CN112267419A - 一种沿海自动清淤截流排污输水港口 - Google Patents

Abstract

沿海岸线建设输水通路，具有建设成本低，输送距离远，征地协调容易等特点，但最为困难的是沿线港口的穿越，本发明提出一种多层多孔截流排污输水港口综合结构，其最下层为淡水输水层，可借助箱涵、隧道等方式穿越港口航道，涵顶或隧道顶位于航道水位深度线以下，配置输水闸门，用于长距离输水通道的分段截污，调蓄分段水位，自动清淤等；中层为航道层，配置泄洪防潮闸，为通航层；堤顶为桥梁层，满足车行交通需求，平面上，如果港口有防洪、潮闸，或者有船闸，其靠近河道侧布置，与输水隧涵适度分离。这样，整个港口节约化分离布置，并同时兼备输水、车行交通、航运、防洪、防潮、运维、截流、排污、调蓄等综合功能。

Description

一种沿海自动清淤截流排污输水港口

技术领域

本发明属于输水工程建设领域，是一种沿海自动清淤截流排污输水港口结构物。

背景技术

地球淡水资源极其有限，在全部水资源中，97.5％是咸水，2.5％的淡水中，有87％是冰盖、高山冰川和永冻地带的冰雪，人类难以利用，人类真正能够利用的是江河湖泊以及地下水中的一部分，仅占地球总水量的0.26％，而且分布不均。约占世界人口总数40％的80个国家和地区却严重缺水，35亿人面临缺水困境。比如非洲东部的埃塞俄比亚，平均海拔高度3000m，一汪水坑或浑浊小溪，也是居民极为珍贵的水源，但饮用后引发很多疾病，全世界每年有300~400万人死于水有关疾病。

我国属全球人均水资源最为贫乏的国家之一，世界排名110位，仅为世界人均水平的1/4。全国600多座城市中，有400多座城市供水不足，严重缺水城市达110个。其次，我国水资源分布极不均衡，南方多北方少。中国社科院关于我国北方缺水形势的估计中，到2050年，北方每年缺水总量达2028亿方至3000亿方。

因此，调水，特别是跨流域远距离调水，便成了各国解决水资源紧缺问题的不二选择。传统调水方法中，多数是在水源地与受水区之间直接通过隧道、明渠、渡槽等，进行输送，一方面需要淹没大量土地构建蓄水库，同时，受地形地貌、工程地质条件、移民等影响，建设难度极大。为此，我们创造性提出构建沿海岸线输水方法，其主要自大流量、水质条件好河口区域，如我国的长江口取水，沿海岸线构建一条输水通路，主要是在现状防潮堤外侧一定距离内重新建设一条防潮堤，新老防潮堤便构成长距离输水通道，实现跨流域调水，这样，可在节约大量土地资源的同时，实现巨量淡水资源的长距离输送。

河口地区实现长距离淡水输送需要满足如下几方面的条件：

(1)淡水资源充分、稳定。以我国山东东营市黄河入海口为例，其流域本身淡水资源贫乏，区域干旱缺水严重，水资源短缺是黄河、海河、滦河及辽河等流域经济发展的主要制约因素，这样的区域建设蓄水工程规模小、标准低，井灌区本身地下淡水严重缺乏，仅适合小区域水库建设，不适合建设大规模跨流域调水工程。

(2)水质条件好。一些河流本身是缺水流域，有时水质存在问题，如我国的淮河流 域，本身缺水严重，同时受上游地区的工业点源污染以及农业的面源污染，部分河道区域的 水质在

类、

类甚至

类乃至劣

类之间，这样的条件不太适合作为水源地或输水通路 进行调水。

(3)沿途的工程地质与水文地质条件有较好的适应性。输水沿线的气象条件如气候、潮汐、波浪、风力、温度等，地质条件如滩势变化、工程地质、地震、地形地貌以及水环境等特征参数对于沿海岸线建设输水通道将产生重大影响。

