天津生态城临海新城1#和2#水闸方案比选

蔡 侠，孟凡强，王 程

（1.天津市水务规划勘测设计有限公司，天津 300204；2.天津生态城泰达海洋技术开发有限公司，天津 300480）

1 工程概况

中新天津生态城临海新城1#、2#水闸位于天津市滨海新区临海新城南围堤，是临海新城水系连通二期工程的一部分。1#水闸位于临海新城南围堤中间位置，距离南围堤起点约3.2 km；2#水闸距离南围堤起点约5.4 km，距离1#水闸约2.2 km。

临海新城南围堤为天津市防潮体系的一部分，防潮标准为200 a一遇，1#、2#水闸位于南围堤，因此其防潮标准均为200 a一遇，工程级别均为1级。1#水闸最大过闸流量551.12 m3/s，2#水闸最大过闸流量770.40 m3/s。1#、2#水闸均为临海新城水系统的进水闸，保证临海新城区域内外水系连通，满足水系换水需要。在风暴潮极端天气条件下，关闭水闸，与临海新城防潮堤工程共同构成该区域防潮御灾体系，抵御外海风暴潮对岛体陆地和水系统的袭击，确保城市防潮安全。在平常天气下，1#、2#水闸与3#～6#水闸共同实现“南进北出”水体交换。当遇到大暴雨时，为保证临海新城的排涝安全，需要提前开闸腾空水系以承接降水。

1#、2#水闸位于新开挖 1#、2#河道与规划南边界交汇处。迎海侧起点为现状围堤临海侧坡脚，终点为新开挖1#、2#河道，水闸两侧与南围堤顺接。主体工程主要包括进口抛石护砌段、进口渐变段、堤前检修闸段、穿堤段、堤后闸室段、堤后检修闸段、出口护底段及出口连接段，顺水流方向全长均为173 m。

2 闸址选择

南围堤 1#、2#水闸北侧均连接临海新城 1#、2#河道，因此水闸在南围堤沿东西方向的位置已确定，闸址比选主要比选水闸距离规划海堤的位置。本文比较了2 个方案，方案1 沿规划海堤建设，方案2 为在方案1的基础上向内河侧（背海侧）平移25 m。根据水闸规范，水面较宽的水闸，如果不是正向进水，可设置一定长度的导水堤[1]。1#、2#水闸的主要功能为进水闸，闸址向内河侧平移，临海侧闸前挡墙可起到一定的导水效果。由于闸址向内河侧平移，因此方案2风浪相对小，有利于水闸冬季防冰，并且可以降低施工围堰的长度。该方案是比较经济的。方案1 虽然布置较平顺，但临海较近风浪大，且围堰长度较长，增加了工程造价。因此，推荐方案2，闸址与规划海堤相比向内河侧（背海侧）平移25 m。

3 结构型式选择

闸室结构有开敞式、涵洞式等。开敞式水闸闸室顶部没有填土，是露天的；涵洞式水闸闸室有洞身段，洞顶有填土覆盖，当有交通要求时，可在填土顶部设置交通路[2]。

开敞式闸室泄流特点是闸门全开时过闸水流具有自由水面，一般闸槛高程较高、挡水高度较小的水闸多采用这种型式。当闸门全部打开时，闸室过水断面面积和泄流量都随着水位的抬高而增大，这对需要泄洪、分洪的水闸是一个很大的优点。但本工程水闸主要功能为进水、挡潮，挡水高度大，因此不宜采用开敞式水闸。

涵洞式闸室泄流特点是闸门全开时过闸水流只能通过固定孔洞下泄，一般闸槛高程较低、挡水高度较大的水闸常采用这种闸室结构型式[1]。本工程为挡潮闸，挡水时迎海侧水位变化很大，大潮来时闭闸挡水，正常潮位时适时开闸引水，即挡水水位高于进水运用水位，采用涵洞式闸室既不影响水闸的过水能力，又可以减小闸门高度和启门力[1]，降低启闭机房的高度。另外，涵洞式布置可利用海堤通行，不需另外设置交通桥，并且涵洞式布置有利于水闸的渗流稳定。本工程所在南侧海堤不能同步建设，采用涵洞式布置能更好地适应分期建设。因此，本工程推荐采用涵洞式布置。

本工程采用双层闸室，开启上层闸门可引入含沙量相对较小的上层水体，开启下层闸门可利用底层泄流冲走闸前淤积的泥沙。同时，本工程建筑在沿海淤泥上，双层式闸室可以加强闸室垂直水流向的横向刚度，以减小地基的不均匀沉降和闸室的结构变形。

综上所述，推荐选用涵洞式双层式闸室结构。

4 闸孔数量选择

根据《中新天津生态城临海新城水系连通工程方案研究报告》（南京水利科学研究院2018 年12 月），结合过流计算，确定1#换水闸闸室总净宽为55 m，闸底板高程为-2.0 m；2#换水闸闸室总净宽为55 m，闸底板高程为-3.5 m。

根据水闸规范，闸孔数少于8 孔时宜采用单孔布置，结合本工程55 m 过流净宽要求，对5 孔和10孔水闸2种布置方案进行比较。

4.1 5孔水闸布置方案

5 孔（每孔分上下2 层）水闸闸室垂直水流方向分为3联，2个边联（2×2孔），1个中联（1×2孔），闸墩厚1.3 m（缝墩厚1.1 m）。闸室每孔净宽11 m，过流总净宽55 m。闸室中联总宽度13.2 m，边联总宽度25.7 m，闸室总宽度64.6 m。

