零影响改造中泄洪建筑物方案的比选分析

隋 昕，庞 正，谢 忱

(1.山东省调水工程运行维护中心胶州管理站，山东 胶州 266300；2.山东省调水工程运行维护中心博兴管理站，山东 博兴 256500)

1 零影响改造原因调查

既有水利枢纽工程随着使用时间增加会伴随各种病害的产生[1]，大沽河枢纽自1989年建立以来已经持续运行了30余年。如今设备设施老化、安全隐患陡增、效能持续减弱的情况屡见不鲜，枢纽工程极大程度上影响着灌区人民生活质量，改造工作迫在眉睫，在不影响输水工程正常输水的情况下实行最优方案的改造是“零影响”改造的本质意义[2-4]。该枢纽工程处在胶州市东北，与王珠乡小高村相距20km，具体来看，坐落于大沽河输水河设计里程241+399处。由于该项工程是引黄济青工程中的输水枢纽工程，修建时各环节安装颇为完善，主要包含闸门、坝址、交通桥、水渠和涵洞。此外，倒虹是闸门和交通桥的基础，在该枢纽中扮演主要角色。近年来，管理人员在调水枢纽运行期间观察发现了该枢纽站存在不同程度的老化、损坏等问题[5]。

1.1 倒虹吸现状调查及质量问题分析

1.1.1现状调查

大沽河倒虹吸长度总共444m，整体使用钢筋混凝土结构浇筑而成，管身形状为箱型，净空尺寸为2.75m×2.75m，整个倒虹吸被分为23节且每节都设置成两孔形式。管底高程深浅不一，滩地段、泄洪闸段和冲砂闸段高程分别是3.09、1.35、0.55m，倒虹出口处管底高4.48m。管身三段分，斜管连接位置处在第15和第20节；岔管段位于第23节，在此处汇合有无压引水箱涵，该引水箱涵穿过大沽河左岸。

1.1.2质量问题分析

20年来，倒虹吸一直维持深水状态，供水期与非供水期水深相差不过1m左右。每逢大沽河丰水期，河水直渗使得倒虹涵洞难以负荷而造成漏水现象，这在近几年来已经成为屡见不鲜的状况。上游采砂，下游河床降低，倒虹涵洞由此变成拦截河水的堤坝，迅猛的河水日夜冲击着倒虹，不仅影响着倒虹寿命，还存在非常大的安全隐患，急需实行加固改造措施防止事故产生。团队无法对常年积水的倒虹内部进行混凝土抗压强度检测，此次检测只针对表面和进出口的混凝土。仅对外部做现场调研和质检已经能够判定该倒虹早已不符合规范对其质量的约束，应抓紧完成维修加固工作[6]。

1.2 泄洪闸、冲砂闸、引水闸现状问题调查及质评分析

泄洪、冲砂和引水三个闸门混凝土材料使用已达20余年，质量老化程度较高，此外，咸水冲刷致使混凝土碳化加快成为主要质量成因[7]。除材料本身问题，冲刷造成的建筑物损坏也相继产生，我们将此次调查做了系统性整理，见表1。

表1 闸门现状问题及质评分析表

1.3 交通桥现状调查及质量问题分析

1.3.1现状情况调查

调查发现交通桥属于双柱空心板型桥梁，上部结构高程9.5m，桥梁长、宽分别为200、4.5m。

该交通桥梁连接河流两岸两个主要经济体，流量大，荷载大是该交通桥最大特征。经现场调查发现，桥梁附属设施破损严重，护轮带未安装，栏杆多处缺失。桥梁下部结构受损严重，大面积混凝桥墩混凝土出现脱落和裂缝状况，不少地方可见明显漏筋，病害严重[4]。

1.3.2交通桥质量问题解读

根据JTG H11—2004《公路桥涵养护技术规范》和其他相关规范，大沽河交通桥技术状况类别为五类桥梁，大面积的混凝土质量问题是桥梁质量过保的征兆，该桥梁已经无法满足质量安全要求，需立即进行改建或者拆除重新修建。

2 泄洪建筑物方案比选

上游采砂是引起此处河床下切的主要因素，该段河床下降高达2m，已对工程造成严重威胁。由于大拆大建会影响甚至中断引黄济青工程正常输水，所以本次改建理念为“零影响下的微改造”。零影响要求不对现有输水现状造成威胁，这是本次改造的硬要求。拆除现状倒虹吸管所需工期长，水利状况不确定因素很多，由此产生的措施项目费和损失不可估量，故此次按照保留原倒虹吸现状，维持现有闸门底板高低的原则实施。关于闸门混凝土侵蚀、闸门裂缝和局部漏水问题，考虑工期长短带来的额外经济收益和损失，我们按照“保持机构体系不变，微调电器设备”的更新原则进行，即只针对上下游翼墙、护坡和护底的塌陷问题加以稳固和维修，不做倾覆式的大拆大建。但即使是“针灸式”的改造也涉及到方案最优化的问题，选择合适且创新性的方案更有利于后期工程的实施。文章通过对优缺点分析和各方案可比项投资的比较最终确定了一个原则下可行的最佳方案[8-9]。

