贛州市章江水閘除險加固設(shè)計要點(diǎn)回顧

劉仁德，徐 晨

（中鐵水利水電規(guī)劃設(shè)計集團(tuán)有限公司，江西 南昌，330029）

1 工程概況

章江水閘坐落在贛江一級支流章江上，閘址位于江西省贛州市章貢區(qū)蟠龍鎮(zhèn)，是一座具有供水、防洪、灌溉、發(fā)電等綜合效益的大（1）型水閘工程[1]。工程始建于1966年，1971年基本建成，水閘最大下泄流量為5 930m3/s；設(shè)計灌溉面積3 333.3hm2（5.0萬畝），日供水量為30萬m3；水電站總裝機(jī)容量5 000kW（北岸電站裝機(jī)容量1 800kW，南岸裝機(jī)電站裝機(jī)容量3 200kW），多年平均發(fā)電量2 700萬kW·h。

水閘主要建筑物有北岸泄水閘、北岸水輪泵站、南岸水電站、供水泵房等。北岸泄水閘呈“一”字型布置，從左至右布置有4孔泄水閘（每兩孔為一分縫段，分縫長20.0m，總長40.0m）、筏道兼泄洪閘（第5孔，分縫長9.60m，筏道凈寬4.50m）、15孔泄洪閘（每兩孔為一分縫段，分縫長20.0m，在左側(cè)第6孔0+049.6～0+060.0為單孔分縫，分縫長10.40m，總長度為150.40m）。泄水閘軸線總長200.0m。北岸水輪泵站的發(fā)電廠房，緊鄰泄水閘左側(cè)，采用側(cè)向進(jìn)水方式布置，發(fā)電尾水流入水閘消能段。南岸水電站的引水渠進(jìn)口，位于北岸泄水閘右岸上游約1.90km處，水電站尾水渠出口，位于黃金大橋右岸下游約230m處入章江。南岸水電站發(fā)電廠房，在原址改建而成。發(fā)電廠房采用正向進(jìn)水方式，布置在引水渠右側(cè)，左側(cè)原船閘處改建為排污閘。水閘現(xiàn)狀平面布置示意圖見圖1。

圖1 水閘現(xiàn)狀平面布置示意圖

章江水閘除險加固工程于2014年11月開工建設(shè)，2017年12月主體工程全部完成，2021年4月通過竣工驗收。

2 水閘存在的主要問題

根據(jù)《水閘安全鑒定報告書》結(jié)論，章江水閘綜合評定為三類閘，建議盡快進(jìn)行除險加固。報告書提出水閘主要存在如下工程問題：

該水閘過流能力不滿足要求，閘頂高程不滿足要求；右岸防護(hù)堤頂高程不滿足要求；閘室溢流混凝土沖刷嚴(yán)重；消力池池深、池長不滿足要求，消力池底部淘空，護(hù)坦、海漫水毀嚴(yán)重。

3 除險加固設(shè)計要點(diǎn)

根據(jù)章江水閘安全評價報告主要結(jié)論，水閘過流能力不足，閘頂高程不滿足要求；右岸防護(hù)堤頂高程偏低不滿足要求；消力池滿足抗浮穩(wěn)定要求，池深及池長不滿足要求。因此，水閘除險加固設(shè)計要點(diǎn)，主要解決水閘過流能力不足、水閘下游消能等問題[2]。

為解決減少水閘上下游水位差、水閘過流能力不足問題，針對該水閘特點(diǎn)，設(shè)計經(jīng)方案比較，提出了南、北岸電站左側(cè)分別擴(kuò)孔建閘的方案；為解決水閘下游消能，設(shè)計提出了優(yōu)化水閘調(diào)度方式、增加消能工程及海漫，對原已建消能工程進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固等措施。

3.1 優(yōu)化布置[3]，擴(kuò)孔建閘，提高泄流能力

根據(jù)現(xiàn)狀樞紐布置，結(jié)合現(xiàn)狀地形，原泄水閘閘室按原閘布置不變，南、北岸電站左側(cè)分別擴(kuò)孔建泄洪閘。在北岸水輪泵站的引水渠末端，依據(jù)地形條件，布置北岸泄洪閘；利用南岸水電站發(fā)電廠房左側(cè)排污閘位置，布置南岸泄洪閘。北岸泄洪閘共2孔，布置一孔泄洪閘及一孔排污閘，其中排污閘孔寬度布置為2.5m，另一孔泄洪閘孔寬度布置為10.0m。南岸泄洪閘拆除排污閘后緊鄰發(fā)電廠房左側(cè)，布置兩孔泄洪閘及一孔排污閘；泄洪閘采用開敞式無坎寬頂堰，堰頂高程97.00m，每孔凈寬10.0m；排污閘堰頂高程97.00m，孔凈寬1.5m。

