青草沙水库建设中的技术难题研究
青草沙水库库区流态及淤积分布特征研究
引下 排 调 度 时 的平 均 水 文 条件 ；库 内起 调 水 位 按
３０ｉ 算 。 ． ｎ计
２ 库 区流 态 特 征
２ １ 流 场 特征 ．
中央沙 库 区 的流 场 ： 上游 闸 引水 时 ， 流 由青 水 草 沙 头部 区域 经 上 连 通 口和 ２号 连通 口沿 着 随塘 河 和 中 央 沙港 汊 进 入 中央 沙 库 区 ，进 入 港 汊 的水 流 在 两 个港 汊 交 叉 点 分 流 ，一 部 分 至 中央 沙 南 堤
中 图 分 类 号 ：Ｖ６ Ｔ ２ 文 献标 识码 ： Ａ 文 章 编 号 ：０ ９ ７ １ （ ０ ２ ０ — １ １０ １０—７６ ２ １）９０８— ３
０ 前 言
青 草 沙 水 库 工 程 位 于 长 江 口长 兴 岛西 北 侧 水 域 ， 侧 为 长 江 口南 港 河 段 ， 侧 为 长 江 口北 港 河 南 北 段 。图 １ 青 草沙 水 库 工 程地 理 位 置 图 ， ２为青 为 图
水运行 。
草 沙 水库 泵 闸工 程平 面布 置示 意 图 。
由于长 江 含 沙量 较 大 ， 草沙 水 库 上游 引 水 泵 青
闸的取水会将泥沙 同时引入库 内。泥沙人库会 对 青 草 沙水 库 的安 全 运 行 产 生 一 定 的影 响 ，泥 沙 淤 积将 导致 水 库 的有 效 库 容 减 少 ，降低 水 库 的保 证 率， 泥沙淤积将导致水库 的水流状态发生变化 ， 产 生 死 水 区 ；上 游 取 水 泵 站 出水 池 的泥 沙 淤 积 也 将 直 接 影 响取 水 泵 站 的安 全 运行 。因此 ， 究 青 草沙 研 水 库 库 区 的淤 积 分 布特 征 有着 重 要 的 现实 意 义 。
青草沙水库下游水闸水力特性试验分析研究
关键 词 ：青 草 沙水库 ；下游 水 闸 ；流 态 ；水跃 ；Ｆ 数 ；消能 ｒ
中图 分 类 号 ：Ｔ １ （ ５ ） Ｖ ３ ２ １ 文 献 标 识 码 ：Ｂ 文 章 编 号 ：１０ — ８０ ２ １ ） ２０ ２ —５ ０ ０ ０ ６ （ ０ １ ０ —０ ５ ０
Ｅｘ ｒｍ ｅ ａ ｎａ ｙ ｉ ｎｄ ｓ ｕ ｎ ｈｙ ａｕ ｉ ｈａ ａ ｔ ｒ ｓｉｓ ｏ ｐｅ ｉ ｎｔ ｌａ ｌ ｓｓ ａ ｔ ｄｙ ｏ ｄｒ ｌｃ ｃ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ｆｄｏｗｎ ｔｅ ｍ ｌ ｃ ｆ ｓ ｒ ａ ｓｕｉｅ ｏ
Ａｂｔａｔ Ｑｎｃｏｈ ｅｅｖｏ ｉ ａｌ ｇ ｅｅｖｉ ｃｎｔ ｃ ｄｏ ｅｍｉｄ ｆ ｄｌ ｓ ａｙ ｆｒ ｈｃ ｅｓ ｉｅｈｓａ ｗ — ｓ ｃ ： ｉ ａｓａＲ ｓｒｉ ｒｅｒｓｒｏ ｏｓｕ ｔ ｎｔ ｄ ｌ ｏ ｔ ａ ｅｔ ｒ； ｏ ｉ ｔ ｌ ｃ ａ ｏ ｒ ｇ ｒｓ ａ ｒ ｒ ｅ ｈ ｅ ａｉ ｕ ｗ ｈｈ ｕ ｔ
ｗａ ａｅ ｉｅ ｓｏ ｎ ｒ ｉ ａ ｅ ｆ ｎ ｔ ｎ ｉｈ ｌｗｅ ｐ ｒ ｔ ｎ ｈ ａ ｎ ａ ｇ ｒ ｈ ａ ｕ ｔ ａ ｔ ｒｎ ｅ ｎ ｄ ｔ ｅ ｆ ｗ ｃ ｎ ｉ ｏ ｙ ｗ ｔｒ ｄｖ ｒ ｉｎ ａ ｄ ｄ ａ ｎ ｇ ｕ ｃｉ ｓ ｗ ｔ ｏ ｒ ｏ ｅ ａｉ ｅ ｄ ａ ｄ ｌ ｒｅ ｅ ｄ ｆ ｃ ｕ ｎ ａ ｇ ，ａ ｈ ｏ ｏ ｄ ｔ ｎ ｏ ｏ ｌ ｌ ｉ ｔ ｅ ｅ ｎ ｉ ｃ ｍｐ ｉａ ｅ ｓ ｗ ｌ ｈ ｒ ｉ ｏ ｌ ｔ ｄ ａ ｅ １ ｈ ｒ ｆｒ ，ｔ ｅ ｋ ｙ ｈ ｄ ａ ｌ ｈ ｒ ｃ ｅ ｓｉｓ ｓ ｃ ｓｔ ｅ ｆ ｗ ｅ ｉ ｓ ｏ ｏｈ ｔ ｅ ｗ ｔｒ ｄｖ ｒ ｉｎ ｓ ｃ ．Ｔ ｅ ｅｏ ｅ ｈ ｅ ｙ ｒ ｕｉ ｃ ａ ａ ｔｒ ｔ ｕ ｈ ａ ｈ ｌ ｒ ｇｍｅ ｆｂ ｔ ｈ ａｅ ｉｅ ｓｏ ｃ ｉ ｃ ｏ
