表面新做35cm厚灌砌块石护坡，坡下铺10cm黄砂、10cm碎石滤层，灌砌块石顶与排水沟平齐。

d.消力池修复。池身破损、坍陷处回填土方压实后，表面做35cm厚灌砌块石护坡，面层采用5cm厚C25混凝土找平，与原消力池齐平、协调，散抛石护岸，消力池及池两侧混凝土护坡齿坎由于水流冲刷局部淘空，土方填实后，采用单块质量10～100kg块石抛石防护，防护部位抛1～2层块石。

e.破损排水沟按原标准修复，接长至池底。

f.改造过后的束水坝在2018年小流量行洪中有效防止了坝体两侧护坡的冲刷，坝体及消力池完好无损。本次改造起到了重要作用。

4 对 策

a.严格执行调度指令，按运行规程调度二河新闸。严格执行二河新闸的运行规程是保证二河新闸安全的生命线，必须严格控制在设计工况内运用。

二河新闸应根据规划设计要求和管理处防汛防旱调度方案制定控制运用原则，报管理处批准，并接受其监督；由淮河防汛总指挥部办公室提出调度意见，报国家防汛抗旱总指挥部办公室，经国家防汛抗旱总指挥部批准，或国家防汛抗旱总指挥部授权淮河防汛总指挥部批准，并下达调度指令，江苏省防汛抗旱指挥部执行；对下达的调度指令应详细记录、复核，执行完毕后及时填写闸门启闭操作命令票并按要求报送水情信息。值班人员要了解工程的设计功能以及所在流域的作用，并能熟练操作各项设备，具有应急处置工程突发事件的能力；在保证工程安全、满足调度指令要求的前提下，应防止河床淤积及水质污染。

b.均匀、对称开启闸门避免集中水流。闸门开启操作应由2名或2名以上熟悉业务的工作人员进行，其中1人操作，1人监护。遇大流量运行或特殊运行工况时，管理所所长及技术负责人应到现场指挥。过闸水流不应该发生折冲水流、漩涡等不良状态的水流，如果发生这种情况，要及时适当调整闸门开启高度，以消除不正常现象。

小流量行洪时因单宽流量较小，往往出现人为的集中水流现象，根据2010年二河新闸小流量行洪的经验，二河新闸泄洪220m3/s时，开启中间6孔为宜，160m3/s以下行洪时开启中间4孔为宜，下游流态分布较好，单宽流量控制在4.0m3/s以内，可有效地减少折冲水流，也满足设计单宽流量小于22.7m3/s的要求。

大流量行洪时严格按照《二河新闸工程管理细则》开启5号、6号孔闸门，运行至闸门开启高度0.5m；在5号、6号孔闸门运行至闸门开启高度0.5m时启动4号、7号孔闸门，此时4号、5号、6号、7号孔闸门同时运行；在5号、6号孔闸门运行至闸门开启高度1.0m时和4号、7号孔闸门运行至闸门开启高度0.5m时启动3号、8号孔闸门，此时3号、4号、5号、6号、7号、8号孔闸门同时运行；在5号、6号孔闸门运行至闸门开启高度1.5m，4号、7号孔闸门运行至闸门开启高度1.0m和3号、8号孔闸门运行至闸门开启高度0.5m时停止5号、6号孔闸门运行，启动2号、9号孔闸门，此时2号、3号、4号、7号、8号、9号孔闸门同时运行；在4号、7号孔闸门运行至闸门开启高度1.5m，3号、8号孔闸门运行至闸门开启高度1.0m和2号、9号孔闸门运行至闸门开启高度0.5m时停止4号、7号孔闸门运行，启动1号、10号孔闸门，此时1号、2号、3号、8号、9号、10号孔闸门同时运行；将1号、2号、3号、8号、9号、10号孔闸门全部运行至开启高度1.5m时暂停。控制泄洪流量不超过1000m3/s，如果达不到该流量，可进行第二循环的闸门开启，在开启过程中要实时监控泄洪流量，达到1000m3/s后停止闸门开启，待下游水位达到11.68m后方可继续开启闸门，直至达到设计流量2270m3/s。

c.加强对临时设施的管理，包括日常巡视和经常性检查[4]。日常巡视检查主要是对二河新闸管理范围内的水工建筑物、设备、设施、工程环境进行巡视、检查；经常性检查主要是对建筑物各部位进行检查，尤其是对行洪期间束水坝和水流形态进行检查。行洪期间发现水毁工程及时采取应急防护措施，阻止事态的发展，保证建筑物的安全。

d.按水工建筑物的重要性合理确定工程保护顺序。二河新闸为Ⅰ等大(1)型水工建筑物[5]，消力池、闸墩等主要建筑物为1级建筑物，束水坝、上下游护坡等次要建筑物为3级建筑物，所以任何工况下都必须保证1级建筑物的安全，而束水坝、上下游护坡等次要建筑物在行洪期间只要加强观测、水毁后及时修复即可，切不可本末倒置，影响二河新闸整体效益的发挥。

5 结 语

束水坝在大型水闸中并不常见，二河新闸工程具有代表性，科学地管理、维修养护好束水坝对于提高工程管理水平、保护水工建筑物安全具有重要的意义，是当今水利工程精细化管理和安全标准化管理的首要任务；但工程管理人员更要分清水工建筑物的主、次关系，不可拘泥于束水坝等次要建筑物的约束，影响工程整体效益的发挥。正确的做法是加强对束水坝等次要建筑物的管理，最大限度地发挥水工建筑物防洪、减灾的效益。