(4)对沿线的港口、码头等的运营不得产生影响。沿海输水线路可能存在许多港口、码头，对于码头处理相对方便一些，直接将桥梁加高后可以满足要求，但港口往往承担交通、航运、防洪、防潮等功能，直接关系到经济运行与人民生命财产的安全，对其不得有影响。以江苏沿海开发战略中港口建设为例，拟将其重点打造为上海国际航运中心北翼的重要组成部分。其中，连云港港是江苏沿海港口开发的龙头，正加快构筑枢纽港、干线港、组合港；盐城市组建了盐城港（大丰港区），以港口建设带动产业发展，寻求港城建设突破口；南通沿海以洋口港为主，将打造上海国际航运中心北翼的组合强港、区域性物流中心。江苏沿海发展规划设了8个节点性深水海港，即连云港港和徐圩港，盐城大丰港、滨海港、射阳港以及灌河口港区、南通洋口港和吕四港等。整个沿海输水通路不得影响上述港口的运营与安全。

如上所述，要构建沿海输水通路，除了水源、地质条件须满足相应要求外，最为困难的，是如何穿越现有的港口，并将输水通路的部分截流、排污、调蓄等功能与港口的车行、航运、防潮、防洪结合建设，构建立体化多功能输水港口，并能对输水隧涵实现自动清淤，将是输水通路建设的难点，也是本发明拟解决的核心问题。

发明内容

本发明提出一种多层带闸门结构的多孔输水港口综合结构，其发明的主要内容包括如下三个主要方面：(1) 创新地提出了输水港口立体综合结构，借助上下与平面空间功能划分，车行交通走顶层，防洪与防潮与航运沿中间层布置，底层进行输水，创新构建出立体多功能输水港口；(2)创新构建自动清淤输水港口。河口水源中，含有一定量的泥沙，其在输送过程中，遇有港口时，由于输水层位于港口的最底层，进一步的沉淀淤积，进而影响输水功能，为此，我们在港口航道的两侧，输水通道的创新设计成多孔隧涵底部设置深井结构，并配有闸门，通过不同闸门的启闭组合，调节隧涵内的水流速度，实现自动清淤；(3)创新构建污水排放输水港口。输水通路运营过程中，即便按照百年一遇不允许越浪的一级防潮标准进行设计，但仍有可能风暴潮期间，有海水越浪造成淡水资源污染而影响水质，为此，我们创新构建了污水排放口，以便将污染水源控制在有限范围内，以便在无害化处理后及时予以排放。(4)实现新旧堤坝之间的横向交通联系。为便于居民出海、堤防安全巡查、维护等，输水通路的两侧堤岸每隔一定距离需设置联系桥，结合综合输水港口侧墙立柱结构，在其顶部设置横向桥，这样，整个港口具有纵横向通行能力。

上述各结构节约化布置，并配置相应的设备，整个系统将同时具备输水、分段运维、车行交通、调蓄、截淤、排污、航运、防洪、防潮、自动清淤等综合功能，并实现本发明的目标。

本发明的有益效果：

（1）不影响港口功能条件下实现大流量输水

输水通道与沿海港口结构叠加，顶层为车行交通层，中间航道层配置泄洪防潮闸(若需要)，高潮时落闸挡潮，低潮时开闸放水，上部原港口结构的防洪、防潮、航运、集运等功能均不受影响。输水通道位于底层，只要下部结构的高度、宽度合适，大量淡水资源便可通过多功能港口的底层空间进行输运。

（2）可实现长距离输水通道的分段运维

因横向港口的间隔有一定距离，以江苏沿海港口为例，一般在数十公里左右，这样的长度范围内，将整个输水通道设置为一个运营分段较为合适，每个运维分段须综合设置截淤、净污、调蓄等泵闸设施，将其与港口结合布置。这样，当输水干渠遭受重大水质污染，或出口断面的污染物浓度、沉淀物厚度超过类标准上限值，通过采取泵闸联动调控措施，如同步关闭多功能输水港口的分水口、闸门等，将突发污染范围控制在事故区段，减小污染影响范围，既有利于开展污染处置措施、又能极大程度地降低由事故范围增大而造成的经济损失和不利的社会影响，从而实现分段运维。进一步地，可调蓄输水通道内域内的水位，在汛期泄水，旱期蓄水，更好地保证通道的输水功能。

（3）输水设施与港口设施平面错位布置，工程造价及运营成本均较低

输水通道结构与沿线港口结构集成布置，原港口的堤防、闸门等沿近内侧河道布置，外海侧内港口航道下方布置输水隧涵及清淤、泵闸设施等，这样，新建输水设施极大减少了对现有港口堤防设施的影响，同时，便于分区集中管控，其整个生命周期中，建设与运营的成本均较低。

