积美拦河闸坝枢纽工程布置方案比选

杨吉旺

(中山市水利水电勘测设计咨询有限公司，广东 中山 528400)

1 工程概况

吴川市积美拦河闸坝工程为鉴江第五梯级拦河坝，于1990年投入使用，是以排洪、灌溉、供水为主，结合航运及公路交通的水利枢纽工程。经过几十年运行，水闸老化失修，存在严重安全隐患，此次对该工程进行拆除重建。重建工程等别为大(2)型工程，主要建筑物、水轮泵站、船闸闸首及闸室级别为2级，次要建筑物级别为3级，临时建筑物级别为4级。设计洪水标准为50年一遇，校核洪水标准为100年一遇。船闸通航按50 t船只设计。重建后闸孔总净宽为225 m，分15孔布置，单孔净宽15 m，设计泄洪流量4 830 m3/s(P=2%)，校核泄洪流量5 337 m3/s(P=1%)。闸室采用平底宽顶堰型，堰顶高程为-1.00 m，闸室长度为22 m。交通桥荷载标准按汽车荷载按公路-Ⅰ级设计，地震基本烈度为Ⅶ度。

根据地勘报告，水闸工程区地层自上而下为：第四系人工堆积(①-1抛石、①-2人工填砂)、第四系冲积层(②-1粉质黏土、②-2中粗砂、②-4圆砾)、第四系残积层(③残积土)、震旦系变质岩(④-1全风化花岗片麻岩、④-2强风化花岗片麻岩、④-3弱风化花岗片麻岩)。闸室建基面土层为中粗砂，其下为花岗岩层，地基条件较好。

1.1 工程总布置方案比选

此次重建积美拦河闸主要建筑物有：船闸、深水闸、管理区、水轮泵站以及上下游导墙等建筑物。工程总体布置将根据工程选址处的地形、地质、水流、施工、征地拆迁等条件以及各建筑物的功能、特点、运用要求等确定，要求工程布置与鉴江两岸大堤合理衔接，在形成整体防洪排涝体系的同时，做到布局合理、协调美观，与其他水利工程组成有机的联合体，共同发挥工程效益。

在可研阶段成果的基础上，经进一步分析，船闸的布置是关键，关系到整个水闸枢纽的整体布置。初设阶段拟采用以下两个布置方案进行比选：方案一(船闸位于左岸)：从左岸到右岸分别为船闸、拦河水闸、管理区、水轮泵站。船闸布置于左岸，船闸右侧为水闸，原船闸位置布置水轮泵站，管理区将水轮泵站及水闸分开。船闸上闸首布置于枢纽上游,下闸首及交通桥与水闸在同一轴线。布置方案见图1。方案二(船闸位于右岸)：沿用水闸现状各建筑物的布置方式，从左岸到右岸分别为拦河水闸、水轮泵站、管理区和船闸。船闸布置于右岸，位于原船闸闸址，管理区将水轮泵站与船闸分开。由于上游受右侧山体影响，为了满足引航道的尺寸要求。船闸上闸首及交通桥布置与水闸在同一轴线，为了满足下游引航道的尺寸要求，鉴江右侧堤防需进行退堤改建。布置方案见图2。

图1 方案一(船闸位于左岸)平面布置图

图2 方案二(船闸位于右岸)平面布置图

以下分别从地形地质条件、建筑物布置条件、水流条件、运行管理条件、施工条件、征地拆迁条件、改扩建条件及工程投资等方面对上述两闸轴线方案进行比较。

2.1 地形地质条件

方案一地形开阔，有利于建筑物布置，船闸上、下闸首均坐落于残积土层，船闸闸室局部坐落于砂层，但厚度较薄，地基沉降量较小。方案二地基为中粗砂层，厚度较薄，花岗岩层在较浅仅在-13 m左右，地基沉降量小，上游导航段右侧为山体。

从地质条件来看，两个方案的船闸工程地质条件相近，没有重大工程地质问题，均具备修建船闸的工程地质条件。从地形条件来看，方案一设计基坑底高程-2.20 m(上下闸首)、-1.20 m(船闸闸室)与现状河底高程相差不大，但下游导航段现状淤积较为严重，疏挖量较大。方案二船闸位于旧船闸处，由于旧船闸闸室高程接近3.00 m，造成较大基础开挖回填工程量，增加投资。从地形地质条件来看，方案一略优于方案二。

2.2 建筑物布置条件

方案一地形相对开阔，船闸上游导航段可布置相对较长，船只进出闸比较畅顺。方案二受上游山体影响，船闸上游导航段小于1.50倍船长，需根据地形调整；下游受堤防影响，需对下游大堤进行退堤以满足船闸通行要求。船只进出闸不够畅顺。从建筑物布置来看，方案一优于方案二。

2.3 水流条件

此次设计通过MIKE21平面二维数学模型，以垂线平均的水流因素作为研究对象，模拟积美拦河闸计算河段的平面水位、流场及河床细部的变化情况，通过对水位、流速、流态以及冲淤情况等指标进行对比分析，预测水闸工程对河道流场和河床冲淤的影响，通过对各设计方案的流态、流场变化情况对比分析提出推荐的水闸设计方案。

