仪扬河闸泄洪建筑物增设方案的对比分析及应用

2023-03-15林智康曹立力

陕西水利 2023年2期

全莉，林智康，康慷，钱军，曹立力

（1.扬州市勘测设计研究院有限公司，江苏扬州 225007；2.扬州大学水利科学与工程学院，江苏扬州225009）

水闸是一种修建在河道和渠道上利用闸门控制流量和调节水位的低水头水工建筑物。随着经济社会的快速发展，水闸的功能及重要性得到了越来越多学者及工程人员的重视，当前，学者们对水闸的研究主要集中于先进的施工技术在水闸建设及改造工程中的应用[1-4］，数值模拟分析技术在水闸泄流及结构计算中的应用[5-9］，水闸的金属结构及控制系统的分析[10-11］，水闸的安全评价[12-14］等方面。当水闸建成运行周期长，水情和工情会发生变化，水闸的功能也会随之改变，为此需要根据当前水情和工情的要求，对现有水闸进行改造，本文以扬州市仪扬河闸为例，对其水情发生变化后采取的各种技术方案进行分析，以期为同类水闸增设泄洪建筑物的技术方案提供参考。

1 工程概况

扬州市仪扬河闸位于仪扬河与润扬河连接处东侧约1.2 km处，是仪扬河上的一座跨河建筑物（见图1）。仪扬河闸建成于2012 年，主要承担拦挡西部洪水、防止洪水倒灌扬州主城区的任务，原设计为Ⅱ等2 级水工建筑物，单孔净宽22 m。在仪征市和邗江区域防洪排涝规划实施前，仪扬河闸的水情发生变化，在仪征市主城区具备排水条件且水位可控的条件下需增加仪扬河闸的反向泄洪功能，水闸原有的单向泄洪功能无法满足要求，需采取泄洪功能提升改造措施。针对仪扬河闸的水情和功能需求，提出了3 种不同功能提升方案，并从工程安全性、运行调度、原设计主体结构的影响、外观环境景观及社会影响、交通影响、施工条件、改造工程量及投资、可操作性共8 个方面进行对比分析，以期为同类型建筑物功能提升改造设计项目积累经验。

图1 仪扬河闸

根据《扬州市城市防洪规划（2012-2020）》及《扬州市苏中区水利治理规划》，仪扬河闸上游侧河道设计水位为6.77 m，50 年一遇防洪设计水位为7.43 m，100 年一遇防洪设计水位为7.45 m。仪扬河闸下游防洪标准为50 年一遇。针对仪扬河闸的功能提升特点，经仔细分析工程原设计情况并复测下游河道抢险后的水下断面后，遵循“增能不降标”和保留原设计主体结构的原则下，初步提出了新建双侧堤后式箱涵、新建单侧堤后式箱涵、新增叠梁闸门、改造三角门为升卧门、改造三角门为双扉门、改造三角门为钢坝闸、保留三角门改造下游消力池新建钢坝闸共7 个方案。

