水閘設計方案比選實踐

秦世鑫

摘 要：方案比選是設計過程中經(jīng)常用到的方法，在水利工程設計中起到了基礎性作用，可以優(yōu)化工程設計內(nèi)容、確保工程效益發(fā)揮。從水閘設計方案比選著手，以新建的金洲水閘為例，按照水閘方案比選的常用方法，從可行性分析、閘址選擇、正常蓄水位選擇、閘型選擇、平面布置、工程造價及運行成本等幾個方面進行論述。通過實踐、思考以及工程運行的實際效果，證明方案比選具有重要作用。

關鍵詞：水閘;平面布置;工程造價;運行成本;方案比選

中圖分類號：TV66 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2021）23-0083-03

Abstract： Scheme comparison and selection is a method often used in the design process， which plays a fundamental role in the design of water conservancy projects. It can optimize the content of engineering design and ensure the development of engineering benefits. Starting from the sluice design scheme comparison of the newly-built Jinzhou sluices， for example， according to the water gate scheme comparison of commonly used methods， from the feasibility analysis， choice of lock site selection， the normal storage level， gate type selection， layout， the essay discusses several aspects such as construction cost and operation cost. Through the practice and thinking， as well as the practical effects of the project operation to prove that the solution is more important than the choice.

Keywords： locks;layout;construction cost;operation cost scheme;comparison and selection

水閘是國民經(jīng)濟和社會發(fā)展的重要基礎設施，在防洪、供水、灌溉、養(yǎng)殖、防潮、排澇、航運和水資源合理利用等方面發(fā)揮著重要作用，在水資源優(yōu)化配置和防洪減災中具有特殊的地位，直接關系到社會生產(chǎn)安全和人們的生命安全。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國已建成各類小型以上水閘40 603座，其中大型水閘877座。水閘設計合理是確保其正常發(fā)揮工程效益的關鍵，而方案比選是設計的基礎，可以優(yōu)化設計內(nèi)容，確保工程發(fā)揮作用。水閘的方案比選一般包括閘址、閘前水位、閘型、平面布置、工程建造及運行成本等。下面將以新建的金洲水閘設計中的幾個主要問題為例，說明方案比選具有重要作用。

1 工程概述

金洲水閘工程位于湖南省寧鄉(xiāng)市溈水下游，地處連接寧鄉(xiāng)市與長沙市的金洲大道控制性工程——金洲大橋下游1 067 m處。它緊鄰寧鄉(xiāng)市經(jīng)開區(qū)紙業(yè)工業(yè)園和金洲新區(qū)，距溈豐壩5.3 km，距寧鄉(xiāng)市區(qū)6.1 km。

本工程是一座以供水為主，兼顧防洪、灌溉、發(fā)電以及城市景觀等綜合效益的大型水利樞紐工程?？刂萍昝娣e為2 200 km2，占全流域的90.5%。正常蓄水位為42.00 m，正常庫容為7.85×106 m3，正常蓄水水面面積為8 741 210 m2，最大過閘流量為3 982 m3/s。

工程計劃總工期為14個月，樞紐部分總造價為4 350萬元。其中，樞紐工程費用為3 402萬元，水庫淹沒處理和環(huán)境保護費用為948萬元。

2 建閘的可行性分析

建造水閘有利也有弊，金洲水閘的建造應綜合考慮利弊，反復權(quán)衡，再做出抉擇。

2.1 有利因素

①可新增防洪庫容。工程建成后，增加了7.85×106 m3的防洪庫容，可有效緩解工程下游地段，特別是金洲新區(qū)的防洪壓力，更好地為區(qū)域經(jīng)濟保駕護航。

②可改善兩岸農(nóng)田灌溉。工程建成后，閘址上游5 km河段內(nèi)蓄水位可提高至3.5 m，可降低農(nóng)田的提灌揚程，改善近3.33×106 m2農(nóng)田的灌溉條件，從而節(jié)約電能資源，顯著提高其灌溉保證率，更好地為當?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)服務[1]。

③可新增供水水源。工程建成后將形成穩(wěn)定的水源，可向臨近的寧鄉(xiāng)經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)和金洲新區(qū)供水。

④可增加一處新的城市景觀。本工程建成后，將在寧鄉(xiāng)主城區(qū)形成一個長為5.3 km、水面面積為8 741 210 m2的人工湖，可美化城區(qū)環(huán)境，有利于人水和諧相處，從而提升寧鄉(xiāng)城市品位。

⑤可便捷兩岸交通。本工程建成后，將設置一座風雨廊橋，使兩岸居民往來更便捷。

⑥可新增水力發(fā)電功能。通過本工程的建設，可新增一處總裝機3×800 kW的水電站。

2.2 不利因素

水閘建設期將阻塞河道，截斷水流，延長庫區(qū)溈水河段水體的換水周期，降低庫區(qū)水體的自然凈化能力，延緩污染物的縱向擴散，對溈水水體的凈化不利，存在環(huán)保隱患。

