1 工程概况
引江济汉作为南水北调中线水源区工程之一,是从长江上荆江河段附近引水至汉江兴隆河段,补济汉江下游流量的一项大型输水工程。工程的主要任务是向汉江兴隆以下河段(含东荆河)补充因南水北调中线调水而减少的水量,同时改善该河段的生态、灌溉、供水和航运用水条件。
引江济汉干渠设计流量350 m3 / s,最大流量500m3 / s,渠底宽60 m,纵坡1 /33 550。拾桥河枢纽50 a一遇设计流量980 m3 / s, 200 a 一遇校核流量1 270m3 / s。拾桥河枢纽距荆江大堤24 km,距汉江干堤37km,与长湖规划航道同为100吨级。
2 设置左岸节制闸和渠堤加高方案比选
2. 1 方案比较的原因
在一般工况下,拾桥河洪水低于引江干渠水位,设计洪水标准也低于引江干渠水位,为减少拾桥河两岸堤顶加高和建筑物加固工程量等,采用平交、立交布置方案。
对引江干渠而言,干渠上拾桥河泄水闸建筑物等按1级建筑物设计,洪水重现期为50 a一遇, 200 a一遇洪水校核。根据计算,拾桥河50 a一遇设计洪水位为32. 97 m, 200 a一遇校核洪水位为33. 64 m,而引江干渠设计流量( 350 m3 / s)输水位为31. 75 m,校核流量(500 m3 / s)洪水位为32. 63 m,最高洪水位高于最高输水位1. 01 m。由此可见,如干渠不设节制闸控制渠道水位,拾桥河以下至汉江干堤渠段顶部高程须按最高洪水位设计,换言之,不设节制闸渠顶高程比设节制闸渠顶高程要高0. 59～1. 87 m。因此,设置节制闸还是加高渠顶需要进行经济比较。
引江济汉干渠拾桥河至高石碑段挖方量远远大于填方量,渠堤加高不仅具备所需的土料,且填堤后可减少弃渣120万m3 ,可减少临时占地。
2. 2 设计方案
2. 2. 1 设置节制闸
根据地形条件和运用要求,拾桥河节制闸设计于引江济汉干渠拾桥河左侧。根据干渠宽度,节制闸设计过流总宽度52. 5 m,共6孔,孔口宽度为8. 75 m。
节制闸主体组成有:闸室段、上游护坦、上游消力池、下游消力池和海漫等。考虑干渠分段检修需要和汛期利用拾桥河下游渠道容积调节洪水从而减少长湖排水压力等功能,闸室按双向档水要求设计。
2. 2. 2 加高拾桥河- 高石碑渠堤
设置拾桥河节制闸,拾桥河- 高石碑渠堤高程为33. 56～32. 28 m,渠顶宽7 m; 取消拾桥河左岸节制闸,拾桥河洪水将进入拾桥河- 高石碑渠道,按200 a一遇洪水考虑,渠内最高水位将升至33. 45 m,按0. 7m超高考虑,拾桥河- 高石碑渠顶需加高至34. 15 m,加高后渠顶宽度、绿化带宽度、渠坡不变,渠堤需加高0. 59～1. 87 m。
2. 2. 3 方案比较
(1) 规划。设置拾桥河左岸节制闸可适当减轻长湖的防洪排涝压力,有利于渠道检修和分段节制水流,可适当减少引江干渠两岸渠堤的永久占地。
(2) 水工。两种方案均可行。设置拾桥河左岸节制闸,功能明确,拾桥河的洪水不进入拾桥河- 高石碑渠段,该段仅考虑引水、通航,而不需考虑拾桥河洪水的影响。不设拾桥河左岸节制闸,可减少一座大型建筑物,航运更通畅、方便,缺点是拾桥河的洪水进入拾桥河-高石碑渠段,需加高渠顶,并且导致拾桥河- 高石碑跨渠公路桥需加高、加长,增加工程投资,但设置节制闸,跨渠公路桥基本不受影响。
(3) 施工。两种方案从施工方面来说不存在根本的制约因素。左岸节制闸规模虽大,但位于陆地,可全年施工,不存在导流和施工的技术问题,不影响工程总工期(只影响本工区的工期)。不设节制闸,而加高渠道堤防,需增加土方回填120万m3 ,但可节约弃渣临时占地72 hm2 (1 080亩) ,施工相对简单。总体来说,两种方案在施工方面没有制约因素。
