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海河防潮閘除險(xiǎn)加固泄流規(guī)模分析

2014-11-25 00:23:30
水科學(xué)與工程技術(shù) 2014年5期
關(guān)鍵詞:過閘防潮海河

秦 毅

(中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司,天津300222)

1 基本情況

1.1 工程概況

海河防潮閘位于天津市濱海新區(qū)的海河干流入??冢ㄓ?958年,原設(shè)計(jì)8 孔,閘孔總凈寬64m,設(shè)計(jì)流量1200m3/s,主要功能是防潮、蓄水、宣泄洪澇。閘底板采用浮筏式基礎(chǔ),兩孔一聯(lián);上游設(shè)鋼筋混凝土鋪蓋,與干砌石海漫、拋石防沖槽相連;下游設(shè)消力池,與漿砌石海漫、干砌石海漫、拋石防沖槽相連;閘墩上游側(cè)設(shè)公路橋,下游側(cè)設(shè)機(jī)架橋、工作橋;閘門為雙扉式平板鋼閘門,固定卷?yè)P(yáng)啟閉機(jī)啟閉。

1976年唐山大地震使海河防潮閘遭受嚴(yán)重影響;1992年風(fēng)暴潮時(shí),潮水翻過閘門頂,進(jìn)入海河干流;1999年為配合海河干流治理,對(duì)海河防潮閘上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了美觀加固;2009年,由于存在整體下沉、結(jié)構(gòu)破壞,運(yùn)用指標(biāo)達(dá)不到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)等問題,加上年久失修、工程老化,經(jīng)安全鑒定,海河防潮閘被評(píng)定為三類閘,需盡快實(shí)施除險(xiǎn)加固。

1.2 泄洪任務(wù)

海河防潮閘與天津市濱海新區(qū)海堤相連,是天津城市防洪圈東部防線上的重要建筑物,地理位置非常重要。

海河干流歷史上是海河流域南運(yùn)河、子牙河、大清河、永定河、北運(yùn)河等五河匯流入海的尾閭河道。1963年大洪水后,先后修建了西河閘、屈家店閘,新挖了獨(dú)流減河、永定新河及子牙新河等骨干入海河道,從此改變了流域各河洪水由海河干流集中入海的局面。目前,海河防潮閘主要承擔(dān)分泄大清河系、永定河系洪水和天津市區(qū)澇水通過海河干流入海的任務(wù)。

大清河系中下游河道防洪標(biāo)準(zhǔn)可達(dá)10~20年一遇,結(jié)合中游洼淀的運(yùn)用,可防御1963年型洪水(相當(dāng)于50年一遇),尾閭總泄量4000m3/s,其中獨(dú)流減河承泄3600m3/s,經(jīng)子牙河至海河干流分泄400m3/s。

永定河系按100年一遇洪水標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防,洪水進(jìn)入永定河泛區(qū)調(diào)蓄后,由屈家店出流1800m3/s,其中由永定新河下泄1400m3/s,經(jīng)北運(yùn)河至海河干流下泄400m3/s。

根據(jù)2011年《天津市排澇總體規(guī)劃(2011~2020年)》,在規(guī)劃城區(qū)及建成區(qū)發(fā)生1年一遇、同時(shí)農(nóng)田發(fā)生10年一遇的澇水、環(huán)城四區(qū)等其他區(qū)域澇水掉頭入永定新河或獨(dú)流減河的情況下,海河干流設(shè)計(jì)排澇流量為963m3/s。

綜上,海河防潮閘的泄流規(guī)模為設(shè)計(jì)洪水流量800m3/s,設(shè)計(jì)澇水流量963m3/s。設(shè)計(jì)洪水與設(shè)計(jì)澇水基本不遭遇。

1.3 河道及河口治理

海河干流從天津市中心城區(qū)和濱海新區(qū)穿過,全長(zhǎng)105.14km。1993年,由于海河口地區(qū)地面沉降及河口淤堵等因素,海河干流的泄洪規(guī)模由原設(shè)計(jì)1200m3/s 調(diào)整到800m3/s。

1999年,天津市對(duì)海河干流按泄流800~1000m3/s規(guī)模進(jìn)行整治,包括海河防潮閘下4km 河口段清淤工程。

2001年,為協(xié)調(diào)防洪與河口開發(fā)的關(guān)系,提出沿海河口規(guī)劃治導(dǎo)線布置雙導(dǎo)堤、堤內(nèi)輔以清淤措施的河口治理方案。