水閘建成后將改變庫區(qū)生態(tài)環(huán)境，減緩水流流速，破壞庫區(qū)原有植被、水生生物等的生長環(huán)境，從而對區(qū)域生態(tài)造成不利影響。但是，建設期和運行期采取合理的環(huán)境保護和水土保持措施，可以有效緩解這些不利影響[2]。

從人改變自然的角度來講，金洲河壩的新建將產(chǎn)生防洪、灌溉、供水、城市景觀、發(fā)電以及交通效益，是有利的;從改善自然環(huán)境的角度來講，金洲河壩的新建將在短期內(nèi)不利于環(huán)保、生態(tài)，是不利的，但弊病通過合理的工程和非工程措施可以得到有效解決。經(jīng)綜合權(quán)衡，最終決定啟動金洲水閘建設。

3 方案比選

3.1 閘址的選擇

閘址的選擇主要考慮地形地質(zhì)條件、過流能力、工程造價以及施工條件等。金洲水閘工程在可行性研究和初步設計階段，先后于刁子潭至彭里橋位置選取4條閘軸線，并做了詳細的比較。第一條閘線位于金洲大橋下游630 m處，第二條閘線位于大橋下游710 m處。地質(zhì)勘查發(fā)現(xiàn)，第二條閘線地質(zhì)情況很差。一是巖層出露高程低，弱風化層埋藏深，為5～8 m，清基不易;二是勘探地層巖性復雜，巖層中有溶洞和泥質(zhì)夾層，對建閘十分不利。第一條閘線雖然比第二條閘線地質(zhì)情況要好，但河床斷面寬度僅有170 m，不利于水工建筑物的布置。這兩處閘線均不理想。

在充分考慮田家洲疏挖的前提下，于金洲大橋下游880 m和1 067 m處重新選擇第三、第四兩處閘軸線并進行詳細的地質(zhì)勘查。經(jīng)分析，兩處閘軸線地質(zhì)情況相似，巖層單一，為泥質(zhì)砂巖，巖層出露高程高，弱風化層埋藏較淺，埋深均為3～5 m，未發(fā)現(xiàn)泥質(zhì)夾層、溶洞等不利地質(zhì)因素。兩處閘線的可利用河床寬度第三閘線比第四閘線寬20 m，為260 m，均對攔河壩樞紐建筑物的布置有利?？紤]到第四閘線位于下游，對增加蓄水有利，最終選定第四閘線，即金洲大橋下游1 067 m處作為新建攔河水閘的閘軸線[3]。

3.2 正常蓄水位的選擇

正常蓄水位的選擇主要考慮庫區(qū)上游淹沒、工程造價以及對已建工程的影響。本工程為低水頭河床式閘壩，淹沒區(qū)全部在河道之內(nèi)，故淹沒損失較小。主要考慮對淹沒區(qū)已建工程的影響，這樣的工程主要有3處，分別為距壩址上游4.5 km的寧鄉(xiāng)水文站、5.3 km的溈豐壩和5.0 km的溈豐電站。金州水閘工程正常蓄水位的確定必須綜合考慮對三者的影響，并使蓄水量盡量大。

①寧鄉(xiāng)水文站。該站為寧鄉(xiāng)兩座水文觀測站之一。根據(jù)水文測流要求，金洲水閘正常蓄水位不超過39.5 m，水文站可以采取調(diào)整測流的辦法來消除影響。高于39.5 m后，將改變水文勘測斷面尤其是高水位測流斷面，既有的水位-流量關系也將變化，從而導致無法測流，需要對其進行整體搬遷[4]。

②溈豐壩。該壩是寧鄉(xiāng)市僅有的兩座大型河壩之一，擔負著供給寧鄉(xiāng)城區(qū)生產(chǎn)生活用水及下游6.67×108 m2良田灌溉需要的重任。它的固定壩壩頂高程為44.09 m，下游護坦頂高程為42.80 m。綜合考慮其防洪泄流特點，本工程正常蓄水位最高不宜超過42.5 m。

③溈豐電站。該電站總裝機容量為3 000 kW，單機滿發(fā)尾水位為39.80 m。因此，如要保留溈豐電站，本工程的正常蓄水位最高只能取39.5 m，否則該電站無法發(fā)電，只能作廢。

另外，本工程庫區(qū)左岸為新民垸，右岸為群英垸，均為洞庭湖區(qū)重點堤垸。兩堤垸共保護5.74×107 m2耕地（新民垸3.65×107 m2+群英垸2.09×107 m2），垸內(nèi)排水河流及渠道底部高程為42.5～44.5 m。兩垸在本工程庫區(qū)內(nèi)有涵閘4處，其中3處為排水涵閘，分別為伏虎橋閘、聯(lián)盟閘和筒車壩閘，底板高程最低的聯(lián)盟閘僅為43.5 m。為滿足兩垸的排澇需要，金洲水閘正常蓄水位最高只能取42.50 m。

綜上所述，如考慮保留水文站及溈豐電站，則正常蓄水位最高只能為39.50 m，如不保留則最高能為42.00 m，相應正常庫容為7.85×106 m3。經(jīng)綜合權(quán)衡，決定將寧鄉(xiāng)水文站整體搬遷至下游1 km處，廢除溈豐電站并在金洲水閘處新建，最終金洲水閘正常蓄水位定為42.00 m。

