安宁河德昌城区闸坝工程行洪宽度论证

谭 科

（中国市政工程中南设计研究总院有限公司,湖北 武汉 430000）

概述

河道行洪能力的研究对城市防洪安全至关重要,近年来不少学者采用水工模型试验、数值计算等方面进行了河道行洪能力的相关研究。赵新益等[1]通过模型试验研究了成都市锦江华阳段趸船工程对河道行洪的影响；王涛等[2]采用物理模型试验、数值模拟和经验公式研究了河道糙率和桥墩壅水对宽浅河道行洪能力的影响；李果等[3]采用二维数学模型模拟论证了跨府河伏龙桥工程对河道行洪能力的影响；李铭华等[4]分析了南京市长江岸线整改项目的防洪影响;顿江[5]对古学水电站2# 渣场交通桥修建的行洪影响进行了论证分析,对防洪影响进行综合评价,并提出了应对超标洪水采取的技术措施。

安宁河德昌城区闸坝工程闸址位于小高桥电站取水枢纽下游1 100 m,闸址河段顺直,小高桥电站闸坝处河床较窄,下游河床处于由窄变宽的扩散段内。本工程闸址处河床对称“U”型河谷,两岸Ⅰ级阶地连续分布,其中左岸地面高程为1 330.20 m～1 334.20 m,漫滩高程为1 330.20 m～1 332.75m,河面宽80.0 m。右岸为已建堤防,堤顶高程1 332.79 m～1 336.03m,堤后为原Ⅰ级阶地,地面高程为1 329.76 m～1 330.30 m。从右岸已建堤顶至左岸阶地上缘距离只有122 m 左右,工程河段地形,见图1。

图1 工程河段地形图

1 闸坝行洪宽度方案拟定

根据闸址处原地形地貌特点和原河道堤防情况,该河道处于扩散段,原河床宽度只有122 m,因右岸为已建堤防,闸坝右边墩需与堤线结合,左边墩与拟建阿荣段堤结合,故闸坝的行洪宽度与左岸堤线布置有关；根据设计资料,闸坝布置处堤距为151.0 m。结合闸坝工程建设及左岸堤线布置,拟定闸坝泄洪宽度为148.0 m 和160.0 m 两种方案,以保证左岸堤线较顺直,河道扩散均匀,水流顺畅。本文通过水工模型试验和理论计算进一步对比分析两种行洪宽度的可行性。

2 水工模型试验成果

德昌城区闸坝工程河段水工模型试验模拟了闸坝总宽度148.0 m 和160.0 m 两个方案,对应闸坝处堤距分别151.0 m 和163.0 m,对两方案建闸后特征洪水标准下河道水面线和堤脚冲刷深度等进行了模拟。由于堤距151.0 m 和163.0 m 的闸宽方案仅是闸坝轴线处的宽度不同,德州二桥至闸轴线段左岸逐步扩散略有差异,两方案的闸下河道宽度相差不大,因而同一洪水频率下,下游堤脚冲刷基本没有明显差异。本工程闸坝设计洪水标准采用30 年一遇,校核洪水采用100 年一遇；库内堤防设计洪水标准提高至30年一遇,闸坝下游堤防洪水标准维持原设计标准,采用20 年一遇。囿于篇幅,此处列出堤距151 方案的计算水面线,见表1。

表1 闸坝处堤距151 m 闸宽方案左右岸沿程水面线

3 堤脚冲刷深度计算成果

根据《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）,两种堤距方案下设计和校核洪水堤脚冲刷深度计算成果,见表2。

表2 两种堤距方案下堤脚冲刷深度计算成果

4 方案对比分析

4.1 工程布置

160 m 闸宽方案的闸前正常蓄水位1 330.20 m,闸顶高程1 334.50 m,由泄洪冲砂闸段、上游铺盖、下游消力池和海漫组成。泄洪冲砂闸段布置11 孔12.0×4.2 m 平板钢闸门,闸底高程1 326.00 m,闸基建基面高程1 323.00 m,最大闸高11.5 m,闸室段长14.5 m,闸室每2 孔设沉降变形缝。闸前设15.0 m 长砼水平铺盖,闸后消力池总长33.0 m,其中池长25.0 m,连接段长8.0 m,池宽157.0 m；消力池后接40.0 m长的海漫,宽157.0 m,其后接原河道。闸坝防渗采用水平铺盖与悬挂式高喷防渗墙联合防渗,帷幕线向两坝肩各延伸50.0 m,帷幕轴线总长度260.0 m,帷幕堤线高程1 304.00 m。因闸坝基础置于稍密砂卵石层上,砂卵石下为砂层,为提高基础承载能力和整体性,对闸基中部砂层进行固结灌浆处理,灌浆底线深入砂层下砂卵石层1.0 m。

