太湖通江大型水利樞紐工程關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

高興和，吳 忠，陳 曄

(1.江蘇省太湖水利規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司,江蘇 蘇州 215128;2.江蘇省太湖治理工程建設(shè)管理局,江蘇 南京 210029)

新溝河江邊水利樞紐，由五孔中型攔河擋潮水閘(2×8+16 +2×8=48m)、大(2)型雙向泵站[Q排(引)=180(90)m3/s]、Ⅴ級船閘(16m×180m)和長廊道多隔倉魚道(寬2m)組成，具有引排改善水環(huán)境、擋潮、防洪、排澇、航運(yùn)及生態(tài)等綜合功能。

工程呈南北走向，位于江陰市濱江村新溝河入江口。閘站和船閘分居?xùn)|西兩側(cè)，隔堤銜接。水閘在西側(cè)，魚道依附其西岸；泵站在東側(cè)，單向泵靠岸、雙向泵臨閘。閘、站、魚道與船閘下閘首并列，與下游翼墻及江堤銜接形成沿江擋潮防洪線。管理區(qū)分居?xùn)|、西兩岸，內(nèi)外道路互相溝通。

1 工程條件及特點(diǎn)

工程位于“長三角”和“蘇南”最發(fā)達(dá)地區(qū)，是太湖流域和江蘇水利“十三五”期間重點(diǎn)和收官項(xiàng)目。工程將流域超大型水體太湖與長江聯(lián)通，是江蘇省沿江當(dāng)時在建水利工程中條件最局限、技術(shù)最復(fù)雜、實(shí)施難度最大的大型通江水利樞紐工程。

1.1 水文工況條件

江潮漲落動態(tài)多變，與內(nèi)河相對穩(wěn)定水位形成的雙向水頭，是“防洪排澇”和“調(diào)水引流”天然動力。工程雙向運(yùn)行與控制運(yùn)用具有明顯季節(jié)特點(diǎn)，汛期排江、非汛期引江濟(jì)太為常態(tài)；非旱非澇時，引排雙向運(yùn)行，“調(diào)水暢流”為主要運(yùn)行工況。

1.2 地形地質(zhì)條件

地處蘇南經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，人口密集，土地資源十分珍貴，沿江沖積平原地貌，地勢平坦；建筑物基坑及地基為富含承壓水的松散砂性土，滲透系數(shù)10-3～10-4cm/s，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)12～18擊，地基允許承載力140～180Kpa，土體抗剪強(qiáng)度和承載能力一般，典型的沿江砂性透水軟弱土地基。

1.3 水力銜接與結(jié)構(gòu)布置條件

工程緊鄰濱江大橋，船閘與集中布置的閘站并列分建，建筑物總寬大于河寬，兩岸布置局限，入江灘面淤積寬淺，上下游存在彎道和漸變水力銜接；站房臨空高度45m，岸墻擋土高度16～18m，閘站多層結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體量高大，以及船閘整體U型閘室結(jié)構(gòu)，均屬于水工大體積鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

1.4 專業(yè)銜接及施工特點(diǎn)

工程涉及水工、水力機(jī)械、金屬結(jié)構(gòu)、電氣及自動化、房建、道路橋梁和市政綠化等多個專業(yè)，工程交叉和銜接錯綜復(fù)雜；分期實(shí)施的基坑需雙向截滲；施工期跨多個汛期需度汛；主基邊坡高于15m，屬飽和砂性軟弱土上的高邊坡、深基坑[1]；機(jī)泵安裝非常規(guī)條件，試運(yùn)行條件局限。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