水閘樞紐總體布置方案的優(yōu)越性主要體現(xiàn)在以下兩方面：

（1）在南岸水電站左側(cè)布置泄洪閘，充分利用洪水水面坡降（南岸渠進(jìn)口處洪水位高于泄水閘閘前水位，出口處洪水位低于泄水閘閘下游水位），增大水閘泄流能力，同時南岸泄洪閘下游泄洪渠渠底高程較低（約為94.0m），對增加行洪有利。

（2）在北岸水電站左側(cè)布置泄洪閘。由于北岸閘位于河道彎道處，充分利用洪水期洪水水面線左側(cè)高于右側(cè)，泄洪效果明顯優(yōu)于右岸。

經(jīng)水閘泄流能力計算，南、北岸電站左側(cè)分別擴(kuò)孔建閘后，水閘校核洪水位（P=1%）為107.13m（相應(yīng)下游水位106.51m，上下游水位差0.62m），設(shè)計洪水位（P=3.33%）為105.93m（相應(yīng)下游水位105.16m，上下游水位差0.77m），當(dāng)洪水位（ P=10%）為105.00m（相應(yīng)下游水位103.75m，上下游水位差1.25m），滿足并提高了原水閘的泄流能力。水閘加固前后泄流能力及特征水位變化情況見表1。

表1 水閘加固前后泄流能力及特征水位變化情況表

3.2 優(yōu)化調(diào)度，加固和新建消能設(shè)施[4]，解決消能問題

本工程北岸泄水閘的最大下泄流量為4 299m3/s，閘孔數(shù)量為20孔。為了控制水閘泄流，滿足消能要求，將泄水閘自左至右分為A段（0+000.0～0+49.6，含筏道孔共 5孔）、B段（0+49.6～0+140，共 9孔）、C段（0+140.0～0+200，共 6孔）共三段。

為有效解決消能問題，優(yōu)化水閘運(yùn)行調(diào)度方式如下：當(dāng)閘前水位超過102.32m，首先開啟B段泄水閘閘門，并根據(jù)來水流量依次開啟C段泄水閘閘門、A段泄水閘閘門。各閘段閘門開啟順序，均應(yīng)在該閘段全部開啟完成后，才能進(jìn)入下一閘段的閘門開啟。

根據(jù)上述閘門開啟順序，對原水閘消力池進(jìn)行復(fù)核。復(fù)核表明，在當(dāng)時的下游河道地形條件下，基本滿足消能要求。但由于下游河道采砂，造成河底高程下切，致使現(xiàn)狀消力池，不滿足下挖式消力池應(yīng)低于下游河床底高程要求，造成閘前低水位泄流時，閘下游水位低于消力坎頂高程，出現(xiàn)遠(yuǎn)驅(qū)水躍。計算消力坎后流速約在2.3m/s，其海漫布置不能滿足要求。原水閘結(jié)構(gòu)尚好，應(yīng)保留部分構(gòu)筑物維持現(xiàn)狀的情況下進(jìn)行加固。故本次除險加固設(shè)計，主要是增加消能工及海漫，對原已建消能工程進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)加固。

根據(jù)泄水閘的加固方案，消力池下游段除險加固措施的布置如下：

（a）樁號0+000.0～0+41.75段，消力池及護(hù)坦與水輪泵站發(fā)電尾水相交，同時在水輪泵站下游與北岸泄洪閘右邊墻相交。為了不影響水輪泵站發(fā)電，消力池不設(shè)置消力墻，拆除原漿砌塊石海漫、清理拋石表面至設(shè)計要求；為了北岸泄洪閘安全，砼護(hù)坦延長至北岸泄洪閘消力池末端。新澆砼護(hù)坦板最大長度為96.44m，底板面高程96.50m。

（b）樁號0+41.75～0+140段消力池及護(hù)坦，是本工程最為經(jīng)常使用的消能工段，拆除原鋼筋籠塊石海漫、清理拋石表面至設(shè)計要求。在原設(shè)計海漫處設(shè)置砼消力池消能，消力池底高程96.50m，池長12.0m，并設(shè)置鋼筋石籠海漫。

（c）樁號0+140～0+200段消力池及護(hù)坦，位于原兩級消力池之間埋石砼底板拆除，采用C25鋼筋砼澆筑底板。拆除原鋼筋籠塊石海漫、清理拋石表面至設(shè)計要求，在原海漫處設(shè)置砼消力池消能，消力池底高程96.50m，池長12.0m，并設(shè)置鋼筋石籠海漫。