2.1 (方案一)新建橡胶坝及交通桥

新建3孔橡胶坝，中墩边墩分别按照2个设计，橡胶坝坝孔按照33.5m设计，如图1所示。将原有冲砂闸用于调节橡胶坝，设为调节闸。拆旧桥，建新桥。重新修建交通桥，将桥面与堤坝等高设计，这样设计好处在于汛期能够保证人员、车辆安全，彻底解决危桥风险。

图1 橡胶坝平面示意图

优点：橡胶坝在汛期不阻水，可保证大沽河在汛期的正常泄洪，彻底规避人流和车流安全风险，减小倒虹损害。新建桥梁比起加固桥梁更为容易，属于投资最低的新建桥方案。

缺点：由于材质原因，橡胶坝耐久性大大低于钢闸门。

2.2 (方案二)新建泄洪闸(钢闸门)及交通桥

交通桥新建同方案一，桥面高程按照13.8m修建，不同的是方案二注重对泄洪闸的新建。按照10孔(2.8m×9.6m)闸门规模新建开敞式钢筋混凝土泄洪闸，闸门室、闸门底板和闸门分别按照105.7m×6.7m×5m的规模建设，挡水位设置为7.5m高，如图2所示。此外还将设计工作闸门，闸门顶部安装机房和机架桥。

图2 钢闸门新建桥方案横剖面示意图

优点：从根本上解决河流泄洪问题，建筑物将来维护更加方便，安全度更高，耐久性能更好，施工难度小于加固工程。

缺点：投资高，违背改造原则。

2.3 (方案三)泄洪闸(翻板门)与交通桥重建

拆除泄洪闸，重新修建翻板闸门(液压控制型)。孔洞按照10孔布置，其中每道孔均设置5m×2.5m翻板闸门两道，底板高程为5m，挡水水位为7.5m，泄洪闸宽度设置为10m，如图3所示。交通桥新建，同方案一。

图3 翻板门新建桥方案横剖面示意图

优点：投资少(投资在新建桥方案里居中)，结构简单，施工难度小，工期短，耐久性好。

缺点：翻板门涉及到埋件安装、支墩安装和混凝土门体框架安装，精度要求非常高，埋件和支墩安装偏差都要求不大于2mm。目前对于翻板门技术仍然处于初步阶段，安装困难较高，很难达到要求，技术路线还不够完备，仍然需要探索、创新来完善技术，保证技术可靠性。近期试验表明，当下翻板门的连杆轴和滚轮轴极易因上游泄洪的异物造成卡壳，异物卡壳会导致行洪困难，严重威胁防洪构筑物的结构稳定性，位于水下的液压推杆在水下时间会更长，损坏几率会更大[10]。不仅如此，当遇到不利水流时，晃动会导致翻板闸门直接破裂，泄洪状态下翻板闸门阻水现象显著。

2.4 (方案四)合二为一，新建泄洪闸并加固成交通高桥

新建钢闸门作为泄洪闸，与方案二雷同。依旧按照开敞式泄洪闸修建，闸门采用钢制闸门，尺寸规格如图2所示。与方案二相同，依然设计一道工作闸门，闸门顶部安装机房和机架桥。全盘更新交通桥上部附属结构，拆除原病害梁板并重新更新为混凝土预制盖梁与桥板，桥面高程13.8m，位于原高程之上，排除漫水威胁。桥面系跨度设计20m，材质使用装配式混凝土材质，减缓河水腐蚀。

其中，进口段与出口段分别按照长度为215.4m和158.5m设计，大桥全长564.9m，包含4段弯道，如图4所示。

图4 钢闸门加固桥方案横剖面示意图

优点：从根本解决大沽河泄洪困难的问题，钢制闸门优势明显，高耐久性和高安全性，后期维护更加方便。

缺点：交通桥梁加固难度大，对原桥梁基础结构有较大的承重要求，施工技术特殊。桥梁高程需要加高，但是加高后的桥梁抗震性能会降低，车辆行驶与洪水冲击引起的震动会辐射到倒虹对其造成危害。加固桥梁能增加原有结构的利用率，但调查显示桥梁下部结构病害严重，难以支撑上部的加固工作，此外，4个弯道段更加大了加固工作的难度，增加了措施项目费用[9]。

2.5 (方案五)重建液压泄洪闸(翻板门)，加固为交通高桥

按照10孔设计，孔间跨度10m，重建立、液压控制翻板门泄洪闸门。每个孔都设置5m×2.5m的翻板闸门两扇，根据历年洪水水位线高度，将挡水水位增高至7.5m以保证桥面安全。

交通桥加固方案同方案四，全盘更新交通桥上部附属结构，着重安装桥面路灯和落水管，拆除原病害梁板并重新更新为混凝土预制盖梁与桥板，桥面高程13.8m，位于原高程之上，排除漫水威胁。进口段与出口段分别按照长度为215.4m和158.5m设计，大桥全长564.9m，包含4段弯道，如图5所示。