2006年,天津臨港工業(yè)區(qū)結(jié)合河口泄洪清淤及河口綜合整治規(guī)劃,利用灘涂淺海造地,將海河口治導(dǎo)線向外海延伸并固化,并在雙導(dǎo)堤間修建港池航道。

到2012年底,海河干流治理工程、海河口雙導(dǎo)堤工程及港池航道工程均已全部竣工。

2 現(xiàn)狀過流能力

2.1 閘上設(shè)計(jì)水位

海河防潮閘原設(shè)計(jì)閘上水位1.01m。1999年海河干流治理時(shí),為滿足河岸景觀要求,確定閘上控制水位(最高水位)2.03m。

2.2 閘下設(shè)計(jì)潮型

海河防潮閘原設(shè)計(jì)閘下水位0.71m,采用1954年8月17日典型潮的平均值(以下簡(jiǎn)稱54 潮位),海河口是開敞式的,起始位置在現(xiàn)狀閘下。1999年海河口由開敞式演變?yōu)橥ǖ佬?,閘下水位采用1972年7月26日典型潮(以下簡(jiǎn)稱72 潮型),最高值2.26m,最低值-1.25m,日平均值0.655m,起始位置在現(xiàn)狀閘下4km 處。2006年以后,閘下水位仍采用72潮型,但因閘下泄洪通道加長(zhǎng),起始位置由閘下4km處移至17km 處。

2.3 計(jì)算方法和結(jié)果

采用感潮河道調(diào)洪演算的基本方法,利用丹麥DHI 公司開發(fā)的Mike 軟件中的一維水動(dòng)力模塊,模擬計(jì)算海河防潮閘現(xiàn)狀過流能力。Mike 軟件中的一維水動(dòng)力模塊采用的基本方程為圣維南方程組,計(jì)算過程中模型可自動(dòng)判別閘下為自由出流或淹沒出流,瞬時(shí)采用不同的水閘計(jì)算公式?;痉匠碳肮饺缦拢?/p>

(1)河道非恒定流水面線計(jì)算公式(圣維南方程組):

式中 Q 為流量(m3/s);A 為過水?dāng)嗝婷娣e(m2);q 為側(cè)向入流(m3/s),入流為正,出流為負(fù);h 為水深(m);C 為謝才系數(shù);R 為水力半徑;α 為動(dòng)量分布系數(shù);g為重力加速度,采用9.81(m/s2)。

(2)水閘計(jì)算公式:計(jì)算過程中模型自動(dòng)判別閘下為自由出流或淹沒出流。

當(dāng)閘下為自由出流時(shí),泄流計(jì)算公式為:

當(dāng)閘下為淹沒出流時(shí),泄流計(jì)算公式為:

式中 μ 淹沒水流系數(shù);h1、h2閘上、閘下水位(m);Cd、b、w 同上。

計(jì)算斷面采用1999年海河干流整治后的河道斷面,閘下4km 河口段采用2006年河口清淤設(shè)計(jì)斷面,閘下4~17km 河口段采用5 萬t 級(jí)航道設(shè)計(jì)斷面;糙率采用1999年設(shè)計(jì)糙率。

計(jì)算時(shí),閘底板高程采用實(shí)測(cè)的現(xiàn)狀高程,當(dāng)閘下河口采用72 潮型且位于17.0km 處,閘上控制水位不超過2.03m 時(shí),現(xiàn)狀海河防潮閘日均過閘流量1150m3/s,瞬時(shí)最大過閘流量2040m3/s,不能滿足過閘1200m3/s 的原設(shè)計(jì)要求,但可以滿足過閘800m3/s的流域防洪規(guī)劃體系要求和過閘963m3/s 的天津市排澇規(guī)劃體系要求。

3 除險(xiǎn)加固泄流規(guī)模分析

1993年,由于地面沉陷和河口淤積,海河干流泄流標(biāo)準(zhǔn)曾由1200m3/s 降到800m3/s。從復(fù)核結(jié)果看,由于河口大沽沙航道已被打通,現(xiàn)狀過流能力已達(dá)到1150m3/s,除險(xiǎn)加固方案和規(guī)模不宜按800m3/s 確定,而應(yīng)以基本維持現(xiàn)狀為宜,以有利于超標(biāo)準(zhǔn)澇水入海。

初擬有泄流能力1100m3/s 和1000m3/s 兩個(gè)方案。

3.1 方案1(1100m3/s 方案)