項(xiàng)目利用無錫、常州境內(nèi)老河道進(jìn)行拓浚整治，將長江和太湖兩個超大型水源相互聯(lián)通，通過口門控制，利用潮差并滲透人為干預(yù)，獲得雙向水頭，形成往復(fù)水流，使得太湖流域河網(wǎng)水體按治理需要有序流動，從而達(dá)到改善水環(huán)境和防洪、除澇等目的，實(shí)現(xiàn)江湖聯(lián)通的各項(xiàng)綜合功能。江邊樞紐工程是新溝河通江達(dá)湖最重要的龍頭口門，是保證太湖及其內(nèi)陸河道適宜水位并抵御長江洪潮的重要屏障，是全面實(shí)現(xiàn)新溝河綜合功能最重要和最有效的控制性工程。為最大限度地實(shí)現(xiàn)太湖通江綜合利用功能，針對通江大型樞紐工程特點(diǎn)和復(fù)雜條件，利用科研課題或?qū)ｎ}研究、設(shè)計(jì)研發(fā)、模型試驗(yàn)驗(yàn)證與優(yōu)化等手段，對項(xiàng)目各專業(yè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了重點(diǎn)研究，獲得了成功應(yīng)用于本工程且具有推廣應(yīng)用價值的多個重大關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 水功能多模型耦合一體化技術(shù)

采用太湖流域河網(wǎng)湖泊水量水質(zhì)模型、太湖與長江二維水流水質(zhì)數(shù)學(xué)模型等完全耦合一體化技術(shù)[2]，重點(diǎn)分析典型年型實(shí)況下，工程實(shí)施對水環(huán)境、排水出路、供水與防洪效益的影響和實(shí)施可行性。根據(jù)降雨徑流模型成果及負(fù)荷模型廢水排放量，河網(wǎng)水質(zhì)模型模擬成果，耦合計(jì)算，加上引、排作用，模擬河網(wǎng)水流運(yùn)動；利用水量模型水文條件和污染負(fù)荷模型負(fù)荷量，模擬河網(wǎng)水體水質(zhì)；并采用丹麥Mike21軟件建立長江水域二維水流水質(zhì)數(shù)學(xué)模型，模擬排江水質(zhì)影響。經(jīng)耦合[3]優(yōu)化的成果，更真實(shí)反映流域河網(wǎng)各項(xiàng)水功能要素情況，符合江湖河網(wǎng)實(shí)際。項(xiàng)目實(shí)施將增大區(qū)域北排長江能力，有效削減入湖污染，促進(jìn)西太湖三個湖灣水體交換，改善湖灣和區(qū)域河網(wǎng)水環(huán)境，保障飲用水源地供水安全，生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會效益顯著。該技術(shù)為太湖流域通江河網(wǎng)綜合功能研究和可行性分析開創(chuàng)了先例，提供了新思路、新方法。

2.2 選址布局優(yōu)化及數(shù)模驗(yàn)證

前期擬定選址涉及高等級變電所及輸電線路搬遷，實(shí)施難度大。初設(shè)階段，按避讓優(yōu)化調(diào)整：將樞紐向東偏移，并縮小閘站與船閘間距和隔堤寬度，增設(shè)截滲墻，解決深基坑雙向防滲問題，可減少征地135畝，節(jié)省投資1.79億元(占比25%)，工程布局相對更為緊湊、合理和經(jīng)濟(jì)，優(yōu)化效果與效益顯著。

總體布置中，閘站按“淺基礎(chǔ)靠岸、深基礎(chǔ)居中、階梯型高差”布置型式，將銜接高差呈階梯型分級，大大節(jié)省單、雙向泵進(jìn)出水池與護(hù)岸之間高差銜接工程量。施工圖階段，通過“數(shù)模優(yōu)化研究”，進(jìn)一步優(yōu)化并驗(yàn)證工程總布局，增設(shè)隔水、導(dǎo)流及截滲設(shè)施后，工程區(qū)域各工況水流流態(tài)良好，分期基坑防滲安全可靠，引排和航運(yùn)安全指標(biāo)均符合規(guī)范要求，工程選址與布局更趨經(jīng)濟(jì)合理、安全可行。