图5 翻板门加固桥方案横剖面示意图

优点：结构简单，施工过程难度较小。

缺点：技术未落地，主要技术困难未突破。

2.6 (方案六)新建泄洪闸(钢闸门)，加固漫水交通桥

新建闸门，依旧按照开敞式钢混结构修建泄洪闸，闸门使用钢制闸门，如图6所示，孔洞共计10个，尺寸均为9.6m×2.7m，闸室宽度设计为105.7m宽，闸门底板长度为6.8m，高程依旧保持原有高程，堰型选取平底宽顶堰。按照要求设置工作闸门，闸门顶部根据相关规范要求布置机架桥和启闭机房。原桥梁梁板和桥板均拆除后新建，新建桥梁依然保持9.5m高度要求。

图6 钢闸门加固漫水桥方案横剖面示意图

优点：最大程度解决大沽河泄洪问题，后期维护方便，维护使用费用降低，泄洪闸耐久性和功能都大幅度提高。

缺点：桥梁加固是一项高风险工程，不仅难度大，而且原有桥梁危险程度已经超越规范规定的底线要求，这对后期加固工作是一个很大威胁；加固桥梁无法彻底解决“漫水桥”现状和交通桥因为运维阶段的震动对倒虹造成的危害。此外，桥梁加固依然未根治漫水桥的危害，漫水桥在汛期对相关管理人员和桥上车辆安全构成极大生命财产威胁。

2.7 (方案七)重建液压泄洪闸(翻板门)，加固漫水交通桥

加固漫水桥方案同方案六，不拆除，根据现有调研报告对桥梁进行加固处理，更新上部结构，保持桥面高度为9.5m。泄洪闸门重建使用液压控制型翻板门，泄洪闸宽度保持10m，孔洞数量以及规格同其余方案中液压控制翻板门规格尺寸，如图7所示。

图7 翻板门加固漫水桥方案横剖面示意图

优点：翻板门结构简单可靠，造价低廉，泄洪闸重建施工相对简单，节约工期，不会对现有引水工程造成较大影响。

缺点：翻板门技术要求较高，规范明确要求安装精度偏差小于2mm，目前安装方法不足以满足这样的高精度要求，仍然需要探索、创新来完善技术，保证技术可靠性。近期试验表明，当下翻板门的连杆轴和滚轮轴极易因上游泄洪的异物造成卡壳，不仅如此，当遇到不利水流时，晃动会导致翻板闸门直接破裂，泄洪状态下翻板闸门阻水现象显著。即使对桥梁进行加固也不能阻止汛期洪水漫过交通桥，不能保证汛期人员安全。

2.8 (方案八)更换泄洪闸翻板门，新建交通桥

与其他方案不同，方案八将原有漫水桥保留作为工作桥来更换泄洪闸门，泄洪闸孔宽度设计10m，共计10个孔洞，每个孔洞设计5m×2.5m的翻板闸门两道，挡水水位和底板高程与上述翻板闸门方案相同，均为7.5m和5m。交通桥新建，但桥面高程为13.59m。

优点：①大面积维持工程现有状态，比较充分保证现有水资源被引用。②新建交通桥，桥面保证顺直，施工难度较小，桥梁耐久性好。桥面高程与堤坝平齐以保证汛期防洪和调水工作的正常进行，保障管理人员和桥上车辆安全，彻底防止震动对倒虹造成危害。

缺点：翻板门阻水问题未解决。

3 结论

大沽河枢纽泄洪建筑物在“零影响”改造的大前提下衍生了上述8个可行方案，这8个方案在成本、技术和安全等方面的比较下，权衡水资源利用和引黄济青工程等各方面因素本次推荐使用方案八，即维持工程现状，更换翻板门和新建交通桥方案。

方案八优于其余方案主要体现在投资数目相对较小和现状维持明显两方面。其一，对比观察表2中投资比较表可见方案八(更换泄洪闸翻板门，新建交通桥)在建筑工程投资项中属8个方案中最低。此外，通过比较8个方案中前3项的投资合计数额后发现第八个方案在建筑、金属结构和机电设备中的投资远小于其他7个方案。8个方案中，只有方案八在机电设备中的投资为零。其二，上述对8个方案的优缺点分析中，虽然方案八、方案六、方案四和方案二都具备正常的泄洪能力、安全的运维条件、便捷的维护流程和高质量高耐久的泄洪闸门，但只有方案八能维持工程现状并充分引用大沽河现有水资源。通过对工程现状及病险问题进行分析，对包含闸门和交通桥等防洪建筑物进行排险加固改造，使枢纽能够恢复正常运行，充分发挥引黄济青工程的现实性作用，稳固灌溉区人民群众的经济增长。实践证明，这样的更新改造可以将投资发挥到最优，增效显著[11]。

表2 各方案可比项投资比较 单位：万元