水闸设计方案比选实践

秦世鑫

摘 要：方案比选是设计过程中经常用到的方法，在水利工程设计中起到了基础性作用，可以优化工程设计内容、确保工程效益发挥。从水闸设计方案比选着手，以新建的金洲水闸为例，按照水闸方案比选的常用方法，从可行性分析、闸址选择、正常蓄水位选择、闸型选择、平面布置、工程造价及运行成本等几个方面进行论述。通过实践、思考以及工程运行的实际效果，证明方案比选具有重要作用。

关键词：水閘;平面布置;工程造价;运行成本;方案比选

中图分类号：TV66 文献标识码：A 文章编号：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

水闸是国民经济和社会发展的重要基础设施，在防洪、供水、灌溉、养殖、防潮、排涝、航运和水资源合理利用等方面发挥着重要作用，在水资源优化配置和防洪减灾中具有特殊的地位，直接关系到社会生产安全和人们的生命安全。据不完全统计，我国已建成各类小型以上水闸40 603座，其中大型水闸877座。水闸设计合理是确保其正常发挥工程效益的关键，而方案比选是设计的基础，可以优化设计内容，确保工程发挥作用。水闸的方案比选一般包括闸址、闸前水位、闸型、平面布置、工程建造及运行成本等。下面将以新建的金洲水闸设计中的几个主要问题为例，说明方案比选具有重要作用。

1 工程概述

金洲水闸工程位于湖南省宁乡市沩水下游，地处连接宁乡市与长沙市的金洲大道控制性工程——金洲大桥下游1 067 m处。它紧邻宁乡市经开区纸业工业园和金洲新区，距沩丰坝5.3 km，距宁乡市区6.1 km。

本工程是一座以供水为主，兼顾防洪、灌溉、发电以及城市景观等综合效益的大型水利枢纽工程。控制集雨面积为2 200 km2，占全流域的90.5%。正常蓄水位为42.00 m，正常库容为7.85×106 m3，正常蓄水水面面积为8 741 210 m2，最大过闸流量为3 982 m3/s。

工程计划总工期为14个月，枢纽部分总造价为4 350万元。其中，枢纽工程费用为3 402万元，水库淹没处理和环境保护费用为948万元。

2 建闸的可行性分析

建造水闸有利也有弊，金洲水闸的建造应综合考虑利弊，反复权衡，再做出抉择。

2.1 有利因素

①可新增防洪库容。工程建成后，增加了7.85×106 m3的防洪库容，可有效缓解工程下游地段，特别是金洲新区的防洪压力，更好地为区域经济保驾护航。

②可改善两岸农田灌溉。工程建成后，闸址上游5 km河段内蓄水位可提高至3.5 m，可降低农田的提灌扬程，改善近3.33×106 m2农田的灌溉条件，从而节约电能资源，显著提高其灌溉保证率，更好地为当地的农业生产服务[1]。

③可新增供水水源。工程建成后将形成稳定的水源，可向临近的宁乡经济技术开发区和金洲新区供水。

④可增加一处新的城市景观。本工程建成后，将在宁乡主城区形成一个长为5.3 km、水面面积为8 741 210 m2的人工湖，可美化城区环境，有利于人水和谐相处，从而提升宁乡城市品位。

⑤可便捷两岸交通。本工程建成后，将设置一座风雨廊桥，使两岸居民往来更便捷。

⑥可新增水力发电功能。通过本工程的建设，可新增一处总装机3×800 kW的水电站。

2.2 不利因素

水闸建设期将阻塞河道，截断水流，延长库区沩水河段水体的换水周期，降低库区水体的自然净化能力，延缓污染物的纵向扩散，对沩水水体的净化不利，存在环保隐患。

水闸建成后将改变库区生态环境，减缓水流流速，破坏库区原有植被、水生生物等的生长环境，从而对区域生态造成不利影响。但是，建设期和运行期采取合理的环境保护和水土保持措施，可以有效缓解这些不利影响[2]。

从人改变自然的角度来讲，金洲河坝的新建将产生防洪、灌溉、供水、城市景观、发电以及交通效益，是有利的;从改善自然环境的角度来讲，金洲河坝的新建将在短期内不利于环保、生态，是不利的，但弊病通过合理的工程和非工程措施可以得到有效解决。经综合权衡，最终决定启动金洲水闸建设。