2.3 控制運(yùn)用方式與安全運(yùn)行指南

本工程閘門控制采用升臥式與直升式鋼閘門組合：節(jié)制閘中孔兼顧通航采用升臥門，兩側(cè)邊孔設(shè)胸墻采用直升門；船閘為升臥門組合直升門輸水方式。手動與自動控制，操作簡便且靈活機(jī)動，設(shè)備選型經(jīng)久耐用，安裝簡便，工程結(jié)構(gòu)和設(shè)備維護(hù)、管理和檢修更為方便快捷，更能適應(yīng)沿江潮位頻繁多變的雙向擋洪泄流及通航等復(fù)雜運(yùn)行工況要求。

沿江口門控制后，順向水頭時，內(nèi)外隨潮位漲落可獲得雙向自流條件，逆向水頭時，關(guān)閘開泵，全天候可實(shí)現(xiàn)雙向引排或攔蓄功能。相對于泵站提水，水閘運(yùn)行效率更高，能耗低，更經(jīng)濟(jì)。適應(yīng)潮位動態(tài)變化，沿江水閘調(diào)度運(yùn)用原則為：“雙向運(yùn)行、適時啟閉、適量過流、動態(tài)控制”[4]。研究并用足閘站綜合功能，意義重大，工程交付使用后，專題研發(fā)了水閘引排安全泄流計(jì)算與繪圖軟件，并利用該軟件進(jìn)一步編制形成沿江工程安全運(yùn)行指南，該成果可操作性強(qiáng)，對沿江口門控制運(yùn)用[5]具有普遍和直接指導(dǎo)作用。

2.4 高剛度T型高支擋結(jié)構(gòu)研究與應(yīng)用

為解決單、雙向泵下游較大高差銜接以及深基坑、高邊坡防滲和永久支擋等關(guān)鍵技術(shù)問題，研究了砂性軟土地基上臨時、永臨結(jié)合和永久型三種斷面型式高支擋結(jié)構(gòu)，其核心技術(shù)為結(jié)構(gòu)組合變形技術(shù)，由液壓抓斗成槽、地下T型地連墻緊密連續(xù)而成。

專題研究[6]以“扶壁式”和“T型”鋼筋砼結(jié)構(gòu)原理、地下樁土共同作用的懸臂式結(jié)構(gòu)理論和成熟的地連墻技術(shù)為研究基礎(chǔ)，側(cè)重于提高結(jié)構(gòu)剛度和抗彎承載能力，將薄壁地連墻變形重組，形成“T型”高剛度、高支擋結(jié)構(gòu)。理論研究和實(shí)踐證明，結(jié)構(gòu)功能技術(shù)指標(biāo)滿足規(guī)范要求，達(dá)到預(yù)期效果；其扶壁體增大剛度、減小變形[7]和提高承載力等作用顯著，支擋、防滲、整體性和耐久性等性能優(yōu)異，其免(少)挖填特性，節(jié)約工期和用地，避免邊界矛盾，適應(yīng)軟土類各種邊界條件，結(jié)構(gòu)尺寸可調(diào)，組合多變，經(jīng)濟(jì)實(shí)用，后續(xù)仍有組合預(yù)應(yīng)力技術(shù)研發(fā)價值?？衫^續(xù)在水利、水運(yùn)行業(yè)的地下、臨水高支擋工程中廣泛推廣和應(yīng)用。

2.5 “雙廊道組合底流輸水的閘首”優(yōu)化與應(yīng)用

低水頭時，直接開啟主門門底輸水，高水頭時，短廊道對沖輸水；結(jié)合樁基布置，借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，利用已有成熟塢式結(jié)構(gòu)，對其墩墻進(jìn)行優(yōu)化與改進(jìn)，形成對稱空箱結(jié)構(gòu)，擱置于樁基上，廊道位于下部空箱內(nèi)，上部空箱作為控制樓基礎(chǔ)，既滿足閘首結(jié)構(gòu)布置需要，大大改善結(jié)構(gòu)受力條件，又兼顧輸水廊道功能和生產(chǎn)用房與上部結(jié)構(gòu)和空間之間的銜接要求，工程結(jié)構(gòu)布置緊湊，功能齊備。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，綜合解決了閘首地基處理、船閘輸水、對沖或底流消能、防沖、控制樓載體以及上下空間銜接和交通溝通等功能性技術(shù)問題，控制運(yùn)行靈活、簡便。已在走馬塘、新溝河、新孟河等通江大型樞紐中得到廣泛應(yīng)用。