青草沙水库藻类防控与多水源调配示范研究成果
净水技术 2017,36(6) : 1 -5W ater P urificatio n T echnology科技动态【栏目导读】科研工作是行业发展的必要技术储备环节，也是成果转化推动产业进步的重要前序环十 节。
对科研工作的回顾与展望，有助于梳理技术发展脉络，并为后续的产学研互动提出建议。
本期| +栏目就《青草沙水库控藻技术研究与多水源调配示范》课题进行回顾剖析，为相关行业从业人员提供+ j 后续工作的思路。
||关键词青草沙藻类水厂工艺非咸潮期调度 |I ——*——*—I ——*——*——I —*——*——*—I ——*——*—I ——*——*—I ——*——*—I ——*——*—I ——*——*——I —*——*——*—申一尘，王绍祥，朱宜平，等.青草沙水库藻类防控与多水源调配示范研究成果[J ].净水技术，2017 ,6(6): 1-5.Shen Yichen, Wang Shaoxiang, Zhu Yiping, et al. Research achievements on algae control of Qingcaosha Reservoir and demonstration of multi-water sources distribution[ i ]. Water Purification Technology ，2017, 36( 6) : 1 — 5.青草沙水库藻类防控与多水源调配示范研究成果申一尘，王绍祥，朱宜平，陈立，陈蓓蓓(上海城投原水有限公司，上海200125)Research Achievements on Algae Control of Qingcaosha Reservoir and Demonstration of Multi-Water Sources DistributionShen Yichen, Wang Shaoxiang, Zhu Yiping, Chen Li, Chen Beibei(Shanghai Chengtou Raw Water Co.，Ltd.，Shanghai 200125, China)目前，青草沙水库是世界上最大的边滩水库，也是上海市最大的饮用水水源地[1]。
上海长江水源地大型水库规划建设关键技术
２ ０ １ ３年 第 １ ２期
长 江 水 源 地 水 库 堤 坝 的 滩 面 高 程 一 般 在 Ｏ ． ０ ～． １ ０ ． ５ ｍ。 青 草 沙 水 库 尾 部 大 坝 横 向穿 越 东 北 小 泓 涨 潮 沟 深 槽 ，该 处水 深 、流 急 、浪 高 ，施 工 条件差 ； 地基土 软弱， 沉 降大 ， 对大坝稳定不利 ； 水 上 修 筑 大 坝 ，坝 线 长 ，没 有 陆 上 推 进 筑 坝 的 条
源地 位置见 图 １ 。 陈 行 水 源 地 是 上 海 最 早 开 发 的长 江 水 源 地 ， 供 水 区 域 为 上 海 宝 山 区 。水 库 位 于 上 海 市 宝 山 区
罗 径 镇 的 长 江 边 滩 ，于 １ ９ ９ ２年 建 成 投 产 ，设 计
源 地 。长 江 口淡 水 资 源 丰 沛 ， 占上 海 过 境 水 资 源
件。
２ ． ４ 特 大 规 模 龙 口保 护 与 截 流 龙 口保 护 与 截 流 是 水 库 建 设 的 最 大 关 注 点
长 兴 岛用 水 。
沿江地 区 。在 枯水期 ，由于长 江上游来 水减少 ，
在 潮 汐 动 力 的作 用 下 ，河 口 的咸 潮 上溯 ，使 得 长
作者 简介：陆忠 民 （ １ ９ ６ ５年 一 ） ，男，教授级高级工程师 。