148 m 闸宽方案的闸前正常蓄水位1 330.20 m,闸顶高程1 334.70 m,由泄洪冲砂闸段、上游铺盖、下游消力池和海漫组成。泄洪冲砂闸段布置10 孔12.0×4.2 m 平板钢闸门,闸底高程1 326.00 m,闸基建基面高程1 323.00 m,最大闸高11.7 m,闸室段长14.5 m,闸室每2 孔设沉降变形缝。闸前设15.0 m 长砼水平铺盖,闸后消力池总长33.0 m,其中池长25.0 m,连接段长8.0 m,池宽142.0 m；消力池后接40.0 m 长的海漫,宽142.0 m,其后接原河道。闸坝防渗采用水平铺盖与悬挂式高喷防渗墙联合防渗,帷幕线向两坝肩各延伸50.0 m,帷幕轴线总长度248.0 m,帷幕堤线高程1 304.00 m。因闸坝基础置于稍密砂卵石层上,砂卵石下为砂层,为提高基础承载能力和整体性,对闸基进行固结灌浆处理,灌浆底线深入砂层下砂卵石层1.0 m。

4.2 工程投资

根据工程布置及建筑设计,两方案工程特性及投资见表3。

从表3 可知,因160 m 闸宽方案比148 m 闸宽方案多一孔闸,工程总投资多353.89 万元,故从工程投资方面,148 m闸宽方案优于160 m闸宽方案。

表3 闸坝泄洪宽度比较表

4.3 对河道两岸堤脚冲深影响

根据水工模型试验成果,由于160.0 m 闸宽和148.0 m 闸宽方案仅是闸坝轴线处宽度不同,德州二桥至闸轴线段左岸逐步扩散略有差异,两方案的闸下河道宽度几乎相同,因而同一洪水频率下下游堤脚冲刷没有明显差异,故两方案对堤脚冲刷深度影响几乎相当。

4.4 库内堤顶高程影响

建闸后,库内两岸堤防30 年一遇设计洪水位将会抬高,根据水工模型试验沿程水面线成果表明,经河道疏浚后,30 年一遇洪水时,160 m 闸宽方案闸前水位1 331.46 m,148 m 闸宽方案闸前水位1 331.70 m,后者高0.24 m；闸坝100 年一遇校核洪水位时,160 m 闸宽方案闸前水位1 332.69 m,148 m 闸宽方案闸前水位1 332.42 m,前者高0.27 m；而库内从德州二桥至闸坝处堤顶高程为1 334.95 m～1 332.79 m,建闸后库内堤顶高程均高于两方案校核洪水位,而库内局部堤顶高程不满足设计超高要求段可采取结合堤顶栏杆建设、增设防浪墙措施后,可消除修建闸坝对库内已建防洪堤的防洪影响,工程处理措施费用少。

4.5 岸边建筑影响

从图1 可以看出,因右岸为已成堤,闸址处堤顶至左岸阶地前沿宽122 m,不管闸宽160 m 或者是148 m,德州二桥至闸坝段均只能向左岸扩散,但左岸闸坝附近现已根据规划修建了大型工厂和附属建筑物,外缘距阶地前沿只有40 m 左右,如采用160 m闸宽方案,左岸堤线需向外扩散12 m,修建闸坝或左岸堤防时施工期将加大对建筑物的干扰和影响,施工处理措施费用高；而148 m 闸宽方案比160 m 闸宽方案少向岸边扩散12 m,修建闸坝不会拆除任何建筑,施工期也不会危及工厂建筑,故从对岸边建筑影响方面,148 m 闸宽方案明显优于160 m 闸宽方案。

5 结论

从工程布置、工程投资、对河道两岸堤脚冲深影响、库内堤顶高程影响、岸边建筑影响等方面综上分析,因148 m 闸宽方案比160 m 闸宽方案投资少,对左岸已成建筑物影响小,148 m 闸宽方案各频率洪水位相对160 m 闸宽方案抬高不大,不会148 m 闸宽方案泄洪总宽变小影响库内堤顶高程,堤脚冲深与160m 闸宽方案相当。故推荐148 m 闸宽方案,即10孔12.0×4.2 m 平板钢闸门,闸轴线长148.0 m。