2.6 大跨度整體閘室結(jié)構(gòu)優(yōu)化

船閘閘室高8.5m，底板寬20m，高寬比小，跨度大。結(jié)合沿江粉砂土地質(zhì)特性，采用水泥攪拌樁復(fù)合地基上整體塢式結(jié)構(gòu)[8]，具有整體性好、剛度大、地基應(yīng)力小以及抗?jié)B性能好、結(jié)構(gòu)簡單、施工方便等顯著優(yōu)點(diǎn)。通過梯級加深復(fù)合地基、預(yù)留沉降、設(shè)置后澆帶、組合式止水、分期回填和回升地下水位等一系列簡易可行措施，加上變截面優(yōu)化處理和大體積砼抗裂控制措施，不但節(jié)省工程投資，而且有效解決大跨度整體結(jié)構(gòu)抗裂以及基礎(chǔ)處理、防滲、抗浮、穩(wěn)定和沉降等一系列功能性問題，經(jīng)實(shí)踐檢驗(yàn)，達(dá)到預(yù)期既經(jīng)濟(jì)又安全的效果。本工程僅按常規(guī)方法進(jìn)行了優(yōu)化，未能嘗試“非常規(guī)”結(jié)構(gòu)研究，如條件許可，類似工程可將“預(yù)應(yīng)力”技術(shù)引進(jìn)大跨度水工結(jié)構(gòu)中，為水(地)下大跨度結(jié)構(gòu)研究嘗試新方法、開拓新思路。

2.7 大體積砼抗裂防治措施研究與效果

本工程主體結(jié)構(gòu)體量大，屬大體積砼，需采取溫控和抗裂措施，降低內(nèi)部溫升，控制內(nèi)外溫差，避免產(chǎn)生溫度裂縫。針對一期閘室大體積砼結(jié)構(gòu)，在分析裂縫成因和大體積特征基礎(chǔ)上，通過改善地基約束條件、優(yōu)化結(jié)構(gòu)體量并采取布管通水冷卻[9]、摻抗裂外加劑以及配置溫度鋼筋等多個設(shè)計(jì)措施加以控制，結(jié)合施工環(huán)節(jié)自拌混凝土原材料及配合比控制[10]、溫度控制及監(jiān)測、澆筑及養(yǎng)護(hù)等控制措施，有效降低大體積結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫升，控制內(nèi)外溫差符合規(guī)范要求；二期閘站大體積結(jié)構(gòu)繼續(xù)落實(shí)各項(xiàng)抗裂措施，達(dá)到預(yù)期效果。實(shí)踐證明，通過設(shè)計(jì)和施工兩個環(huán)節(jié)的多重有效控制，研究和采取的措施行之有效，取得了理想的實(shí)施效果，獲得了寶貴的抗裂實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[11]。

2.8 “雙豎縫多隔倉雙向洄游魚道”設(shè)置效果

魚道是供魚類洄游過閘的人工水槽通道，滿足魚類上溯習(xí)性，在低水位側(cè)，魚類依靠水流吸引，逆流進(jìn)入，克服流速溯游至高水位側(cè)。在對沿江過魚種類、生物學(xué)特征、生態(tài)特點(diǎn)及魚類習(xí)性和行為學(xué)等進(jìn)行深入調(diào)研基礎(chǔ)上，結(jié)合運(yùn)行工況和水閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，魚道依附水閘及上下游翼墻布置，采用“長槽型雙側(cè)豎縫多隔倉”結(jié)構(gòu)，將狹長水槽上、下游總水頭，通過多個豎縫和隔倉[12]，分成若干個小的梯級，利用水墊、沿程摩阻、水流對沖、回旋和擴(kuò)散來消除水頭能量，并形成各種魚類喜好的流速動態(tài)變化的溯游水流。