・１ ・
规 划 战略
水 利规 划与 设计 ２ ． ３ 深 水 水 力 充填 筑 坝
规划战略
水利规划与设计
Hale Waihona Puke ２ ０ １ ３ 年第 １ ２ 期
上 海 长 江 水 源 地 大 型 水 库 规 划 建 设 关 键 技 术
陆 忠 民 吴彩 娥
（ 上海勘测设计研 究院 上 海 ２ ０ ０ ４ ３ ４ ）
青草沙水库关键建筑物的施工布设分析
收稿日期：2020－08－12作者简介：李力军（1981—），男，河北大城人，工程师，硕士，主要从事工程项目管理及水利工程建设工作E-mail ：45276340@qq．com【工程建设管理】青草沙水库关键建筑物的施工布设分析李力军（中国安能集团第二工程有限公司上海分公司，上海200333）摘要：开展了水库围堤、上游取水泵闸、下游水闸、输水泵闸的布设研究，分析了施工因素，构建各级方案的选址原则，通过对实际方案的造价、所涉及的区域等多目标指标以及二维、三维数值模型等的研究，建立各水工建筑物的布设方案。
通过各布设方案的比对，进行流场数模计算分析和技术经济综合比较，最终确选的布设方案在库外长江口、各建筑物自身以及库内水体运动均是合理的，能满足各方面的要求，综合效益优。
关键词：建筑物；布设；施工；青草沙水库中图分类号：TV511文献标志码：Bdoi ：10．3969/j．issn．1000－1379．2020．S2．0831概述青草沙水库为蓄淡避咸水库，是上海市特别重要的供水水源工程，水库设计总库容5．27亿m 3，根据《水利水电枢纽工程等级划分及洪水标准》（SL 252—2000）第2．1．1条和《防洪标准》（GB 50201—94）中第6．1．1条，按照水库库容来划分，总库容为5．27亿m 3的水库工程规模应属大（2）型，工程等别应为Ⅱ等；按照供水对象重要性来划分，青草沙水库是上海市“特别重要”的供水工程，工程等别为I 等。
同时，根据《水利水电枢纽工程等级划分及洪水标准》（SL 252—2000）中2．1．2条规定，当按第2．1．1条中各分等指标所确定的工程等别不同时，工程等别应按其中最高等别确定，因此确定青草沙水库工程等别为I 等。
根据《水利水电枢纽工程等级划分及洪水标准》（SL 252—2000）中第2．2．1条和《防洪标准》（GB 50201—94）中第6．1．2条规定，水利水电工程的水工建筑物级别，应根据其所属工程的等别、作用和重要性确定。
青草沙水库围堤地基液化危害分析与治理研究
青草沙水库围堤地基液化危害分析与治理研究周元，刘荣毅，夏朝娟，张鹤川（中船勘察设计研究院有限公司，上海 200063）摘 要：青草沙水库是我国目前最大的江心水库，是上海以长江为原水的水质最好规模最大的饮用水与城市供水水源地，为上海“十一五”重点工程。
青草沙地区浅部存在液化砂性土层，需要对围堤地基的液化危害土层进行治理，以确保工程的施工与运行安全。
本文根据液化判别结果，对液化等级进行了分区，并对液化土层进行统计分析，针对各堤段的特点、位置、液化等级和液化土层分布，对各种常用的液化危害治理方法进行综合比较研究，推荐了最经济最适宜的液化危害治理方法，对青草沙水库工程设计和安全运行起到了积极作用。
事实证明，这些治理方法不仅经济效果好，而且围堤的地基液化危害和渗漏问题也得到了很好的改善，可为同类项目提供重要借鉴。
关键词：青草沙水库；围堤地基；砂土液化；危害分析；治理对策中图分类号：P642.27；TU475 文献标志码：A 文章编号：2095-1329(2021)04-0096-05青草沙水库工程位于长江口北港，包括长兴岛北侧和西侧的中央沙、青草沙以及北小泓、东北小泓等水域范围，是上海以长江为原水的重要的城市供水水源地，也是上海境内水质最好、最稳定的饮用水源地。
