基于河床下切边界条件的引黄闸改建闸址比选

王李平，陈翠霞，周雪梅

（黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南郑州450003）

黄河下游干流共有引黄涵闸111座（含河南黄河河务局注册登记的5座防沙闸），其中河南段47座、山东段64座，不包含黄河下游分洪闸以及地方政府、灌区单位管理的引渠防沙闸。黄河河南段涵闸大多修建于20世纪50—70年代，山东黄河涵闸多建于20世纪70年代至90年代初期。小浪底水库运用以来，受水库拦沙和调水调沙影响，黄河下游河道河床持续冲刷下切，同流量水位降低，对引黄涵闸引水能力产生了不利影响。受下游河床边界条件变化影响，结合引水能力复核成果，对部分涵闸进行改建十分必要。

涵闸改建主要技术问题包括论证涵闸设计引水位、涵闸设计规模、闸址论证比选、闸型论证比选及涵闸改建方案确定等。许多水利技术人员从不同角度对涵闸改建进行了技术总结，林潇[1]结合涵闸改建工程设计，简述了建设方案的比选、论证及实施；肖建忠等[2]针对复杂边界条件的涵闸除险加固总体设计方案进行了比选、分析及论证；田雨普等[3]在涵闸改建工程闸型比选中引入生态足迹作为比选因素，综合确定改建闸型；刘应雷等[4]对引黄涵闸改建工程防渗布置进行了论证分析；董海钊等[5]论证了PHC管桩复合地基在引黄闸基础处理中的应用。

本文结合黄河小浪底水库运用及调水调沙影响、河床下切程度，以位山闸为例，根据地质条件、水流条件、引渠淤积及清淤生态环境影响、对原有建筑物影响、施工工期影响、工程投资等因素综合分析论证闸址，闸址比选方案包括原址重建方案和闸址前移方案。

1 涵闸设计方案

1.1 位山灌区及位山引黄闸概况

位山引黄灌区位于山东省黄河北岸的聊城市，涵盖聊城市8个县（市、区）的85个乡镇的大部分耕地，设计引水能力240.00 m3/s，设计灌溉面积36万hm2，属徒骇河、马颊河流域，是黄河中下游最大的引黄灌区，在当地国民经济发展中起着举足轻重的作用。同时，位山引黄闸还承担了引黄济津、引黄入冀两大跨流域调水任务，有力地支援了天津市和河北省的经济建设。

位山引黄闸位于山东聊城黄河左岸，大堤桩号8+040 m处，紧邻东阿县刘集镇位山村。该闸始建于1958年，为岩基开敞式钢筋混凝土结构，设计流量240 m3/s，采用分离式闸墩型式、弧形闸门。因防洪标准不足，于1981年冬改建，1983年10月竣工。改建后闸型未变，东西两侧各封堵一孔，由原来的10孔改为8孔，闸室结构仍采用钢筋混凝土分离式闸墩，闸墩底板与闸室底板分缝位置与原闸相同，将闸墩加高加厚，闸墩每侧加厚1.15 m，闸底板抬高2.00 m，闸孔尺寸由10.00 m×5.00 m改为7.70 m×3.00 m。

位山引黄闸至今运行年限长达34 a。小浪底水库开始拦沙运用以及调水调沙以来，使黄河下游河道不断下切，同流量水位逐年降低，致使位山引黄闸引水能力明显降低，不能满足设计的功能要求。

1.2 原址重建方案

原闸址基础为弱风化寒武系灰色灰岩，地基条件较好，因此考虑了原址拆除重建方案。原闸基础良好，闸基岩体弱风化，属Ⅲ类岩体，承载力足以满足闸基要求。前期施工时，对较大裂隙均进行了混凝土封堵，且在1982年改建时在闸前进行了帷幕灌浆，经过几十年的运行，未发现明显变形。此次涵闸改建工程原基础可作为新闸基础，不需要进行地基处理。