2 方案对比分析

方案1 新增叠梁闸门方案适用于静水启闭工况，仪扬河闸需动水启闭，大跨度动水启闭过程中，闸门侧阻力较大，可能会产生叠梁闸门无法吊出、影响应急泄洪，存在一定的安全隐患。方案2 将三角门改造为双扉门，需新增闸室的工作排架和启闭机房，启闭机房高度超出现状控制房近10 m，对外观环境影响很大。方案3 将三角门改造为升卧门，跨径达22 m 的升卧门属于江苏省首例，改造技术经验不足，且金属结构设备价格较高。方案4 将三角门改造为钢坝闸，钢坝闸需抬高门槛高程至1.4 m，对通航有影响。方案5 保留三角门，改造下游消力池并新建钢坝闸，新建钢坝闸的面板高度较高，厂家生产经验少且金属结构设备价格较高，闸门控制精度一般，运行管理存在一定风险。经初步分析，上述的5 个方案在仪扬河闸增能改造中均存在弊端，为此本文将重点讨论方案6 新建双侧堤后式箱涵和方案7 新建单侧堤后式箱涵。方案6 新建双侧堤后式箱涵共包括2 种方案，方案6-1 新建双侧堤后式箱涵，在仪扬河闸址堤后双侧各布置一座单孔箱涵，依据现场上游与下游均成90°角布置，箱涵孔口尺寸为4.0 m×3.5 m（净宽×净高），底板面高程0.5 m，闸首顶高程9.0 m，涵洞上下游均为90°角布置，双侧堤后式箱涵总长约210 m，见图2（a）。方案6-2 的箱涵孔口尺寸为4.0 m×3.5 m（净宽×净高），底板面高程0.5 m，闸首顶高程9.0 m，涵洞上游为90°角布置、下游为150°角布置，双侧箱涵总长约200 m，见图2（b）。

图2 新建双侧堤后式箱涵方案

方案7 新建单侧堤后式箱涵包括2 个方案，方案7-1 在闸址南侧堤后布置一座双孔箱涵，孔口尺寸均为4.0 m×3.5 m（净宽×净高），底板面高程0.5 m，闸首顶高程9.0 m，涵洞上、下游均为90°角布置，箱涵长度约145 m，见图3（a）。方案7-2在闸址南侧堤后布置一座双孔箱涵，孔口尺寸均为4.0 m×3.5 m（净宽×净高），底板面高程0.5 m，闸首顶高程9.0 m，涵洞上游为90°角布置，下游为150°角布置，箱涵长度约130 m，见图3（b）。

图3 新建单侧堤后式箱涵方案

方案6-1、方案6-2、方案7-1 和方案7-2 均需要破堤开挖施工，破坏两岸管理设施。方案6-1、方案6-2、方案7-1和方案7-2 工程建成后，洞顶均可维持现状地坪原样，仅增加两小间启闭机房，对外观影响小。方案6-1 工程投资较少，而方案6-2 的两侧箱涵斜向对冲出流，需要的消能防冲段较长，河底防护长约250 m，增加额外工程投资。方案7-1 与方案7-2 均仅南岸单侧开挖施工，影响范围小于两侧新建箱涵方案，但单侧箱涵出流，对消能和北岸堤防岸坡稳定不利，需要增加下游侧消能设施，方案7-1 需对北岸约250 m 驳岸墙进行拆除重建，增加投资较大。方案7-2 对北岸120 m 驳岸墙进行拆除重建。

为进一步验证方案6 和方案7 的合理性和安全性，采用ANSYS 软件对各方案进行数值模拟分析，重点分析两种泄洪工况下箱涵的流速及流态。泄洪工况1 的上游水位为7.0 m，下游水位为5.5 m，流量为100 m3／s；泄洪工况2 的上游水位6.5 m，下游水位为5.5 m，流量为60 m3／s。方案6 和方案7的各方案水深5 m 特征截面的速度云图见图4～图7。在2 种泄洪工况时方案6-1 高流速区在1.93 m／s～2.26 m／s 范围，高速区范围较小，远离箱涵对冲区域流速下降幅度较大，近岸区最大速度在0.64 m／s。方案6-2、方案7-1 和方案7-2 在2种泄洪工况时均出现近岸区流速大的区域，方案6-2 的近岸区流速最大达1.22 m／s，方案7-1的近岸区流速最大为2.64 m／s，方案7-2 的近岸区流速最大达2.79 m／s，均会对河岸边坡产生冲刷作用。方案6-2、方案7-1 和方案7-2 均出现了明显的偏流现象，为确保工程安全，需采取更多的防护措施，从而增加工程投资，另从流速冲刷岸坡角度综合分析，建议采用方案6-1，该方案的两侧箱涵对冲出流的消能效果最好，工程安全性、影响范围及美观性的整体优势明显。