平原河网排涝闸工程设计方案比选

徐 剑，郭宪艳，徐进刚

(浙江省钱塘江管理局勘测设计院，浙江 杭州 310016)

平原河网地区，地势平坦，河荡湖塘众多，河流密布，平原河网的防洪排涝压力较大，完善区域的排涝体系，提高区域与防洪排涝水平，对当地的社会稳定、经济发展有着重要的意义。为使整个河网联合排涝的整体效益达到最优，平原河网排涝闸设计时，需考虑地形、地质、施工条件、排涝能力、水文、运管、投资等因素[1- 2]。绍兴市上虞区虞北平原崧北河综合整治工程是虞北平原“四横三纵”中的一条纵向排水骨干河道，对排涝要求和排涝标准有着更高的要求，通过崧北河综合治理工程的建设，可满足当地城市化快速发展和产业发展规划的需要，对完善钱塘江上虞区防洪潮能力，增加可利用土地、确保可持续发展以及保护重要基础设施等方便都具有重要意义。

1 工程概况

该工程位于钱塘江南岸，属于中下游强潮河口区，潮位变化很大。工程挡潮排涝的核心是闸门和启闭机[3- 4]。本工程所在区域的水流和泥沙条件复杂，设计需要合理选择排水闸闸址，尽量将水闸轴线与江堤垂直布置。在设计阶段，为给平原河网水闸工程设计提供充足依据，有必要对闸址、规模、消能措施物模验证、启闭机型式、防渗措施等进行多方案比选[5]，以保证排涝闸设计的安全性、先进性、经济性综合最优。重点是复核水闸排涝规模，选择合理的启闭机型式，优化闸下消能设施布置。

2 自然条件

本工程地址位于绍兴上虞区，属钱塘江中下游南岸，区域地貌属钱塘江三角洲相堆积，第四系松散沉积物从上到下分别为钱塘江相新近冲淤物，全新世河海相沉积和晚更新世海陆相沉积及中更新世陆相沉积。地下水主要为浅部粉土粉砂层的孔隙性潜水，以HCO3.Cl—Na.Ca为主要成分，对水下钢筋混凝土结构具有弱侵蚀性。区域大地构造属于扬子准地台钱江台裙带，余杭-嘉兴台陷的东南部。区域工程地质第①-0层塘身填土，为新近修堤堆筑；第①-1层冲填土，局部为塘身填土，为新近冲积土；第②-1层粉质粘土夹粉土；第②-2层粉土夹粉砂；第③-1层淤泥质粉质粘土；第③-2层粉质粘土夹粉砂；第③-3a层为粉质粘土；第④-1层为粉质粘土，可考虑作为水闸桩基持力层[7]。本段地层对地下混凝土结构及钢筋具有微腐蚀性。

3 水闸设计方案比选

3.1 闸址选择

本工程同时具有排水和挡潮功能。根据拟建三号闸与堤防之间的不同连接方式，选择并比较水闸位置。

方案1：布置在堤内。拟新建水闸布置于堤内侧，闸与堤轴线距离约110m，为此，闸两侧堤线内凹，单侧堤长增加182m。主体工程在现有1级堤防内施工，为确保大堤安全，待主体工程完工验收并达到设计防洪(潮)标准后，再进行本工程水闸施工。

方案2：布置在堤上。拟新建水闸轴线在平面上与堤轴线重合，堤顶交通道路与闸室交通道路基本呈直线贯通。外江侧新建两个空箱式盘头与现状堤防相接，作为水闸外江侧翼墙，。

闸址比较在其他布置结构型式不变下，对水闸总体布置变化作经济技术比较见表1。

表1 堤内布置与堤上布置的经济技术比较表

经综合比较，虽然方案2在枢纽布置方面具有交通顺直、美观，且不占用护塘河，不影响现有水系的优势；但方案1水流流态更加顺直、闸下冲刷深度更小；非汛期临时围堰的施工难度小；相应度汛风险小；且工程投资较低，经济优势明显；运行管理较为方便。因此，推荐方案1，新建水闸闸址在堤内布置。

3.2 规模比选

平原产水量计算根据设计暴雨和不同下垫面情况下得出，平原总面积480km2，其水域面积61km2，水田面积284km2，城建区面积130km2，山区丘陵面积5km2。设计20年一遇暴雨下总产水量约为1.44亿m3。本次拟定新建排涝闸比较方案见表2。

表2 新建排涝闸规模比较方案

经过计算各方案，河道各代表点20年一遇的水位见表3，各水闸20年一遇总排水量的统计表见表4。

由表3和表4可知，在推荐河道规模下，增加水闸口门规模可一定程度上降低平原河网最高水位，并增加总排水量。

表3 百崧河-崧北河规模[6]比较表(P=5%) 单位：m

表4 各方案排涝闸排水量统计 单位：万m3

方案2比方案1增加一孔，新建闸门规模为4孔×6m增加到5孔×6m，平原河网各代表站水位下降0.01～0.04m，平原河网总排水量增加到185万m3；方案3比方案2增加一孔，新建闸门规模为6孔×6m，平原河网各代表站水位下降0.00～0.03m，平原河网总排水量在设计工况下增加约100万m3；方案4优于方案3，新建闸门规模为7孔×6m，平原河网代表站水位下降0.00～0.02M，平原总排水量只增加7万m3；新水闸增加了出口闸门的宽度，增加了平原的总排水量，但也会减少其他周围出口闸门的排水效益。

