盧永金,顧金山,顧玉亮,劉新成,李 銳

(1.上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院,上海 200061;2.上海青草沙投資建設(shè)發(fā)展有限公司,上海 201206)

青草沙水庫(kù)建設(shè)中的技術(shù)難題研究

盧永金1,顧金山2,顧玉亮2,劉新成1,李 銳1

(1.上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院,上海 200061;2.上海青草沙投資建設(shè)發(fā)展有限公司,上海 201206)

青草沙水庫(kù)是建設(shè)在潮汐河口江心的大型蓄淡避咸水庫(kù),以水力充填法構(gòu)筑堤壩,具有地形沖淤多變、缺少石料和水上施工等特點(diǎn)。運(yùn)用數(shù)值模擬、物理模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等手段,提出多因素、多尺度、多層次的系統(tǒng)綜合技術(shù)路線,研究了青草沙水庫(kù)的河勢(shì)灘勢(shì)變化、咸潮入侵規(guī)律、水力充填深水堤壩的結(jié)構(gòu)及滲流特性、特大龍口布置與截流工藝等關(guān)鍵技術(shù)難題,有關(guān)解決方案在水庫(kù)建設(shè)與安全運(yùn)行管理中得到應(yīng)用。

水力充填堤壩;龍口;堤壩防滲;防沖保灘;長(zhǎng)江口;蓄淡避咸水庫(kù);青草沙水庫(kù)

1 工程概況與主要技術(shù)難題

長(zhǎng)江口河段長(zhǎng)約180km,呈三級(jí)分汊、四口入海的扇形分汊河勢(shì)格局,共有北支、北港、北槽和南槽4個(gè)入海通道。青草沙水庫(kù)位于長(zhǎng)江口南支下段南、北港分流口水域,由長(zhǎng)興島西側(cè)和北側(cè)的中央沙、青草沙以及北小泓、東北小泓等水域組成。

青草沙水庫(kù)總面積66.15 km2,設(shè)計(jì)總庫(kù)容5.24億m3,有效庫(kù)容4.35億m3,供水規(guī)模719萬(wàn)m3/d。水庫(kù)由中央沙庫(kù)區(qū)和青草沙庫(kù)區(qū)組成,環(huán)庫(kù)大堤包括南堤、西堤、北堤、東堤及長(zhǎng)興島海塘,總長(zhǎng)48.5 km,其中青草沙庫(kù)區(qū)新建北堤、東堤22 km,加高加固老堤26.5 km。

水庫(kù)設(shè)有兩個(gè)取、排水口,分別位于北堤上、下端。上端取水口含有設(shè)計(jì)流量為200 m3/s的泵站和凈寬為70m的水閘;下端設(shè)凈寬為20 m的水閘。輸水系統(tǒng)進(jìn)水口采用輸水閘井形式,輸水閘凈寬24m。

本工程是國(guó)內(nèi)外迄今為止建在潮汐河口江心最大的蓄淡避咸水庫(kù),在建設(shè)條件、堤壩結(jié)構(gòu)、施工和運(yùn)行管理等方面有其自身的特點(diǎn)和技術(shù)難點(diǎn),主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

a.水文與河勢(shì)特征。青草沙水庫(kù)地處長(zhǎng)江口江心,南、北港分流口暗沙眾多,河床泥沙可動(dòng)性較強(qiáng),受徑流、潮流以及風(fēng)浪作用,流態(tài)復(fù)雜,互動(dòng)因素較多,水動(dòng)力條件、咸潮入侵規(guī)律和河勢(shì)演變等十分復(fù)雜。因此,需在廣泛調(diào)研和收集資料的基礎(chǔ)上,采用多種手段分析預(yù)測(cè)河勢(shì)灘勢(shì)變化和咸潮入侵規(guī)律,結(jié)合長(zhǎng)江口綜合整治、水庫(kù)蓄淡避咸功能及建設(shè)運(yùn)行管理等方面的需求,制定出科學(xué)合理的選線選址、水庫(kù)水位、取水調(diào)度、工程規(guī)模和防沖護(hù)灘方案。

b.施工順序與防沖保灘。新建堤總長(zhǎng)達(dá)22km,建在河口江心漲潮溝外側(cè)的沙脊上,并穿越多道深槽泓溝。由于漲潮溝是特有水動(dòng)力作用下的一種不穩(wěn)定平衡狀態(tài),潮流場(chǎng)、波浪或泥沙條件的改變,極易引起帶狀沙脊沖刷,而且一旦沖刷啟動(dòng),沖刷的速度往往很快,一兩個(gè)潮汐周期可能引起大片沙脊消失。施工筑堤的阻水?dāng)_流也極易引起沙洲沖刷和河勢(shì)調(diào)整。因此,需研究合理的施工順序,選擇合適的大堤施工作業(yè)面和進(jìn)占速度控制要求,以及適宜的防沖保灘結(jié)構(gòu),維護(hù)沙洲或沙脊穩(wěn)定,避免施工過(guò)程中和完工后圍堤沿線灘地沖刷和河勢(shì)急變。