（4）便于灾害条件下的结构维修

当新建和原有的堤防因地震、战争等因素导致堤坝局部破坏时，可及时关闭输水闸门进行加固维修，尽快完成输水通道的修复运营。

（5）可实现隧涵结构的自动清淤

借助多孔隧涵结构闸门启闭组合，进一步调节其内的水流速度，创新实现其内的自动清淤功能。

（6）密切新旧堤防的岸线之间的交通功能

多功能输水港口的顶层设置有纵横向桥梁，可密切新旧堤防两岸之间的联系，满足港口的集疏运功能。

附图说明

图1是输水港口设计剖面图；

图2是输水港口设计平面图。

截污调蓄多功能输水港口的设计剖面图见图1，输水港口设计平面图见图2。结构采用现浇普通钢筋混凝土结构型式，图中1为输水箱涵闸门，2为输水井，3为港口集疏运通道，4为航运通道防洪闸门，5为航运通道，6为输水箱涵，7为持力桩基础，8为输水主通道，9为航运通道侧墙， 10为导流箱涵，11为汇入支流，12为改扩建河堤（北侧输水通道堤坝），13为新海防堤坝（南侧输水通道堤坝），14为输水井闸门，15为内河航运通道。

具体实施方式

可以通过如下几个核心步骤，实现本发明所述方法：

(1) 确定多功能输水港口的建设标准，须满足输水、防洪、防潮及其它港口建设标准。港口的河床底标高、宽度等须适应今后百年区域社会发展要求；输水规模与流量、水位控制等须在考虑全线地形地貌、水头损失、受水区社会发展、工程造价等综合确定；输水港口的结构顶标高控制，要按照1级堤防、不允许越浪标准进行设计，并进行抗震设防。

(2)泵闸设置。对于原港口的泵闸设置，我们输水通路拟全部保留其各项功能或有所提升，但在输水隧涵的两端，创新配置双向闸门，其中沿输水隧涵的横断面方向的闸门主要起到节流、清淤作用，而沿输水通路纵断面方向，近外海侧，布置的闸门主要起到排污的作用。正常运营状态下，沿隧涵横断面方向的闸门处于打开状态，进行输水，而沿输水通路纵断面方向近外海侧的闸门处于关闭状态，仅在紧急排污状态下才允许打开，并与截流闸配合使用，将污染物限定在一定范围内，经无害化处理后，排放至外海。

(3)隧涵输水断面控制。我们具体实施过程中，可创新构建港口下无淤积输水隧涵。箱涵或隧道内发生淤积，清理较为困难，我们可适当减少港口穿越段的隧涵断面，加快该部分的水流速度，从而实现该部分无淤积，或较少淤积。

(4) 穿越方式选择。对于小型入海河道，若在海堤附近的规划航道埋深较浅，比如在5~6m之间，可以采用箱涵方式，并将其布置在输水港口外海侧航道下方；若港口航道埋深较大，部分甚至超过10m，采用箱涵方式所需要的顶底板均非常巨大，为此，可选用圆形断面的隧道穿越方式。

(5) 围堰施工。针对不同的地层条件，选择合适的围堰方式，以便进行箱涵或隧道工作井的施工。比如浅埋深软土地层条件下，堰体可采用吹填方式按所选结构形式吹填至设计标高，并进行防渗及护坡施工，形成箱涵或隧道工作井的围护施工作业面。若采用箱涵方式穿越航道，可借助分幅方式，以便在不影响通航和防汛防潮安全前提下，先后两次围堰施工，完成对航道的穿越。若采用盾构隧道穿越，在航道的两侧一定距离内直接围堰，形成盾构工作井的作业断面。

（6）多功能输水港口结构制作。结构工程主要包括输水隧涵工程、航道结构工程、道路工程等，顺序完成基坑围护、地基加固、桩基、降水、开挖、钢筋混凝土结构等，若采用隧道穿越，输水工作井结构完成后，进行隧道的推进施工。