其供水规模占全上海原水供应总规模的50%以上。
是上海市“十一五规划”的重要项目，与黄浦江上游水源地、长江口边滩水源地形成“两江并举，三足鼎立”的水源地供水格局。
青草沙水库是我国目前最大的江心水库。
青草沙水库环库大堤由东堤、西堤、南堤、北堤及海塘大堤组成。
环库大堤堤基普遍存在砂质粉土和粉砂地层，这两层渗透性大，又是液化危害土层，抗渗透变形能力弱，是围堤地基的薄弱环节，应采取相应的治理措施[1]。
根据《堤防工程设计规范》（GB 50286-2013）中第1.0.7规定，位于地震烈度7度及其以上地区的1级堤防工程，应进行抗震液化危害治理[2]。
为此，笔者及其所在单位根据现场勘探及液化判别结果，对液化等级进行了分区，对液化土层进行统计分析，针对各堤段的特点、位置、液化等级和液化土层分布，对各种常用的液化危害治理方法进行综合比较研究，推荐了最经济、合适的液化危害治理方法，对青草沙水库工程设计和安全运行起到了积极作用。
青草沙水库调度运行中的控沙措施研究
模 大 、受 益 人 口多 ，其 供 水 规 模 占全 市 原 水 供 应
总规模 的 ５ ０ ％以上 ， 与 现 有 上海 长 江 陈 行 水源 地
由泥 沙 冲 淤 分 布 情 况 分 析 ， 在 现 有 地 形 及 实
况 调度 下 ，库 区 泥 沙 主 要 以淤 积 为 主 ，淤 积 范 围
和 黄 浦 江 上 游 水 源 地 形 成 以青 草 沙 水 源 地 为 主 导水源 的 “ 两 江 并 举 、三 足 鼎 立 ”的 原 水 供 应 格 局 。其 供 水 水 源 来 源 于长 江 下游 优 质 水 源 ，在 水
库 引水 的 同 时 ，水 中悬 沙将 进 入 水 库 。
主 要 集 中 在 上 游 闸 闸 口至 青 草 沙 这 段 区域 的 水 流 通 道 内 ，即 水 库 头 部 ，淤 积 长 度 从 上 游 水 闸往 东横 向约 ５ ｋ ｍ，往 东 南 约 ８ ｋ ｍ，泥 沙 往 东 南 通 道 的 通 量 明 显 大 于 往 东 的 通 道 。 淤 积 总 面 积 约 ４ ． ８ ｋ ｍ ，淤 积 范 围较 大 。
０． ３～ ０． ５ ｍ。
上 游 水 闸 由于 闸 门关 闭后 ， 水 流 一 段 时 间 内 在 这 一 区 域 有 往 复 振 荡 流 及 涡 流 的存 在 ， 使 得 悬 沙 浓 度 在 这 一 区域 较 高 ， 所 以加 剧 了泥 沙 在 这 一
区域 的淤 积 。但 近 闸 口处 ，由于 开 闸 引水 后 水 流
１ 引言
上 海 青 草 沙 水 库 作 为上 海 重 要 的 水源 地 ， 规
对 库 区在 实 况 调 度 下 的泥 沙 冲 淤 进 行 了模 拟 计 算， 并将 地 形 的变 化 计 入 下 一 时 刻 计 算 时 的地 形
浅析青草沙水库工程风险因素及对策
长， 施工工艺 、 技术及设备要求 高 。另外 ， 咸潮 入 侵规律也 尚未完全掌握 ，水库蓄淡避咸的运行调 度难度较大 ， 因此 ， 有必要对工 程建设 、 运行 可能
产生的主要风险进行全面分析 ， 出防范 、 提 减轻 风 险 的必要措施 。 本文针对工程建设 、 运行过程 中可 定 。河势与滩势变化是持续的过程 ， 因此 ， 工程建 能产生的建设投资 、供水安全等方面的主要风 险 设 必须注重 动态管理 ， 如建立现场观测 系统 ， 配备 因素进行 了分析 ， 并提出应对措施 ， 对工程建设具 先进 的测试 手段 ，及时掌握水 库堤线附近河床 冲 淤及水 、 沙运动 变化情况 ， 利用 河演分析 、 学和 数 有 一定 的 指导 作 用 。 物理 模 型研 究 动 态 跟 踪 预 测 ， 时地 采 取 诸 如 “ 适 超 ２ 施 工期风 险及 对 策 前 护底” 等工程措施和必要 的设计变更 ， 调整施工 施工期风险主要表现为工程规模 、 施工 安全、 施工难度 、 建设 工期 和投资等风险。 工程施工安全 必须通过精心组织施 工和加强 防寒 、防台渡汛及 施工安全措施规避此类风 险。现主要分析滩势变 化 、风暴潮及施工过 程地形改变等 因子对工程的 影响 。 ２ １ 滩 势变 化 ． 青草 沙水库位 于长江 口南北港分 流 口下 方 ，