(4) 移民占地。2种方案比较,加高渠堤方案,拾桥河至高石碑范围内,断面宽度增加1～21 m,平均增加宽度6. 4 m,造成永久征地面积增加39. 9 hm2 (其中耕地21. 07 hm2) ,移民增加47户, 163人,拆迁房屋增加6 623 m2 ,增加移民投资4 325. 3万元。
2种设计方案的优缺点对比见表1。
表1 设置节制闸方案与堤顶加高方案主要优缺点对比
设置拾桥河左岸节制闸方案与堤顶加高方案主要指标对比: ①节制闸方案。干渠内最高水位32. 56～31. 28 m (拾桥河- 汉江干堤) ,设计渠顶高程33. 56～32. 28 m (拾桥河- 汉江干堤) 。②加堤方案。干渠内最高水位33. 45 m (拾桥河- 汉江干堤) ,设计渠顶高程34. 15 m (拾桥河- 汉江干堤) 。③加堤方案与节制闸方案。渠堤高程差增加0. 59～1. 87 (均值1. 23m) ,渠堤填方增加120万m3 ,移民投资增加4 325. 3万元,临时占地减少27 hm2 ( 1 080 亩,按2 m厚计) ,混凝土护坡增加2. 22 万m3 ,桥梁投资增加350万元,节制闸投资增加2 068万元,总投资增加3 232万元。
设置拾桥河左岸节制闸可适当减轻长湖的防洪排涝压力,有利于渠道检修和分段节制水流,可适当减少引江干渠两岸渠堤的永久占地,从工程投资看,加高拾桥河- 高石碑渠道比建拾桥河左岸节制闸投资多3 232万元。
综合比较推荐设置拾桥河左岸节制闸方案。
2. 3 枢纽布置方案比较
拾桥河枢纽布置研究比较了3个方案: ①枢纽建筑物包括上游泄洪闸、下游泄洪闸、倒虹吸、码头(驳岸) 、左岸道路及左岸节制闸; ②枢纽建筑物包括上游泄洪闸、下游泄洪闸、倒虹吸、上游船闸、下游船闸及左岸节制闸; ③枢纽建筑物包括分水闸、倒虹吸(拾桥河与引江济汉立交倒虹吸) 、码头(驳岸) 、左岸道路。
方案一的主要优点是枢纽建筑物较少,运行管理方便,工程投资较少;主要缺点是拾桥河镇至拾桥河枢纽处水运改为公路运输,长湖到拾桥河镇的货物需转运。
方案二的主要优点是不改变拾桥河的水运通道,长湖到拾桥河镇的货物不需转运,运输路程短;主要缺点是枢纽建筑物多,运行管理不方便,工程投资多。
方案一投资比方案二少3 782万元,方案一较优。
方案一与方案三均能满足泄洪要求,但方案一泄洪闸为开敞式,当遇到超标准洪水时,超泄能力较强,有利上游防洪抢险。另外,方案三倒虹吸孔口尺寸过大,且深埋地下,检修难度相对较大。
方案一的泄洪闸方案虽然建筑物较多,但总体工程量仍远少于方案三的倒虹吸方案,总投资比方案三少1 216. 91万元。方案一较优。
通过技术经济比较,推荐方案一。
3 推荐方案总体布置原则与布置方案
3. 1 总体布置原则
推荐的拾桥河枢纽是我国最大的平立交相结合的输水工程,枢纽建筑物包括上游泄洪闸、下游泄洪闸、倒虹吸、码头(驳岸) 、左岸道路及节制闸。
倒虹吸的主要作用是满足拾桥河低水位排洪及保证拾桥河上游排水系统不受引江济汉渠道水倒灌影响,其规模按满足多年平均洪峰流量(240 m3 / s)确定,长年开启。拾桥河泄洪闸主要作用是排泄拾桥河汛期洪水,下游泄洪闸兼有向长湖分水的作用。左岸节制闸起挡洪及过流作用。布置原则如下:
(1) 应结合引江济汉渠线布置。
(2) 采用地质条件有利的天然地基,避开软弱地基和可能产生不均匀沉陷的地基。
(3) 枢纽工程位于平原,汛期洪水流量较大,两岸堤防防洪压力大,工程布置时应尽可能采用有利于泄洪的方案,降低汛期洪水的壅抬,避免对拾桥河上游防洪产生不利影响。
(4) 为保证泄洪闸泄水通畅,减少对上下游河床的冲淤影响和对拾桥河堤防的威胁,闸址应选择在河道顺直、河势比较稳定、水流条件较好、进出水闸的水流顺畅的河段。