3.3 閘型的選擇

閘型的選擇主要考慮運行可靠程度、蓄水高度、維修檢修便利、與周圍環(huán)境協(xié)調(diào)以及工程造價等。閘型主要有翻板閘門、橡膠閘以及閘壩。翻板閘門與橡膠閘的過流能力相近，均沒有閘壩好;運行可靠度、維修檢修以及與環(huán)境的協(xié)調(diào)方面也沒有閘壩好，但工程造價要比閘壩少。本工程攔河閘決定采用閘壩形式，擬采用兩種方案：一是直升式平面鋼閘門，二是液壓啟閉弧形鋼閘門。兩方案的比較如表1所示。

本工程靠近寧鄉(xiāng)城區(qū)，有交通和景觀需要。經(jīng)過綜合比較，決定采用工程壽命長、泄流能力大、操作性強、調(diào)度靈活且與城市景觀協(xié)調(diào)性更好的液壓啟閉弧形鋼閘門方案。在閘室上游側(cè)建設風雨廊橋，以連接兩岸交通。

3.4 工程等級的確定

本工程為平原區(qū)低水頭擋水閘壩，調(diào)節(jié)庫容小，擋水高度低，過閘流量大。按《水閘設計規(guī)范》（SL 265—2016）規(guī)定，本工程規(guī)模為大（2）型，工程等別屬Ⅱ等，主要建筑物按2級建筑物進行設計[2]。按《防洪標準》（GB 50201—2014），相應的設計洪水標準為50年一遇，校核洪水標準為300年一遇[1]。

3.5 平面布置

閘門的平面布置主要考慮過流能力、消能防沖及總體布置協(xié)調(diào)等。本工程采用液壓啟閉弧形鋼閘門閘壩的形式，為使工程施工和運行管理方便、投資少、工期短以及見效快，主要考慮以下幾方面的因素：①本水閘特點為洪峰流量較大，為控制上游淹沒損失，降低建筑物的擋水水位，應優(yōu)先考慮泄水建筑物的合理布置;②樞紐布置要緊湊、簡潔，盡量減少工程量，降低工程造價;③要結(jié)合閘址的地形地貌和地質(zhì)情況，合理設計建筑物，以確保工程的安全使用，發(fā)揮最大效益;④樞紐布置要有利于運行管理的方便、安全以及經(jīng)濟合理[5]。

比選靠兩端布置及居中等幾種方案，最終選擇居中布置。具體布置方案為：固定閘室段為鋼筋混凝土重力式寬頂堰，高5 m，寬22 m，堰頂基本與河床齊平;固定閘頂設液壓啟閉弧形鋼閘門，沿河床居中橫向布置，共計17張，單張門高5.3 m，寬12 m;中墩厚1.8 m，邊墩厚2.0 m，閘墩長16.3 m;閘左端設水力發(fā)電廠房;閘軸線總長287.3 m（含主廠房43.8 m），閘下游設消能防沖設施，消力池長27 m，深1.6 m，消力池后接40 m長的護坦和50 m長的海漫;閘室上部設寬5 m的風雨廊橋;壩體兩端大堤上游側(cè)防護100 m，下游側(cè)防護150 m，對閘壩基礎采用帷幕灌漿防滲，帷幕深入單位透水率不大于5 Lu分界線以下1 m，孔深12～17 m;對于壩基局部破碎地段，采用固結(jié)灌漿予以加固。

4 結(jié)語

通過對水閘可行性、閘址、正常蓄水位、閘型以及平面布置等各種方案的對比與選擇，最終將水閘建造在河床開闊、地質(zhì)條件優(yōu)越、泄洪條件較好以及蓄水水面較大的位置。方案比選在水閘設計和建造的過程中發(fā)揮了不可替代的作用。

金洲水閘于2014年建成以來，各方面運行情況良好，先后經(jīng)受了2015—2017年連續(xù)3年4次大洪水（2016年2次）的考驗，洪峰流量最大是2017年7月1日，達到6 150 m3/s（寧鄉(xiāng)水文站數(shù)據(jù)），水閘安然無恙，充分說明水閘方案比選是成功的，使水閘真正發(fā)揮了防洪、灌溉、供水、發(fā)電和美化城市景觀的作用。

參考文獻：

[1]水利部.防洪標準：GB 50201—2014[S].北京：中國計劃出版社，2014.

[2]水利部.水閘設計規(guī)范：SL 265—2016[S].北京：中國水利水電出版社，2016.

[3]黃建和，陳肅利，汪洪.《水利水電工程等級劃分及洪水標準》 （SL252—2000）編制概要[J].水利技術(shù)監(jiān)督，2000（6）：13-15.

[4]羅啟鉅.加強水閘施工中的軟基處理工作探析[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2015（9）：127-128.

[5]孫濤，司秋云.水閘施工技術(shù)探析[J].山東工業(yè)技術(shù)，2015（18）：104.