4.2 10孔水闸布置方案

10孔（每孔分上下2层）水闸布置方案即按原闸孔设计净宽设计，闸室垂直水流方向分为4 联，2 个中联（2×2孔），2个边联（2×3孔），闸墩厚1.0 m（缝墩厚0.8 m）。闸室每孔净宽5.5 m，过流总净宽55 m。闸室中联总宽度13.6 m，边联总宽度20.3 m，闸室总宽度67.8 m。

4.3 闸孔比较

5 孔水闸布置方案与10 孔水闸布置方案的进、排水条件等基本相同。5孔方案闸门宽扁不利于启闭，并且底板较厚，工程量大。10 孔方案由于闸门小，可减小启闭机容量和金属结构工程量，并且有利于结构稳定。因此，推荐10 孔水闸布置方案。2 种方案具体情况，详见表1。

表1 2种方案具体情况比较（以1#闸为例）

5 堤后、堤前方案比较

根据水闸与防潮堤的相对位置，本次设计对堤后、堤前2种布置方案进行了比选。

5.1 方案1：堤后方案（推荐方案）

在临海侧新筑防潮堤，堤顶高程7.30 m，防浪墙顶高程8.00 m，闸室及厂区设置于防潮堤后，闸顶高程6.30 m，闸后地面高程4.50 m。

该方案水闸主体顺水流方向长度约59 m。堤后方案，如图1所示。

图1 方案1：堤后方案（推荐方案）

5.2 方案2：堤前方案

在临海侧修建闸室及防浪墙，闸顶高程7.30 m，防浪墙顶高程8.00 m，防潮堤设置于闸室后，堤顶高程7.30 m，堤后地面高程4.50 m。该方案水闸主体顺水流方向长度约54 m。堤前方案，如图2所示。

图2 方案2：堤前方案

5.3 方案比选

2个方案优缺点分析，详见表2。

表2 各方案优缺点比较

2 个布置方案工程量和工程投资相当，综合考虑区域整体规划、水闸运行、施工组织等因素，推荐方案1，即堤后方案。

6 地基处理方案比较

水闸基础处理方案应综合考虑工程地质与水文地质条件、闸室结构类型、荷载特征、施工方案、围堰布置等因素，进行合理选择[3]。水闸地基处理的方法很多，主要用于以下3个方面：增加地基的承载能力，保证建筑物的稳定；消除或减少地基的有害沉降；防止地基渗透变形[4]。

6.1 水泥搅拌桩

水泥搅拌桩为复合地基，对软土进行就地加固，增加软土地基的承载能力、减小沉降量，工程投资较低。复合地基能解决原状土的地基承载力不足的问题，但是不能解决水闸抗滑移稳定性系数不满足规范要求的问题。而且，复合地基作为一种地基处理方法，能提高一部分土体的压缩模量，但是其沉降及不均匀沉降还比较大。对于水闸这种对变形比较敏感的构筑物来说，如果沉降及不均匀沉降比较大会影响后期的使用。

6.2 管桩方案

管桩在工业与民用建筑、市政、水利、公路、桥梁、码头等工程中应用广泛。管桩桩身强度较高，可穿越各类软土、填土、可塑状黏性土、粉土、松散或稍密的砂土，进入硬塑或坚硬状黏性土、密实的砂土、碎石土、强风化岩层及中风化极软岩层一定深度。除预应力高强混凝土管桩（PHC 管桩）、预应力混凝土管桩（PC 管桩）等桩型外，近年来又出现了混合配筋管桩（PRC 管桩）。管桩施工速度快，每延米造价较灌注桩便宜，但是根据《预应力混凝土管桩技术标准》（JGJT406-2017），并结合近年管桩施工经验，PRC 管桩单节桩长在15 m 以内，并且接桩工艺复杂，接桩过程中由于施工误差极易造成管桩桩身强度削弱，在竖向力作用下发生弯曲或者受压破坏。

6.3 预制方桩

预制混凝土方桩为刚性桩基础，能较大提高地基承载力、减少沉降量、提高建筑物抗滑稳定性，施工速度快、方便，抗剪能力优于管桩。其缺点和预应力混凝土管桩类似，当满足承载要求所需桩长较长时需要接桩，桩身强度易削弱，可靠性降低。

6.4 钻孔灌注桩

钻孔灌注桩为刚性桩基础，能较大提高地基承载力、减少沉降量、提高建筑物抗滑稳定性，并且施工质量易于保证，地基稳定安全度大，是较可靠的地基处理方案。并且灌注桩能承受较大的水平荷载，缺点是投资较高，施工速度较预制桩慢。

按桩的受力情况，可分为摩擦型桩和端承型桩。根据水闸工程的特点，在以水压力为主的水平荷载作用下，闸室底板与地基土之间应紧密接触，以避免形成渗流通道。因此，为了保证闸基的防渗安全，土质地基上的水闸桩基一般采用摩擦型桩[5]。

6.5 方案比较

本工程工程等别高，工程区位于永定新河河口，地质条件差，建筑物建基面土层承载力较低，结合建筑物的受力特点，桩身承受水平力较大，因此本工程应选用较可靠的钻孔灌注桩进行基础处理。并在桩顶1 m 范围内换填水泥土，提高桩侧土水平抗力系数的比例系数。

7 结论

根据以上方案比选，水闸采用涵洞式双层式闸室结构、10 孔布置方案。闸室段位于堤后，采用钻孔灌注桩的地基处理方案。

水利水电工程中水闸的设计是非常重要的，在设计时，应从闸址选择、总体布置、闸室结构、孔数选择以及基础处理型式选择等方面综合考虑，结合工程需要以及片区整体整治的需要，选择合适的方案，以便水闸能更好地满足防洪、挡潮、排涝、挡水等多种功能的要求。