闸中心线位于原址处，基础状况良好，为开敞式布置。闸室布置8孔，2孔一联，均设平板检修门和弧形工作门，弧门单孔尺寸为8.0 m×4.0 m（宽×高），前设胸墙。闸室顶高程50.00 m，底板高程降低1.10 m，至高程36.00 m，闸室总长度20.00 m。闸室下游设消力池、海漫、防冲槽，上、下游两岸岸坡均设混凝土护坡。

1.3 闸址前移方案

位山闸闸前引渠在黄河调水调沙及汛期高含沙洪水过后淤积严重，为减少淤积、改善水流条件，提出了闸址前移方案。结合施工围堰布置，确定闸址前移200 m，前移闸址与原闸址相对位置见图1。

根据钻孔描述及室内土工试验成果，在勘探深度范围内（最大揭露深度35.0 m）揭露地层为第四系人工填土层（Qr4）、第四系全新统河流冲洪积层（Qal+pl4）及寒武系地层（∈）。

图1 位山闸前移闸址与原闸址相对位置

闸中心线位于原址上游约200 m处，闸室布置8孔，2孔一联，均设平板检修门和弧形工作门，弧门单孔尺寸为8.0 m×4.0 m（宽×高），前设胸墙。闸室顶高程50.00 m，底板高程36.00 m，闸室总长度20.00 m，上游设铺盖，下游设消力池、海漫、防冲槽，上、下游两岸岸坡均设混凝土护坡。

为改善闸下渗流条件，闸前端下设水泥土搅拌桩连续墙，深入粉质黏土层1.00 m；为增加地基承载力、抗滑稳定性，闸室底板下设混凝土灌注桩，桩径1.30 m，深度15.00 m，间距3.00 m。

闸室两岸布置均质土堤与原堤防连接，土堤顶宽12.00 m，上下游边坡坡比均为1∶3；上游面堤脚布设水泥土搅拌桩连续墙。

2 闸址方案比选

2.1 地质条件

原址拆除重建方案闸址基础为寒武系灰岩，弱风化，地基承载力为1 000～1 200 kPa，满足闸基应力要求。闸基岩体为Ⅲ类岩体，原基础已作帷幕灌浆处理，可作为新闸基础，不需要进行基础处理。闸址前移方案闸址处为第四系人工填土层（）、第四系全新统河流冲洪积层（）。闸基底部地层为粉质壤土，地基承载力为110～120 kPa，闸基应力不满足要求，需要进行基础处理，且可能存在地基不均匀沉降的情况。从闸下基础条件来看，原址拆除重建方案明显优于前移方案。

2.2 水流条件

2.2.1 闸前水流条件数学模拟计算

采用Mike软件分析计算位山闸附近流场，Mike软件中的Mike21模块主要用于模拟河流、湖泊、河口、海湾、海岸及海洋的水流、波浪、泥沙及环境等。

（1）计算范围。计算范围自位山闸上游约6 km至位山闸下游约6 km。位山闸原址重建方案和闸址前移方案计算区域地形分别见图2和图3。

（2）网格剖分及地形插值。黄河主流采用不规则网格，位山闸前区域采用规则网格，对黄河下游干流主槽和位山闸前网格进行加密。位山闸原址重建方案计算网格总数为9 833个，位山闸闸址前移方案计算网格总数为8 037个，见图4、图5。插值后的地形见图2、图 3。

图2 位山闸原址重建方案计算地形

图3 位山闸闸址前移方案计算地形

图4 位山闸原址重建方案网格剖分

（3）计算结果。模型计算时间步长为30 s。糙率通过模型的率定和验证来确定，并参照经验，取值范围为0.012～0.016。模型计算进口边界流量为490 m3/s，其中位山闸过流量120 m3/s，出口断面水位为确定闸底板高程的设计引水位37.19 m；黄河下游出口流量为370 m3/s，出口断面水位—流量关系由上游孙口、下游艾山断面水位流量关系插值得到，由水位—流量关系插值得到出口水位为36.47 m。位山闸原址拆除重建方案和闸址前移方案的闸门前局部流场分别见图6、图7。