理， 长期从 事工程 建设 、 工管理工 作 。 施
有可能遭遇风暴潮 。尽管在工程设计 中考虑 了施 工 过程 中的防台度汛措施 ，但一旦 出现超设计标 准的极端情况 ，仍会发生对 已施工但未完成 的围
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２０ 年 ４ ０７ 月第 ４ 期
城 市道桥 与防洪
１ 研究 背景
青草沙水库工程作为上海 市重要水 源地基础 设施项 目， 承担着 向上海市提供 ７９万 ｍ／ １ ３ ｄ的供 水任 务 ，其供水 规模 占全市原 水供 应 总规模 的 ５ ％以上。 ０ 水库前期工程已经启动 ， 整个工程预计 将于 ２１ ０ ０年初步建成 ，受益人 口超过 １ ０ ０万 。 ０ 该工程地处长江 口南北港分 流 口下游 ，长兴 岛西 侧 和北 侧 的 中央 沙 、 草沙 以及 北 小 泓 、 北 小 泓 青 东 等水域 范 围。水库 总 面积 ６ ． ｍ ，有效库 容 ６２ ｋ ６ ４３ ． ５亿 ｍ ， 围堤总长 ４ ． ６ｋ ８７ ｍ。 ８ 由于该工程所处地 理位 置特殊 ， 河道较宽 ， 暗 沙较 多 ， 、 、 、 风 洪 潮 沙等 自然因素多变 ， 动力 因素 机理复杂 ， 响面广 ， 影 且水 库工程量大 ， 工周期 施
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青草沙水库建设中的技术难题研究卢永金;顾金山;顾玉亮;刘新成;李锐【摘要】青草沙水库是建设在潮汐河口江心的大型蓄淡避咸水库,以水力充填法构筑堤坝,具有地形冲淤多变、缺少石料和水上施工等特点.运用数值模拟、物理模型试验和现场试验等手段,提出多因素、多尺度、多层次的系统综合技术路线,研究了青草沙水库的河势滩势变化、成潮入侵规律、水力充填深水堤坝的结构及渗流特性、特大龙口布置与截流工艺等关键技术难题,有关解决方案在水库建设与安全运行管理中得到应用.%Qingeaosha 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 intrusionlaws,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.【期刊名称】《水利水电科技进展》【年(卷),期】2013(033)003【总页数】5页(P45-49)【关键词】水力充填堤坝;龙口;堤坝防渗;防冲保滩;长江口;蓄淡避咸水库;青草沙水库【作者】卢永金;顾金山;顾玉亮;刘新成;李锐【作者单位】上海市水利工程设计研究院,上海200061;上海青草沙投资建设发展有限公司,上海201206;上海青草沙投资建设发展有限公司,上海201206;上海市水利工程设计研究院,上海200061;上海市水利工程设计研究院,上海200061【正文语种】中文【中图分类】TV62长江口河段长约180km,呈三级分汊、四口入海的扇形分汊河势格局,共有北支、北港、北槽和南槽4个入海通道。
青草沙水库位于长江口南支下段南、北港分流口水域,由长兴岛西侧和北侧的中央沙、青草沙以及北小泓、东北小泓等水域组成。
青草沙水库总面积66.15 km2,设计总库容5.24亿m3,有效库容4.35亿m3,供水规模719万m3/d。