經(jīng)專題調(diào)研和數(shù)模驗(yàn)證[13]，“魚道布置與體型設(shè)計(jì)，符合長江口雙向過魚水文特性，過流參數(shù)符合魚種習(xí)性，滿足魚類洄游需要”。工程建成后，經(jīng)動態(tài)觀察，洄游季節(jié)各魚種往復(fù)溯游頻繁，設(shè)施運(yùn)行有效。該結(jié)構(gòu)構(gòu)造簡單，尺寸可變，施工簡便，具有通用性，江蘇沿江魚道可廣泛推廣應(yīng)用。

2.9 機(jī)泵選型與裝置模型優(yōu)化試驗(yàn)與研究

經(jīng)綜合比選，采用立式開敞式軸流泵，電機(jī)與水泵豎向布置，結(jié)構(gòu)簡單，制造、安裝技術(shù)成熟，運(yùn)行可靠，維修方便，運(yùn)管經(jīng)驗(yàn)豐富；雙向泵采用平面蝸殼式進(jìn)水流道，錐形管軸向管口四周出水方式，正、反向運(yùn)行效率一致，流道幾何形狀簡單，施工方便，且泵型為抽芯結(jié)構(gòu)，與電機(jī)直聯(lián)，軸向力由電機(jī)承受，安裝、維修方便，運(yùn)行可靠；單向泵為鐘形進(jìn)水流道，挖深小，底板面與雙向泵箱涵式流道一致，單、雙向泵進(jìn)出口斷面相同，整座泵站結(jié)構(gòu)統(tǒng)一，施工更簡便。

水泵裝置CFD優(yōu)化及試驗(yàn)研究[14]，對流道三維湍流進(jìn)行數(shù)值模擬和優(yōu)化，使流道型線更優(yōu)，水泵裝置最高效率提高1.3%～1.9%，進(jìn)一步提升泵型性能，節(jié)能降耗；同時，綜合考慮流速分布均勻度及其水力損失兩個目標(biāo)函數(shù)，對雙向流道喇叭口高度進(jìn)行多方案優(yōu)化[15]，當(dāng)進(jìn)口高為0.57D(D為葉輪直徑)，水力損失小，流速分布均勻度最好；出口高度為0.48D時，對流道水力性能影響為最優(yōu)。將優(yōu)化的雙向流道配置優(yōu)選泵型，進(jìn)行裝置模型試驗(yàn)，在低揚(yáng)程3.26 m時，裝置效率達(dá)71.2%，可為同類型泵裝置優(yōu)化提供參考。

2.10 雙速電機(jī)研究與推廣應(yīng)用

雙速電機(jī)技術(shù)特點(diǎn)是通過機(jī)組變速調(diào)節(jié)，使機(jī)組具有不同轉(zhuǎn)速，從而有效調(diào)節(jié)水泵高效區(qū)。同步電機(jī)變極調(diào)速難點(diǎn)為轉(zhuǎn)子變極，按“虛擬槽”理念，將凸極轉(zhuǎn)子看作隱極轉(zhuǎn)子圓周表面均勻分布的齒槽，遵循兩種極數(shù)下繞組系數(shù)最大，諧波含量最少且保持轉(zhuǎn)子凸極結(jié)構(gòu)不變的原則，用迭代法不斷構(gòu)建轉(zhuǎn)子變極方案。其核心技術(shù)即“虛擬槽位法”[16]，導(dǎo)體利用率高，諧波含量低。根據(jù)測試成果，引、排設(shè)計(jì)工況下水泵裝置效率分別提高8.1%和9%，可節(jié)省18%、8%電費(fèi)，節(jié)能效果明顯。本項(xiàng)目研究與應(yīng)用，解決了雙向泵揚(yáng)程變幅大、工況復(fù)雜、電機(jī)高效運(yùn)行及結(jié)構(gòu)與設(shè)備互換性等關(guān)鍵技術(shù)問題，為泵站新建或更新改造直接更換雙速電機(jī)創(chuàng)造了條件，可在機(jī)泵領(lǐng)域推廣應(yīng)用。