拆除閘底板,在現(xiàn)狀位置重新澆筑。由于閘室上下游底板加固方式是在現(xiàn)狀底板上增加厚0.5m 混凝土,因此閘室底板也應(yīng)在現(xiàn)狀高程基礎(chǔ)上增加0.5m。經(jīng)計(jì)算,閘室底板高程提高0.5m 后,可滿足過閘1100m3/s 規(guī)模的要求。

3.2 方案2(1000m3/s 方案)

在現(xiàn)狀閘底板基礎(chǔ)上增加厚1.7m 鋼筋混凝土。經(jīng)計(jì)算,閘室底板高程提高1.7m 后,可滿足過閘1000m3/s 規(guī)模的要求。

3.3 方案比選

兩方案都能滿足水工結(jié)構(gòu)要求。從施工上看,方案1 需將閘室上部結(jié)構(gòu)及閘墩等同時(shí)拆除重建,方案2 需在原底板上造孔以滿足灌注樁施工要求,方案2 較方案1 施工難度大。從投資上看,由于方案2不拆除閘室底板、翼墻、岸墻,且鋼閘門高度相對(duì)較低,投資較方案1 節(jié)省2%~3%。

如果增加3%的投資,可提高10%的過閘流量,從有利于防洪排澇安全并適當(dāng)留有余地來講,方案1更有利于天津市中心城區(qū)及濱海新區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

4 除險(xiǎn)加固對(duì)閘下清淤和運(yùn)行管理的影響

1998年以前,年清淤量40 萬~100 萬m3;1999~2006年,對(duì)閘下4km 河道清淤槽進(jìn)行清淤,年清淤量110 萬m3;2006年開始,沿海河口兩側(cè)的規(guī)劃治導(dǎo)線修建導(dǎo)堤至閘下14km 處,但未修建港池航道,年清淤量由60 萬m3減至30 萬m3;2009~2010年,隨著導(dǎo)堤向外海延伸至閘下17km 處,在閘下4km以下泄洪通道內(nèi)開挖港池航道,并進(jìn)行維護(hù)性清淤,清淤槽的清淤量每年20 萬~30 萬m3。2011年,臨港工業(yè)區(qū)對(duì)閘下4km 以下航道進(jìn)行加寬和浚深,由于清淤槽底高程和航道底高程相差較大,當(dāng)河道泄洪和外海落潮流疊加時(shí),落潮流速加大,在水流歸槽作用下清淤槽末端將發(fā)生沖刷,槽底高程降低且有逐漸向閘前靠近的趨勢(shì);沖於平衡后清淤槽有可能繼續(xù)淤積,但淤積速率變緩,回淤高度降低。近三年來,因回淤量明顯減少,故沒有對(duì)清淤槽進(jìn)行清淤,從清淤槽內(nèi)沖刷下來的泥沙大部分淤積在航道內(nèi),由港區(qū)實(shí)施維護(hù)性清除。

綜上所述,若保持現(xiàn)狀閘底板高程及河口清淤方案不變,因現(xiàn)狀清淤槽末端處于沖刷狀態(tài),清淤槽的回於量很小,故對(duì)閘下清淤工程、運(yùn)行管理沒有影響;若抬高閘底板高程且維持河口清淤方案不變,根據(jù)以往的研究成果,閘底板高程與閘下河道淤積的關(guān)系不很密切,按河口清淤方案清淤后,閘下河道回淤與清淤斷面的關(guān)系比較密切;在清淤槽底寬度相同的情況下,一般清淤與回淤是基本平衡的,即清淤越深、回淤就越高,清淤越大、回淤就越多;因此閘底板抬高后,對(duì)閘下清淤槽斷面沒有影響,不會(huì)對(duì)閘下清淤工程、運(yùn)行管理造成不利影響。

5 結(jié)語

從施工難度和經(jīng)濟(jì)合理性分析,泄流1100m3/s方案比較優(yōu)越,并且該方案對(duì)閘下清淤工程、運(yùn)行管理沒有影響。因此,建議推薦方案1。

[1]SL 265—2001,水閘設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]劉煒.水力計(jì)算手冊(cè)[K].北京:中國(guó)水利水電出版社,2006.

[3]南京水利科學(xué)研究院.海河口綜合整治規(guī)劃治導(dǎo)線調(diào)整物理模型試驗(yàn)研究報(bào)告(送審稿)[R].2005.

[4]天津市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院.天津市海河干流治理工程初步設(shè)計(jì)修訂報(bào)告[R].1999.

[5]中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司.海河防潮閘安全鑒定安全評(píng)價(jià)總報(bào)告[R].2009.

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