水库由中央沙库区和青草沙库区组成,环库大堤包括南堤、西堤、北堤、东堤及长兴岛海塘,总长48.5 km,其中青草沙库区新建北堤、东堤22 km,加高加固老堤26.5 km。
水库设有两个取、排水口,分别位于北堤上、下端。
上端取水口含有设计流量为200 m3/s的泵站和净宽为70m的水闸;下端设净宽为20 m的水闸。
输水系统进水口采用输水闸井形式,输水闸净宽24m。
本工程是国内外迄今为止建在潮汐河口江心最大的蓄淡避咸水库,在建设条件、堤坝结构、施工和运行管理等方面有其自身的特点和技术难点,主要表现在以下几个方面:a.水文与河势特征。
青草沙水库地处长江口江心,南、北港分流口暗沙众多,河床泥沙可动性较强,受径流、潮流以及风浪作用,流态复杂,互动因素较多,水动力条件、咸潮入侵规律和河势演变等十分复杂。
因此,需在广泛调研和收集资料的基础上,采用多种手段分析预测河势滩势变化和咸潮入侵规律,结合长江口综合整治、水库蓄淡避咸功能及建设运行管理等方面的需求,制定出科学合理的选线选址、水库水位、取水调度、工程规模和防冲护滩方案。
b.施工顺序与防冲保滩。
新建堤总长达22km,建在河口江心涨潮沟外侧的沙脊上,并穿越多道深槽泓沟。
由于涨潮沟是特有水动力作用下的一种不稳定平衡状态,潮流场、波浪或泥沙条件的改变,极易引起带状沙脊冲刷,而且一旦冲刷启动,冲刷的速度往往很快,一两个潮汐周期可能引起大片沙脊消失。
施工筑堤的阻水扰流也极易引起沙洲冲刷和河势调整。
因此,需研究合理的施工顺序,选择合适的大堤施工作业面和进占速度控制要求,以及适宜的防冲保滩结构,维护沙洲或沙脊稳定,避免施工过程中和完工后围堤沿线滩地冲刷和河势急变。
c.深水筑堤结构与工艺。
新建东堤滩面高程约为-10.5～-5.0 m,横穿涨潮沟深槽,全长约3.0 km,属于深水筑堤。
工程所在区域水深、浪大、流急、地基软弱、施工作业面窄,而且缺乏石料,没有陆上推进筑堤的条件。
为此,需针对建设条件探索研究合适的堤身结构形式和建造工艺。
d.渗流特性与防渗。
新建大堤22 km,需承受水库内外7.0～8.0 m的双向水头作用。
新堤采用水力充填管袋斜坡堤结构,堤身两侧及水下部分主要由土工织物管袋充填砂土堆叠而成,堤身中上部由砂性土散吹形成,其渗透规律不同于一般土坝。
因赶潮施工,质量控制较难,加上地基土多为砂性土或者粉性土,极易发生渗透破坏。
在潮汐河口以水力充填法建设水库堤坝的类似工程经验不多,其渗透特性、渗流计算、渗透稳定控制标准以及可大规模施工的可靠渗控措施,都是需要攻关研究的课题。
e.龙口设置与截流工艺。
青草沙水库在截流期设计纳潮量约3.0亿m3/d,设计截流流速高达9 m/s左右。
与大江大河径流式水库合龙相区别,本工程龙口受潮汐半日潮往复流作用,合龙时机有周期性,适宜的连续作业天数6～8 d,且宜在岁末年初小潮汛期施工;工程区缺乏石料和陆上抛石作业条件;软土地基易冲难护,且一旦发生冲刷极难控制。
因此,龙口的选址、规模、护底结构及截流方式是本工程设计核心内容之一,是整个水库工程建设的最大关注点。
针对上述5类技术难点和需求,开展了长江口青草沙水域水文水动力及咸潮与河势特性、潮汐河口水库堤坝与护滩工程、潮汐河口水库水力充填堤坝渗流控制、潮汐水流作用下特大龙口的设置及保护与截流等关键技术专题研究(表1)。
各专题的研究内容涉及的因素复杂,并且常具有不确定性。
为此,整个研究有针对性地采用了现场测验、历史资料对比与统计、多尺度多重嵌套和多维水流数值模拟、多尺度正态或变态水动力物理模型试验、土固耦合三维有限元模拟、现场试验工程等多种手段和方法,理论分析与数值模拟、物模试验相结合,或层层深入,或相互验证,系统研究,综合分析。
各专题研究内容、方法及其技术路线分别见图1～4。