3 方案比选

3.1 闸址的选择

闸址的选择主要考虑地形地质条件、过流能力、工程造价以及施工条件等。金洲水闸工程在可行性研究和初步设计阶段，先后于刁子潭至彭里桥位置选取4条闸轴线，并做了详细的比较。第一条闸线位于金洲大桥下游630 m处，第二条闸线位于大桥下游710 m处。地质勘查发现，第二条闸线地质情况很差。一是岩层出露高程低，弱风化层埋藏深，为5～8 m，清基不易;二是勘探地层岩性复杂，岩层中有溶洞和泥质夹层，对建闸十分不利。第一条闸线虽然比第二条闸线地质情况要好，但河床断面宽度仅有170 m，不利于水工建筑物的布置。这两处闸线均不理想。

在充分考虑田家洲疏挖的前提下，于金洲大桥下游880 m和1 067 m处重新选择第三、第四两处闸轴线并进行详细的地质勘查。经分析，两处闸轴线地质情况相似，岩层单一，为泥质砂岩，岩层出露高程高，弱风化层埋藏较浅，埋深均为3～5 m，未发现泥质夹层、溶洞等不利地质因素。两处闸线的可利用河床宽度第三闸线比第四闸线宽20 m，为260 m，均对拦河坝枢纽建筑物的布置有利。考虑到第四闸线位于下游，对增加蓄水有利，最终选定第四闸线，即金洲大桥下游1 067 m处作为新建拦河水闸的闸轴线[3]。

3.2 正常蓄水位的选择

正常蓄水位的选择主要考虑库区上游淹没、工程造价以及对已建工程的影响。本工程为低水头河床式闸坝，淹没区全部在河道之内，故淹没损失较小。主要考虑对淹没区已建工程的影响，这样的工程主要有3处，分别为距坝址上游4.5 km的宁乡水文站、5.3 km的沩丰坝和5.0 km的沩丰电站。金州水闸工程正常蓄水位的确定必须综合考虑对三者的影响，并使蓄水量尽量大。

①宁乡水文站。该站为宁乡两座水文观测站之一。根据水文测流要求，金洲水闸正常蓄水位不超过39.5 m，水文站可以采取调整测流的办法来消除影响。高于39.5 m后，将改变水文勘测断面尤其是高水位测流断面，既有的水位-流量关系也将变化，从而导致无法测流，需要对其进行整体搬迁[4]。

②沩丰坝。该坝是宁乡市仅有的两座大型河坝之一，担负着供给宁乡城区生产生活用水及下游6.67×108 m2良田灌溉需要的重任。它的固定坝坝顶高程为44.09 m，下游护坦顶高程为42.80 m。综合考虑其防洪泄流特点，本工程正常蓄水位最高不宜超过42.5 m。

③沩丰电站。该电站总装机容量为3 000 kW，单机满发尾水位为39.80 m。因此，如要保留沩丰电站，本工程的正常蓄水位最高只能取39.5 m，否则该电站无法发电，只能作废。

另外，本工程库区左岸为新民垸，右岸为群英垸，均为洞庭湖区重点堤垸。两堤垸共保护5.74×107 m2耕地（新民垸3.65×107 m2+群英垸2.09×107 m2），垸内排水河流及渠道底部高程为42.5～44.5 m。两垸在本工程库区内有涵闸4处，其中3处为排水涵闸，分别为伏虎桥闸、联盟闸和筒车坝闸，底板高程最低的联盟闸仅为43.5 m。为满足两垸的排涝需要，金洲水閘正常蓄水位最高只能取42.50 m。

综上所述，如考虑保留水文站及沩丰电站，则正常蓄水位最高只能为39.50 m，如不保留则最高能为42.00 m，相应正常库容为7.85×106 m3。经综合权衡，决定将宁乡水文站整体搬迁至下游1 km处，废除沩丰电站并在金洲水闸处新建，最终金洲水闸正常蓄水位定为42.00 m。