c.深水筑堤結(jié)構(gòu)與工藝。新建東堤灘面高程約為-10.5～-5.0 m,橫穿漲潮溝深槽,全長(zhǎng)約3.0 km,屬于深水筑堤。工程所在區(qū)域水深、浪大、流急、地基軟弱、施工作業(yè)面窄,而且缺乏石料,沒(méi)有陸上推進(jìn)筑堤的條件。為此,需針對(duì)建設(shè)條件探索研究合適的堤身結(jié)構(gòu)形式和建造工藝。

d.滲流特性與防滲。新建大堤22 km,需承受水庫(kù)內(nèi)外7.0～8.0 m的雙向水頭作用。新堤采用水力充填管袋斜坡堤結(jié)構(gòu),堤身兩側(cè)及水下部分主要由土工織物管袋充填砂土堆疊而成,堤身中上部由砂性土散吹形成,其滲透規(guī)律不同于一般土壩。因趕潮施工,質(zhì)量控制較難,加上地基土多為砂性土或者粉性土,極易發(fā)生滲透破壞。在潮汐河口以水力充填法建設(shè)水庫(kù)堤壩的類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)不多,其滲透特性、滲流計(jì)算、滲透穩(wěn)定控制標(biāo)準(zhǔn)以及可大規(guī)模施工的可靠滲控措施,都是需要攻關(guān)研究的課題。

e.龍口設(shè)置與截流工藝。青草沙水庫(kù)在截流期設(shè)計(jì)納潮量約3.0億m3/d,設(shè)計(jì)截流流速高達(dá)9 m/s左右。與大江大河徑流式水庫(kù)合龍相區(qū)別,本工程龍口受潮汐半日潮往復(fù)流作用,合龍時(shí)機(jī)有周期性,適宜的連續(xù)作業(yè)天數(shù)6～8 d,且宜在歲末年初小潮汛期施工;工程區(qū)缺乏石料和陸上拋石作業(yè)條件;軟土地基易沖難護(hù),且一旦發(fā)生沖刷極難控制。因此,龍口的選址、規(guī)模、護(hù)底結(jié)構(gòu)及截流方式是本工程設(shè)計(jì)核心內(nèi)容之一,是整個(gè)水庫(kù)工程建設(shè)的最大關(guān)注點(diǎn)。

2 研究?jī)?nèi)容和技術(shù)路線

針對(duì)上述5類(lèi)技術(shù)難點(diǎn)和需求,開(kāi)展了長(zhǎng)江口青草沙水域水文水動(dòng)力及咸潮與河勢(shì)特性、潮汐河口水庫(kù)堤壩與護(hù)灘工程、潮汐河口水庫(kù)水力充填堤壩滲流控制、潮汐水流作用下特大龍口的設(shè)置及保護(hù)與截流等關(guān)鍵技術(shù)專(zhuān)題研究(表1)。

各專(zhuān)題的研究?jī)?nèi)容涉及的因素復(fù)雜,并且常具有不確定性。為此,整個(gè)研究有針對(duì)性地采用了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)驗(yàn)、歷史資料對(duì)比與統(tǒng)計(jì)、多尺度多重嵌套和多維水流數(shù)值模擬、多尺度正態(tài)或變態(tài)水動(dòng)力物理模型試驗(yàn)、土固耦合三維有限元模擬、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工程等多種手段和方法,理論分析與數(shù)值模擬、物模試驗(yàn)相結(jié)合,或?qū)訉由钊?或相互驗(yàn)證,系統(tǒng)研究,綜合分析。各專(zhuān)題研究?jī)?nèi)容、方法及其技術(shù)路線分別見(jiàn)圖1～4。

表1 青草沙水庫(kù)建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)專(zhuān)題

3 研究成果

在河勢(shì)分析、龍口高速水流、河勢(shì)演變機(jī)理、龍口護(hù)底、大堤防滲等方面的研究取得了突破,主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