消力池砼采用C25，底板水平段長20.0m，底板厚度0.8m，設(shè)置梅花形排水孔，孔間距為2.0m。消力池加固后，運(yùn)行效果良好。

3.3 技術(shù)創(chuàng)新，國內(nèi)首次采用鋼筋石籠頂蓋整體焊接技術(shù)

章江水閘北岸泄水閘消力池后接鋼筋石籠海漫，海漫順?biāo)鞣较蜷L50m。傳統(tǒng)的鋼筋石籠海漫[5]采用單個石籠拼接而成，單個鋼筋石籠尺寸為2.5m×2m×0.8m（長×寬×高），頂蓋采用網(wǎng)片封蓋，將其與石籠筐每200～250mm一次綁扎絞緊。

本工程設(shè)計對鋼筋石籠頂蓋做了改進(jìn)，即先將單個鋼筋石籠底面及前后左右四面制作好，再把單個石籠依次擺放好，然后填充石料，最后進(jìn)行封蓋。封蓋的頂蓋采用整體焊接方式，根據(jù)海漫的總體表面外形尺寸，將頂蓋鋼筋接續(xù)焊接成一個整體。改進(jìn)后，鋼筋石籠的整體性得到極大的加強(qiáng)。

據(jù)管理單位章江水輪泵管理站反映，章江水閘在2012年以前的歷次維修加固中，原鋼筋石籠頂蓋采用單個綁扎連接，每年汛期過后鋼筋石籠海漫損毀嚴(yán)重。本次除險加固鋼筋石籠采用頂蓋整體焊接后，經(jīng)過2018～2020年近3個汛期的考驗，鋼筋石籠的整體性依然完好，基本無變形。說明改進(jìn)后的鋼筋石籠海漫取得了非常好的防護(hù)效果。鋼筋石籠海漫頂蓋整體焊接關(guān)鍵技術(shù)系首次在國內(nèi)水利工程中應(yīng)用，既加快了施工進(jìn)度，又保證了工程安全，對水利樞紐工程消能防沖設(shè)計具有很好的借鑒意義。

4 工程建成后運(yùn)行情況分析

章江水閘加固后，水閘上下游水位差較加固前，設(shè)計洪水工況降低了1.61m，校核洪水工況降低了1.55m；水閘上游設(shè)計水位較加固前，設(shè)計洪水位降低了1.17m，校核洪水位降低了0.89m；減少了上游淹沒的影響。水位降低后，根據(jù)水面線推算成果，可相應(yīng)降低上游左岸蟠龍堤（影響范圍1.92km）、上游右岸譚東堤（影響范圍1.73km）的防洪堤堤頂高程，按可比價格計算，防洪工程投資可減少628.60萬元。

工程實(shí)施后，供水量和供水能力得到了極大的保障。水電站總裝機(jī)容量5 000kW，年發(fā)電量與歷年相同來水量比較，增加約15%～20%。經(jīng)測算，章江水閘灌溉分?jǐn)傂б?00萬元/年，供水效益730萬元/年，發(fā)電效益160萬元/年，防洪效益200萬元/年，工程總效益1 490萬元/年。

更重要的是，本水閘經(jīng)除險加固后，能安全度汛，可減少下游交通和通訊設(shè)施以及沿河兩岸村鎮(zhèn)和農(nóng)田被沖毀所造成的經(jīng)濟(jì)損失，使下游居民安居樂業(yè)，對社會穩(wěn)定，構(gòu)建和諧社會將起到重要作用。

5 結(jié)語

與類似工程相比，章江水閘除險加固工程設(shè)計具有以下特點(diǎn)：

（1）由于北岸閘位于河道彎道處，充分利用洪水期洪水水面線左側(cè)高于右側(cè)，在左岸擴(kuò)孔建閘，泄洪效果明顯優(yōu)于右岸。

（2）通過優(yōu)化水閘調(diào)度方式，結(jié)合加固原消力池、新建二級消力池、新建鋼筋石籠海漫等多種措施，根本解決了消能防沖問題。

（3）在消力池鋼筋石籠海漫中，在國內(nèi)首次采用鋼筋石籠頂蓋整體焊接的技術(shù)。

本工程加固后經(jīng)2018～2020年洪水考驗，各建筑物運(yùn)行情況良好，工程經(jīng)濟(jì)、社會環(huán)境、生態(tài)效益顯著，水閘加固后取得了良好的效果。