3.3 闸型的选择

闸型的选择主要考虑运行可靠程度、蓄水高度、维修检修便利、与周围环境协调以及工程造价等。闸型主要有翻板闸门、橡胶闸以及闸坝。翻板闸门与橡胶闸的过流能力相近，均没有闸坝好;运行可靠度、维修检修以及与环境的协调方面也没有闸坝好，但工程造价要比闸坝少。本工程拦河闸决定采用闸坝形式，拟采用两种方案：一是直升式平面钢闸门，二是液压启闭弧形钢闸门。两方案的比较如表1所示。

本工程靠近宁乡城区，有交通和景观需要。经过综合比较，决定采用工程寿命长、泄流能力大、操作性强、调度灵活且与城市景观协调性更好的液压启闭弧形钢闸门方案。在闸室上游侧建设风雨廊桥，以连接两岸交通。

3.4 工程等级的确定

本工程为平原区低水头挡水闸坝，调节库容小，挡水高度低，过闸流量大。按《水闸设计规范》（SL 265—2016）规定，本工程规模为大（2）型，工程等别属Ⅱ等，主要建筑物按2级建筑物进行设计[2]。按《防洪标准》（GB 50201—2014），相应的设计洪水标准为50年一遇，校核洪水标准为300年一遇[1]。

3.5 平面布置

闸门的平面布置主要考虑过流能力、消能防冲及总体布置协调等。本工程采用液压启闭弧形钢闸门闸坝的形式，为使工程施工和运行管理方便、投资少、工期短以及见效快，主要考虑以下几方面的因素：①本水闸特点为洪峰流量较大，为控制上游淹没损失，降低建筑物的挡水水位，应优先考虑泄水建筑物的合理布置;②枢纽布置要紧凑、简洁，尽量减少工程量，降低工程造价;③要结合闸址的地形地貌和地质情况，合理设计建筑物，以确保工程的安全使用，发挥最大效益;④枢纽布置要有利于运行管理的方便、安全以及经济合理[5]。

比选靠两端布置及居中等几种方案，最终选择居中布置。具体布置方案为：固定闸室段为钢筋混凝土重力式宽顶堰，高5 m，宽22 m，堰顶基本与河床齐平;固定闸顶设液压启闭弧形钢闸门，沿河床居中横向布置，共计17张，单张门高5.3 m，宽12 m;中墩厚1.8 m，边墩厚2.0 m，闸墩长16.3 m;闸左端设水力发电厂房;闸轴线总长287.3 m（含主厂房43.8 m），闸下游设消能防冲设施，消力池长27 m，深1.6 m，消力池后接40 m长的护坦和50 m长的海漫;闸室上部设宽5 m的风雨廊桥;坝体两端大堤上游侧防护100 m，下游侧防护150 m，对闸坝基础采用帷幕灌浆防渗，帷幕深入单位透水率不大于5 Lu分界线以下1 m，孔深12～17 m;对于坝基局部破碎地段，采用固结灌浆予以加固。

4 结语

通过对水闸可行性、闸址、正常蓄水位、闸型以及平面布置等各种方案的对比与选择，最终将水闸建造在河床开阔、地质条件优越、泄洪条件较好以及蓄水水面较大的位置。方案比选在水闸设计和建造的过程中发挥了不可替代的作用。

金洲水闸于2014年建成以来，各方面运行情况良好，先后经受了2015—2017年连续3年4次大洪水（2016年2次）的考验，洪峰流量最大是2017年7月1日，达到6 150 m3/s（宁乡水文站数据），水闸安然无恙，充分说明水闸方案比选是成功的，使水闸真正发挥了防洪、灌溉、供水、发电和美化城市景观的作用。

参考文献：

[1]水利部.防洪标准：GB 50201—2014[S].北京：中国计划出版社，2014.

[2]水利部.水闸设计规范：SL 265—2016[S].北京：中国水利水电出版社，2016.

[3]黄建和，陈肃利，汪洪.《水利水电工程等级划分及洪水标准》 （SL252—2000）编制概要[J].水利技术监督，2000（6）：13-15.

[4]罗啟钜.加强水闸施工中的软基处理工作探析[J].中国高新技术企业，2015（9）：127-128.

[5]孙涛，司秋云.水闸施工技术探析[J].山东工业技术，2015（18）：104.