a.揭示了長(zhǎng)江口工程區(qū)復(fù)雜的“水沙鹽”特征規(guī)律和建庫(kù)的基本條件,即該區(qū)域水質(zhì)優(yōu)良,大多時(shí)間達(dá)Ⅱ類(lèi)水質(zhì),除冬春季有間隙性咸潮入侵外,常年淡水資源豐富,按97％的水量保證率、以1978年冬至1979年春為典型年進(jìn)行計(jì)算,水庫(kù)取水口水域水體含氯度高于250mg/L,不可取水的最大連續(xù)天數(shù)為68 d;工程區(qū)沙洲移動(dòng)、河勢(shì)演變和河床沖刷游蕩規(guī)律復(fù)雜,但總體上南、北港分流口頭部以20余年為周期,“上提下退”來(lái)回演變,演變范圍20 km左右,抓住河勢(shì)格局相對(duì)平順?lè)€(wěn)定的時(shí)機(jī),及時(shí)在南、北港分流口水域沙洲外圍沙脊上順勢(shì)布置堤線,可以建設(shè)大型水庫(kù)并有利于穩(wěn)定河勢(shì)和促進(jìn)長(zhǎng)江口的綜合整治。

b.揭示了典型的咸潮入侵過(guò)程,并制定了合理的水庫(kù)調(diào)度運(yùn)行規(guī)則,據(jù)此以水庫(kù)建設(shè)和運(yùn)行成本低、水質(zhì)保持為目標(biāo),系統(tǒng)地優(yōu)化確定了水庫(kù)特征水位和配套的取、輸水泵閘規(guī)模[1-3],水閘自流取水常水位2.0～4.0m,死水位-1.5m,泵站蓄水最高水位7.0 m。實(shí)現(xiàn)了水庫(kù)水閘自流、泵站機(jī)動(dòng)的最大化節(jié)能和水質(zhì)保持的取水模式,非咸潮期水閘自流取水,庫(kù)中水量可滿(mǎn)足應(yīng)對(duì)庫(kù)外突發(fā)事件至少12 d不可取水,以及為保持水質(zhì)控制水體庫(kù)中停留天數(shù)不超過(guò)20 d的要求;咸潮來(lái)臨前可30 d用泵站蓄水至6.2 m高程,并維持運(yùn)行,并可根據(jù)咸潮7d短期預(yù)報(bào)提升至7.0 m。

圖1 水文水動(dòng)力及咸潮與河勢(shì)特性研究的技術(shù)路線

圖2 堤壩與護(hù)灘工程關(guān)鍵技術(shù)研究的技術(shù)路線

c.改進(jìn)了適應(yīng)于深水流急條件的水力充填砂堤壩結(jié)構(gòu),揭示了長(zhǎng)距離高強(qiáng)度江心筑堤的河床和沙洲沖刷特征,據(jù)此提出了“全線多點(diǎn)作業(yè),先護(hù)底后筑堤,先高灘出水,后溝槽截流,最后集中力量封堵龍口”的整體控制和施工順序[4],并明確了各工段、各工序的進(jìn)度和尺度控制要求,其中超前鋪排長(zhǎng)度由通常的1500 km以上縮短到200 m左右,大幅提高了筑堤進(jìn)度;總結(jié)提出挑流、緩流、覆蓋等保灘結(jié)構(gòu)機(jī)理,優(yōu)化改進(jìn)鉸鏈排、拋石、丁順壩和榪槎等護(hù)灘結(jié)構(gòu)[5],從工程整體上創(chuàng)新性運(yùn)用了連堤式、分離式和動(dòng)態(tài)實(shí)施式組合防沖護(hù)灘方案,有效避免大型河口復(fù)雜分流口水域大范圍短歷時(shí)圈圍引起的急劇河勢(shì)調(diào)整。

d.揭示了龍口在高速往復(fù)潮流和波浪作用條件下框籠結(jié)構(gòu)復(fù)雜的水動(dòng)力特征;發(fā)明了潮汐淤泥河槽中800m特大龍口采用面質(zhì)量為1300g/m2的超強(qiáng)土工織物砂肋軟體排上覆蓋混凝土鉸鏈排和網(wǎng)兜石3層組合護(hù)底結(jié)構(gòu),同時(shí)發(fā)明了單個(gè)體積約為1000m3大型鋼框籠拋石截流技術(shù)[6],創(chuàng)造了面積達(dá)49.8 km2大水域不分區(qū)、一個(gè)潮汐周期龍口上單向過(guò)水量達(dá)1.5億m3的特大型圈圍工程整體合龍的紀(jì)錄。

圖3 水力充填堤壩滲流控制關(guān)鍵技術(shù)研究的技術(shù)路線

圖4 特大龍口的設(shè)置及保護(hù)與截流關(guān)鍵技術(shù)研究的技術(shù)路線

e.系統(tǒng)地揭示了長(zhǎng)江口新沉積土及水力充填堤壩的滲透特性和滲透破壞機(jī)理;發(fā)明了兩層(三軸攪拌樁)一夾(高壓旋噴樁)新型防滲墻結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖5),三軸攪拌樁樁長(zhǎng)約25 m,采用直徑850 mm、間距600 mm套打,水泥摻量20％,通過(guò)改進(jìn)鉆進(jìn)工藝和切割方法,解決了拋填砂袋中三軸攪拌樁難以成形的問(wèn)題,從而攻克水力充填砂袋堤身夾有2 m厚拋石層、雙向擋水最大水頭差6.55 m的截滲難題。這些成果的成功運(yùn)用,在土工模袋堆砌體及水下拋填袋裝砂體的防滲理論及措施研究方面均有所突破。