综合分析平原河网上游河段高水位变化及平原总排水量，新建水闸规模选择总净宽36m(6孔×6m)，闸门底板顶高程-0.5m方案，即推荐方案3。

3.3 物模比选

模型上游取闸上300m，闸下至钱塘江堤线以外250m附近，闸下河道与钱塘江汇合口横向宽度约400m。局部动床范围为闸下板桩末端至钱塘江合口外侧，冲刷坑基本呈矩形布置，模型尺寸约为3.0m×9.0m，合原型约120m×360m。模型布置如图1所示。

图1 模型整体示意图

模型上方区域设置为压力边界(P)；上游为水位边界(H)，并设置一定的初始水位；下游为压力出口并设置相应的水位(P)；底面及两岸由于受到闸底板、河道底高程及岸坡等地形限制，也采用了对称边界(S)，或采用壁面边界，表示无通量且无剪切；壁面采用无滑移边界。

根据排涝流量和系数，试验测定了新建闸六孔全开闸下自由出流时的的排涝能力，成果见表5。

表5 自由出流情况下三号闸闸室排涝能力的模拟

闸下排涝能力在特征工况水位作用下，计算相应结果见表6。从表中可以看出，在内河正常水位为2.80m的自由出流条件下，过闸流量为343m3/s；在起排水位为3.10m的自由出流条件下，闸门流量为412m3/s；在3.47m(P=5%设计水位)自由出流条件下，闸门流量为476m3/s，比设计流量400m3/s多19%，因此，三号闸的规模对应的排水能力能够满足要求。

表6 特征水位闸室排涝能力

3.4 启闭机机型比选

水闸启闭机常规有螺杆式、卷扬式和液压式启闭机3种型式[8]，各自的优缺点如下：

(1)螺旋提升机：具有结构简单、适用范围广、维护简单的特点，但存在传动效率低、运行速度慢的缺点。

(2)卷扬启闭机：具有结构简单、运行稳定、启闭速度快的优点，双吊点卷扬机采用机械轴同步，可靠度高，是最普遍的启闭机应用类型。卷扬式启闭机的日常维护也相对简单，管理人员能在短时间内掌握操作和操作维护技能。

(3)液压启闭机：优点是技术先进，液压操作的启闭速度是可调的，设备外形美观(外观无油脂)、布置紧凑等优点；但是液压系统具有各种功能的阀组，运行围护保养要求较高的专业技术，运行操作相对比较复杂。

综上所述，从本工程的运行要求、结构特点和维护保养等方面考虑，水闸的工作闸门的启闭设备推荐采用卷扬机型式。

3.5 闸下防渗墙结构方案比选

根据工程场地的自然条件，排水闸室的基础是粉土层，采用C30灌注桩φ800作为闸室的基础。为了满足水闸地基的渗流稳定[9]，在闸室下方和两侧的空箱岸壁设置上下游、左、右封闭防渗墙。闸室上下游铺盖和防渗墙未在闸下增加防渗轮廓。防渗墙拟采用的结构方案如下：

方案1钢板桩防渗墙：在闸室的上下游两侧的防渗墙采用钢板桩，钢板桩埋入与地基土中，具有良好的耐腐蚀性；根据JTS 153—3—2007《海港工程钢结构防腐技术规范》[10]，取耐腐蚀值，每年两侧腐蚀速速度为0.05mm。当50年的使用年限后，两侧总腐蚀量约5mm，腐蚀厚度在钢板桩的设计中加以考虑。

方案2高压喷射防渗墙：利用灌浆机的灌浆管提前钻至预定深度，设备喷射高压水和高压气体切割土层。当喷射的动水压力超过土体强度时，土体将逐渐脱落，一些土壤小颗粒将从地面冒出来。在冲击力和离心力的共同作用下，其他土颗粒将与泥浆混合、凝固，成型后就是连续的防渗墙。由于造价等原因，未考虑其他防渗方案如地下混凝土地下连续墙等。

两个方案的综合比较后，推荐设计方案1，见表7。

表7 防渗墙方案综合比较表

4 结语

上虞区虞北平原崧北河综合整治工程实施后，三号闸参与将虞北平原涝水排入钱塘江，将有效提高虞北平原的排涝能力，结合闸址、规模、消能措施物模验证、启闭机型式、防渗措施等方面进行多维度比选方案的分析，主要结论如下：

(1)平原河网排涝闸规模论证需结合周边水系运行调度，不但要确保单闸设计的安全性、先进性，在有效提高虞北平原的排涝能力时，还要考虑河网联合排涝的整体效益，。

(2)粉砂土地基的水闸渗流设计极其重要，闸下采用钢板桩围封防渗效果较为可靠。