图5 位山闸闸址前移方案网格剖分

图6 位山闸原址重建方案闸门附近流场分布

图7 位山闸闸址前移方案闸门附近流场分布

2.2.2 闸前水流条件分析

可以看出，两方案闸前水流流场分布相差不大，闸址前移方案水流相对较平顺。闸址前移方案因过流宽度较原址重建方案减小，闸前流速略大于原址重建方案。原址重建方案闸前引渠长300 m，前窄后宽，水流条件不利，从多年运行情况来看，原闸右岸两孔淤积严重，新闸远期运行受闸孔淤积影响也可能存在引水能力不足问题。闸址前移方案引渠比较平顺，闸前水流条件有了很大改善。从闸前水流条件看，闸址前移方案明显优于原址重建方案。

2.3 引渠淤积及清淤生态环境影响

（1）引渠淤积。经对位山闸闸前多年淤积及清淤情况统计与调研，原址拆除重建方案闸前引渠长约300 m，年清淤量7.63万m3，按聊城市位山闸灌溉管理处提供资料，年清淤费用为207.4万元。闸址前移方案引渠长约100 m，年清淤量预计为2.6万m3，费用约为69.1万元。2018年度黄河汛期防汛形势严峻，黄河下游大河流量大，大河持续高水位，闸前平均淤积深度为4 m，闸前总淤积量为9万m3，较往年平均淤积量增加17.9%。从闸前引渠淤积角度，闸址前移方案占优。

（2）清淤生态环境影响。依据引渠淤积情况分析，多年平均清淤量原址重建方案是闸址前移方案的2.63倍。原址重建方案清淤量大，导致清淤体临时占地面积很大，弃置清淤体对生态环境影响较大，弃料场相应需采取的水保、环保措施多，投资大。随着经济社会的发展，土地资源紧张，导致临时征地困难，另外，践行生态文明建设也是各级政府工作重点，从减少引渠清淤临时占地及生态环境影响角度，闸址前移方案明显占优。

2.4 对原有建筑物的影响

原址重建方案可以利用原有渠系建筑物；闸址前移方案为与原渠道平顺连接，需重建下游渠道约200 m；两个方案均需拆除原有闸室。

原址重建方案，新闸建成后与原有堤防平顺连接，堤防按标准恢复，对黄河大堤基本无影响。移址新建方案，闸址前移后新建一段堤防，新建堤防、新建位山闸及原有堤防平顺连接，裁弯取直，使黄河大堤更加顺直。

从对原建筑物影响角度分析，闸址前移方案占优。

2.5 对施工工期的影响

原址重建方案基础可不作处理，施工简单；闸址前移方案基础处理复杂，施工工期较长。从施工工期角度看，原址重建方案占优。

2.6 工程投资

原址重建方案、闸址前移方案工程量及投资见表1。从工程投资角度分析，原址重建方案略占优。

表1 位山闸改建工程闸址主要工程量及投资比较

3 闸址比选结论

综上所述，从改善水流条件、保证引水能力、减少引渠淤积及清淤生态影响、对原有建筑影响来看，闸址前移方案明显优于原址重建方案；从地质条件、施工工期、工程总投资来比较，原址拆除重建方案优于闸址前移方案。综合考虑闸址前移方案能减少渠道淤积、保证引水能力及后期管理运行方便等原因，推荐闸址前移方案。

4 结 语

通过数值模拟计算分析不同闸址方案水流流态，并综合考虑地质、清淤、环境、工程影响、施工工期及工程投资等因素，论证并确定涵闸改建方案，为涵闸改建工程闸址选择提供了新的思路与方法，具有一定的创新性。