圖5 龍口段堤身結(jié)構(gòu)與截滲墻布置(單位:m)

4 結(jié) 語(yǔ)

長(zhǎng)江河口河床演變、水動(dòng)力條件和工程地質(zhì)條件等極其復(fù)雜,氣象、水文、主要建筑材料和施工作業(yè)條件等對(duì)工程建設(shè)限制頗多,可借鑒的經(jīng)驗(yàn)和資料較少。圍繞著江心建庫(kù)的實(shí)踐需求開(kāi)展了潮汐河口水庫(kù)選址選線與保灘、潮汐水流作用下特大龍口的設(shè)置及保護(hù)與截流合龍、潮汐河口水庫(kù)水力充填堤壩滲流控制等課題研究,通過(guò)大量的數(shù)值模擬計(jì)算、定床和動(dòng)床物理模型試驗(yàn)、龍口整體物理模型、波浪水池物理模型實(shí)驗(yàn)、堤基土滲流特性試驗(yàn)、類(lèi)似工程原位滲透特性對(duì)比試驗(yàn)、截滲方案現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工程等,取得了深水筑堤、防沖保灘、特大型龍口設(shè)置和防護(hù)及截流合龍等創(chuàng)新成果,保障了水庫(kù)工程的順利施工和安全節(jié)能運(yùn)行。

[1]劉小梅,王曉鵬,關(guān)許為.青草沙避咸蓄淡水庫(kù)庫(kù)容與特征水位研究[J].水利水電技術(shù),2009,40(7):5-8.(LIU Xiaomei,WANG Xiaopeng,GUAN Xuwei.Study on storage capacity and characteristic water level for Qingcaosha Reservoir[J].WaterResourcesandHydropower Engineering,2009,40(7):5-8.(in Chinese))

[2]李茂學(xué),劉小梅,付新永.青草沙水庫(kù)取水泵閘規(guī)模論證[J].給水排水,2009,35(2):50-54.(LI Maoxue,LIU Xiaomei,FU Xinyong.Discussion on intake bump station and sluice scale of Qincaosha Reservoir[J].Water and WastewaterEngineering,2009,35(2):50-54.(in Chinese))

[3]樂(lè)勤,關(guān)許為,劉小梅.青草沙水庫(kù)取水口選址與取水方式研究[J].給水排水,2009,35(2):46-50.(LE Qin, GUAN Xuwei,LIU Xiaomei.Research on intake site selection and run mode of Qincaosha Reservoir[J].Water and Wastewater Engineering,2009,35(2):46-50.(in Chinese))

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[6]盧永金,佟宏偉,李銳.潮汐河口上超大龍口保護(hù)與截流工藝及結(jié)構(gòu)研究與實(shí)踐[J].水利水電技術(shù),2009,40 (11):88-93.(LU Yongjin,TONG Hongwei,LI Rui.Study and practice of technologies for protection and closure of extra large closure gap of tidal estuary[J].Water Resources and Hydropower Engineering,2009,40(11):88-92.(in Chinese))

Study on technical problems of reservoir and dam construction for the Qingcaosha Reservoir

//LU Yongjin1,GU Jinshan2,GU Yuliang2,LIU Xincheng1,LI Rui1(1.Shanghai Water Engineering Design and Research Institute,Shanghai 200061,China;2.Shanghai Qingcaosha Investment Construction and Development Co.Ltd.,Shanghai 201206,China)

Qingcaosha reservoir,located in the middle of tidal estuary,is a large reservoir for storing fresh water and holding back saltwater.It has hydraulic fill dams,and is characterized by the changeable tidal flat,lack of building stones, and over-water construction.Based on the numerical simulations,physical models,and field tests,a multi-factor,multiscale,and multi-level comprehensive technological route was proposed to study the variation of river regime,saltwater intrusion laws,structures and seepage characteristics of the hydraulic fill deep water dam,and the layout and closure of the oversize closure gap.The results of this study were used successfully to guide the construction and safe operations of reservoirs.

hydraulic fill dam;closure gap;dam anti-seepage;erosion and beach protection;Yangtze River estuary; reservoir for storing fresh water and holding back salt water;Qingcaosha Reservoir

10.3880/j.issn.10067647.2013.03.010

TV62

A

10067647(2013)03004505

2012-08-07 編輯:周紅梅)

盧永金(1963—),男,江蘇高郵人,教授級(jí)高級(jí)工程師,博士,主要從事水利工程設(shè)計(jì)研究。E-mail:soft777@vip.sina.com