为了便于问题分析，在拟建工程附近及上下游河道共布设20个水位采样点，其中水闸上游2 km范围内布置10个水位采样点，水闸下游2 km范围内布置10个水位采样点；在水闸闸孔处和水闸上下游100 m范围内布置105个流速和冲淤厚度采样点；采样点位见图3、4。

图3 水位采样点图

图4 流速及冲淤采样点图

2.3.1 水位

两个方案水闸上下游2 km范围内各水位采样点详见表1。方案一闸上水位6.40 m，方案二闸上水位6.48 m，方案一闸上水位略低于方案二。

表1 各方案水位采样点水位表

2.3.2 流态

方案一P=2%的流场图见图5，方案二P=2%的流场见图6。

图5 方案一流场图(P=2%)

图6 方案二流场图(P=2%)

从各方案的流场图可以看出，两方案主流均在河道中间，流态稳定，流线平顺，未出现旋涡等不利流态。通过分析两个方案水闸上下游100 m范围内各采样点流速和流向可知，两方案闸上、闸下流速以及过闸流和速流向差异不大。

2.3.3 冲淤

单次50年一遇洪水过程下，方案一、方案二水闸上下游冲淤情况见图7、8，图中红色(浅色)为淤，蓝色(深色)为冲。

图7 方案一水闸上下游河床冲淤厚度图

图8 方案二水闸上下游河床冲淤厚度图

设计工况下，由于闸下护坦的作用，单次洪水对水闸下游的冲淤影响不大，各设计方案闸下冲淤程度基本一致，最大冲淤厚度0.03 m。方案一中，左岸船闸上游建有导流墙，岸坡附近水流流速小，水流对水闸上游左岸的冲刷程度小于方案二。

综上，从水流条件来看，方案一优于方案二。

2.4 运行管理条件

方案一船闸布置在左岸，可在左岸单独布置管理房，与水闸分开管理，功能分区明确，运行管理灵活。方案二船闸布置于原位置，需与水闸共用生产生活管理区，有利于整个水闸枢纽的管理。从运行管理来看，方案一与方案二各有利弊，不分上下。

2.5 施工条件

方案一船闸与水闸左侧6孔闸孔均为一期施工，平衡了二期施工的工期压力。方案二在旧船闸位置施工，船闸需整体布置在下游，施工围堰较大。从施工条件来看，方案一优于方案二。

2.6 征地拆迁条件

方案二船闸位于右岸，下游堤防需退堤改建，涉及征地拆迁。从征地拆迁条件来看，方案一优于方案二。

2.7 改扩建条件

方案一船闸布置在左岸，船闸左侧及与大堤之间留有足够空间，为船闸改扩建提供条件。方案二船闸布置于右岸，右侧受用地红线及堤防的限制，左侧为管理区，船闸改扩建需要退堤，新增用地。难度较大。从改扩建条件来看，方案一优于方案二。

2.8 工程投资比较

方案一总投资约4.40亿元，方案二总投资约4.25亿元。方案二由于上下游引航段挡墙与右岸挡土墙结合在一起，投资稍少于方案一。因此，从工程投资角度比较，方案二略优于方案一。

通过以上技术经济比较，综合考虑地形地质、建筑物布置、水流条件、运行管理、施工条件、征地拆迁条件、改扩建条件及工程投资等因素，拟推荐方案一(即船闸位于左岸的布置方案)为推荐方案，水闸枢纽布置从左岸到右岸依次为船闸、拦河水闸、管理区、水轮泵站。目前，该方案已经通过上级有关部门的审批。

3 结语

闸坝工程的合理布置是水利枢纽工程设计中的关键技术问题，笔者针对积美拦河闸坝水利枢纽工程，提出两种布置方案，并对方案的优缺点进行了比较，最终选择船闸位于左岸的布置方案为推荐方案，并提出以下几点建议，可供类似工程借鉴与参考。①闸坝枢纽布置应根据闸址地形、地质、水流等条件，以及各建筑物功能、特点、施工、运用要求等确定。做到紧凑合理、协调美观，组成整体效益最大的有机联合体。枢纽布置要尽量避免或减轻对周围环境的不利影响，并充分发挥有利的影响，使枢纽的外观与周围环境相协调。如方案二需要退堤，对周边影响较大，施工难度较大，不宜采用。②水闸枢纽是以水闸为主的水利枢纽，因此一般以水闸居中布置，具有通航、发电或抽水灌溉作用的船闸、泵站或水电站等其他建筑物原则上“宜靠岸布置”。船闸不宜与泵站或水电站布置在同一岸侧。如工程方案一船闸与水轮泵站分居水闸左右侧，比较适宜。③水闸枢纽的布置，可采用数学模拟方法进行水流流态分析研究确定。水流流态复杂的大型水闸枢纽的布置，应经水工模型试验验证。数学模拟或水工模型试验范围应包括水闸上、下游可能产生冲淤及流态复杂的河段。如工程采用MIKE21平面二维数学模型，模拟了积美拦河闸计算河段的平面水位、流场及河床细部的变化情况，通过对水位、流速、流态以及冲淤情况等指标进行对比分析，预测水闸工程对河道流场和河床冲淤的影响。