2.11 機(jī)電設(shè)備非常規(guī)安裝及試運(yùn)行技術(shù)研究

因度汛需要，工程提前通水，使機(jī)電設(shè)備獲得水下非常規(guī)安裝與試運(yùn)行實(shí)踐[17]。泵站6臺立式機(jī)組，設(shè)備總高15m。按預(yù)設(shè)檢修工況，分三批、兩個塊體各一臺機(jī)組同期對稱安裝方法，自下而上分層安裝，利用工作閘門擋水，泵室設(shè)泵抽排，形成安裝環(huán)境。不同于常規(guī)條件，站外江潮漲落形成雙向動態(tài)多變水頭，加上泵室排空水體后浮力作用，站身重心動態(tài)變化，且隨機(jī)組不同而存在較大差異，而機(jī)泵軸向高度大，微小變形便會影響安裝精度。根據(jù)已有經(jīng)驗(yàn)[18]，機(jī)泵高精度安裝須順應(yīng)潮位規(guī)律，在潮差較小相對平穩(wěn)條件下進(jìn)行，并經(jīng)連續(xù)多天多潮位反復(fù)調(diào)試和監(jiān)測驗(yàn)證，直到各安裝參數(shù)及指標(biāo)精度符合要求為止。

機(jī)泵安裝完成后，需進(jìn)行試運(yùn)行調(diào)試。對分批具備條件的機(jī)泵，充分利用汛期和非汛期內(nèi)河高低不同水位和長江動態(tài)變化潮位條件，擇機(jī)打開水閘，采用打循環(huán)水的方法，獲得機(jī)泵雙向連續(xù)試運(yùn)行工況，直至滿足要求，經(jīng)反復(fù)調(diào)試，順利完成非常規(guī)機(jī)泵安裝和試運(yùn)行，驗(yàn)收一次通過，投入運(yùn)行一切正常。

3 關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用總體效果與效益

工程批復(fù)概算總投資54935萬元。2013年12月26日開工建設(shè)，2018年6月全面完工投入使用。

截至發(fā)稿，閘站累計(jì)引水2.89億m3，排水9.96億m3；船閘通過量4895萬噸。工程已歷經(jīng)多個汛旱考驗(yàn)，建筑物及設(shè)備運(yùn)行正常，引排順暢，控制有效，總體狀況良好；全壽命期內(nèi)，江湖聯(lián)通控制運(yùn)用，可獲得改善水環(huán)境多年平均效益27995萬元/年，防洪除澇25125萬元/年；水資源綜合利用11755萬元/年，通航1050萬元/年，綜合效益合計(jì)為65925萬元/年。

4 結(jié)語

新溝河將太湖與長江聯(lián)通，其通江大型水利樞紐是江湖聯(lián)通的重要控制口門，工程關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)多、實(shí)施難度大，通過研究與實(shí)踐，順利解決其功能與規(guī)模、控制與調(diào)度、選址與布局、水工結(jié)構(gòu)和機(jī)電設(shè)備等重大關(guān)鍵技術(shù)難題，應(yīng)用達(dá)到經(jīng)濟(jì)安全的理想效果。工程已投入運(yùn)行，在調(diào)水引流和防洪保安方面[19]，正在并將繼續(xù)發(fā)揮巨大作用，特別是今年梅雨期防洪減災(zāi)效益顯著，自6月7日～7月31日，50多天排洪總量達(dá)6.25億m3，有效緩解太湖湖西直武地區(qū)洪澇災(zāi)害，減輕流域防洪壓力；2018年汛后應(yīng)急調(diào)水試驗(yàn)中，工程持續(xù)引水，沿線河網(wǎng)水動力和水質(zhì)、水環(huán)境明顯改善[20]，綜合效益顯著，必將對高度發(fā)達(dá)的“長三角”地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會及其區(qū)域一體化高質(zhì)量發(fā)展產(chǎn)生積極和重大影響[21]。