(5) 泄洪闸建在与引江济汉渠道交汇的拾桥河上下游河道上,闸址应尽量远离交汇口,留足够长的河段以调整不同水流形成的闸前不良进水条件;引江济汉渠道有航运要求,为避免水闸泄洪时船闸处的横向水流对船只的安全威胁,泄洪闸应选在离交汇口较远的地方。
(6) 泄洪闸闸址应尽量选择利用交通条件好的地方,以方便泄洪闸的施工和运行管理,且具有土石方工程量小等特点。
3. 2 总体布置方案
根据引江济汉干渠线路布置方案,干渠轴线与河道中心线交角为56°,枢纽建筑物由泄洪闸,倒虹吸和干渠节制闸组成,见本期封面。泄洪闸位于拾桥河主河床上,倒虹吸位于泄洪闸左侧;倒虹吸轴线与泄洪闸轴线之间距离137 m,中间采用隔流堤分开;节制闸位于倒虹吸左侧。
泄洪闸包括上下游2座,分别位于干渠两侧,两闸规模完全相同, 设计泄洪流量740 m3 / s, 校核流量1 030 m3 / s,闸室底板面层高程为26. 17 m,与引江济汉干渠渠底同高,上游闸室顶部高程按最高洪水位加安全超高确定为35. 30 m,下游闸室顶部高程为35. 10m,由于过闸水位差影响,低于上游闸室0. 2 m。
根据地形条件和运用要求,为使泄洪水流进出平顺,上游泄洪闸位于引江济汉渠道左448. 5 m处,下游泄洪闸位于引江济汉渠道下游460. 0 m处。闸址均位于主河槽上,两闸相距908. 5 m,均为开敞式, 8孔,采用2孔一联布置。工作闸门采用平面钢闸门控制运行,油压启闭机控制运行。为工作闸门检修方便,在干渠侧布置检修闸门。泄洪闸两侧对称布置空箱式岸墙,通过岸墙与两岸堤防相连,岸墙与交通桥同高。
由于上下游泄洪闸工程规模相同,地质条件相近,两闸工程布置和结构型式基本相同,主要建筑物由上游铺盖、闸室和消能设施组成。
倒虹吸位于泄洪闸左侧,紧靠泄洪闸布置。由于倒虹吸开挖深度较大,且与泄洪闸需要分期施工,倒虹吸和节制闸之间要设置施工围堰,根据地形条件和围堰布置需要,可利用现有拾桥河左岸河堤作为纵向围堰。根据围堰断面和施工布置要求,倒虹吸轴线与泄洪闸轴线相距137 m。完工后,干渠中间部分围堰予以拆除。
在平面布置上,倒虹吸进、出口右侧采用隔流堤与泄洪闸隔开。隔流堤总长1 157 m (包括跨渠长度) ,上游堤顶高程34. 34 m,下游堤顶高程34. 15 m。倒虹吸采用箱式,共6孔,单孔孔口净空尺寸为4. 8 m ×5m,现浇混凝土结构。
倒虹吸由进口渐变段、沉沙池、进口检修闸、管身段、出口检修闸、出口渐变段等组成。进出口左右岸为八字型空箱扶壁式钢筋混凝土墙,与上下游河渠相连,进出水渠均开挖形成。为减少工程占地、开挖工程量及便于工程运行管理等,倒虹吸进出水渠布置尽量紧邻拾桥河左岸堤防,开挖不影响原拾桥河左岸堤防。倒虹吸左侧为新建河堤。
拾桥河上下游泄洪闸之间两岸原堤防为3级,堤顶宽5 m,纵坡1 /4 000,河床宽100 ～122 m,内外坡1∶2. 5,防洪标准为50 a一遇。加固时与干渠有关部分按1级堤防加固,超出设计范围之外部分不加固。
为便于调节引江济汉干渠下游段水位及流量,拾桥河节制闸布置在拾桥河左侧引江济汉干渠上,距拾桥河与干渠交汇点385 m,设计引水流量为350 m3 / s,最大引水流量为500 m3 / s。节制闸采用开敞式, 6 孔闸门,泄水总宽度为52. 5 m,单孔孔口宽度为8. 75 m。闸室长度21 m,两岸采用空箱式挡土墙连接。
由于推荐方案考虑了长湖- 拾桥河航运船舶要在拾桥河闸址处转运货物,需建设驳岸码头。根据地形和交通情况,驳岸设在下游闸下左岸,转运货物可沿倒虹吸左岸公路经节制闸进入至拾桥河镇区公路。驳岸码头为扶壁式挡土墙结构,长63 m,宽16. 9 m,设2台固定式起吊设备,吊幅15 m,调重5 t。
为补偿拾桥河水运,需建拾桥河镇至拾桥河枢纽的左岸堤顶公路,长12. 4 km,路面宽5 m,沥青路面。
作者简介:刘家明,男,高级工程师,主要从事水利规划设计工作。