在河势分析、龙口高速水流、河势演变机理、龙口护底、大堤防渗等方面的研究取得了突破,主要体现在以下几个方面:a.揭示了长江口工程区复杂的“水沙盐”特征规律和建库的基本条件,即该区域水质优良,大多时间达Ⅱ类水质,除冬春季有间隙性咸潮入侵外,常年淡水资源丰富,按97％的水量保证率、以1978年冬至1979年春为典型年进行计算,水库取水口水域水体含氯度高于250mg/L,不可取水的最大连续天数为68 d;工程区沙洲移动、河势演变和河床冲刷游荡规律复杂,但总体上南、北港分流口头部以20余年为周期,“上提下退”来回演变,演变范围20 km左右,抓住河势格局相对平顺稳定的时机,及时在南、北港分流口水域沙洲外围沙脊上顺势布置堤线,可以建设大型水库并有利于稳定河势和促进长江口的综合整治。
b.揭示了典型的咸潮入侵过程,并制定了合理的水库调度运行规则,据此以水库建设和运行成本低、水质保持为目标,系统地优化确定了水库特征水位和配套的取、输水泵闸规模[1-3],水闸自流取水常水位2.0～4.0m,死水位-1.5m,泵站蓄水最高水位7.0 m。
实现了水库水闸自流、泵站机动的最大化节能和水质保持的取水模式,非咸潮期水闸自流取水,库中水量可满足应对库外突发事件至少12 d不可取水,以及为保持水质控制水体库中停留天数不超过20 d的要求;咸潮来临前可30 d用泵站蓄水至6.2 m高程,并维持运行,并可根据咸潮7d短期预报提升至7.0 m。
c.改进了适应于深水流急条件的水力充填砂堤坝结构,揭示了长距离高强度江心筑堤的河床和沙洲冲刷特征,据此提出了“全线多点作业,先护底后筑堤,先高滩出水,后沟槽截流,最后集中力量封堵龙口”的整体控制和施工顺序[4],并明确了各工段、各工序的进度和尺度控制要求,其中超前铺排长度由通常的1500 km以上缩短到200 m左右,大幅提高了筑堤进度;总结提出挑流、缓流、覆盖等保滩结构机理,优化改进铰链排、抛石、丁顺坝和杩槎等护滩结构[5],从工程整体上创新性运用了连堤式、分离式和动态实施式组合防冲护滩方案,有效避免大型河口复杂分流口水域大范围短历时圈围引起的急剧河势调整。
d.揭示了龙口在高速往复潮流和波浪作用条件下框笼结构复杂的水动力特征;发明了潮汐淤泥河槽中800m特大龙口采用面质量为1300g/m2的超强土工织物砂肋软体排上覆盖混凝土铰链排和网兜石3层组合护底结构,同时发明了单个体积约为1000m3大型钢框笼抛石截流技术[6],创造了面积达49.8 km2大水域不分区、一个潮汐周期龙口上单向过水量达1.5亿m3的特大型圈围工程整体合龙的纪录。
e.系统地揭示了长江口新沉积土及水力充填堤坝的渗透特性和渗透破坏机理;发明了两层(三轴搅拌桩)一夹(高压旋喷桩)新型防渗墙结构(见图5),三轴搅拌桩桩长约25 m,采用直径850 mm、间距600 mm套打,水泥掺量20％,通过改进钻进工艺和切割方法,解决了抛填砂袋中三轴搅拌桩难以成形的问题,从而攻克水力充填砂袋堤身夹有2 m厚抛石层、双向挡水最大水头差6.55 m的截渗难题。
这些成果的成功运用,在土工模袋堆砌体及水下抛填袋装砂体的防渗理论及措施研究方面均有所突破。
长江河口河床演变、水动力条件和工程地质条件等极其复杂,气象、水文、主要建筑材料和施工作业条件等对工程建设限制颇多,可借鉴的经验和资料较少。
围绕着江心建库的实践需求开展了潮汐河口水库选址选线与保滩、潮汐水流作用下特大龙口的设置及保护与截流合龙、潮汐河口水库水力充填堤坝渗流控制等课题研究,通过大量的数值模拟计算、定床和动床物理模型试验、龙口整体物理模型、波浪水池物理模型实验、堤基土渗流特性试验、类似工程原位渗透特性对比试验、截渗方案现场试验工程等,取得了深水筑堤、防冲保滩、特大型龙口设置和防护及截流合龙等创新成果,保障了水库工程的顺利施工和安全节能运行。