（7）港口航道恢复。永久多功能输水港口建成后，拆除所有临时结构，开启闸门恢复河口正常航运交通。

(8) 设施设备的安装与调试。在输水工作井及隧涵内安装泵闸、配电、控制系统以及水位与流量监测等设备设施，并进行联调联试。

(9) 自动清淤。通过输水隧涵闸门的不同启闭组合，调节其内的水流速度，当速度超过下切速度时，淤积物会被水流冲刷带走，从而实现自动清淤的目的。

上述在合理确定多功能输水港口相关设计参数的基础上，结合输水通道的建设，建设多功能输水港口，确保输水、航运、港口集疏运、自动清淤等多目标的同步实现，多功能输水港口的系统设计及其修建方法构成了本发明。

以一具体实例来说明本发明。

下面以创新构建我国沿海输水通路须穿越沿线港口为例进一步说明本发明。中国北方大范围严重缺水，为建设沿海大流量输水通路，我们拟沿南黄海西岸、渤海西南岸建设沪津沿海输水通道，将长江口巨量Ⅱ类以上的珍贵淡水资源输网北方缺水地区。工程沿线须穿越江苏、山东、河北及天津等地区海岸港口，如何在保证其正常运营条件下，实现港口与输水通路的节约化布置，且使得港口具有对输水通路也同时具有输水、截流、排污、分段运维等功能是我们重点创新解决的问题。

(1)沿线工程地质。江苏海岸线主要为粉砂淤泥质平原类，仅连云港地区有30多km为岩石质海岸，其北部到山东日照地区沙质海岸；渤海湾、黄河三角洲及莱州湾西部均为淤泥质平原海岸。在地质分布上，南黄海第四纪地层厚度在100~300m之间，渤海西南岸的新生代地层厚度3000~4000m，第四纪冲积层沉积物厚达 300~500m，全新世地层厚20~30m。

(2)江苏省海岸线港口分布。根据出海河口地理位置的分布，江苏沿海北向南通海航道可能的出海口有灌河、淮河入海水道（苏北灌溉总渠）、射阳河、黄沙港与王港河等较大河流河口。下面以射阳河港口为例，进一步说明本发明多功能输水港口的实现方法。射阳港位于苏北地区中部，地处废黄河南侧，处于废黄河三角洲平原和滨海平原的交叠地带，属于古黄河三角洲范围。射阳河河宽水深，射阳河起止收成～射阳河闸，里程156.62km，航道等级二~七级，水深 2.3~10m, 航宽25.5~247.5m，河口适合3000～5000吨级通海航道。

(3)射阳港穿越方式选择。鉴于射阳港水深较大，达到10m左右，为此拟采用盾构穿越的方式。按照年输水500~1000亿m³的要求，须建设直径为15m的盾构隧道4~5条，隧道的间距与覆土厚度均不宜小于10m。

(4)围堰布置。在射阳港外海侧航道的两侧，分别进行盾构隧道工作井围堰，两围堰的大小均在120mX20m左右，以便进行工作井的围护与结构施工。

(5)输水隧道建设。考虑该区域为软土地层条件，可借助1200mm厚度的地下连续墙，构建盾构穿越工作井围护结构，工作井的深度大约在38m左右，顺序完成围护、地基加固、桩基、降水、支撑、开挖与结构回筑。在此基础上，进行盾构隧道的航道穿越，完成港口航道结构工程。

(6)道路桥梁工程。为便于新老堤坝的安全巡查，以及输水沿线居民的出海需求，输水通道每隔一段距离须设置一横向联系的桥梁，在港口段，借助隧涵结构，在其顶部同步建设一横向桥梁结构，并与现状港口闸桥一起构成区域交通系统。

(7)输水港口闸门安装。在盾构穿越的始发与接收工作井位置，分别安装截流闸和排污闸。输水运营阶段，截流闸处于常开状态，而排污闸处于常闭状态，仅输水通路的水被污染后，才将截流闸关闭，打开排污闸，对污染水源无害化处理后进行排放。

(8)临时围堰拆除。隧涵永久结构、道路桥梁等建成后，拆除所有临时结构，开启闸门恢复河口正常航运交通。

(9)设施设备的安装与调试。在输水工作井及隧涵内安装泵闸、配电、控制系统以及水位与流量监测等设备设施，并进行联调联试。

(10)自动清淤的实现。每条输水隧涵两端均设有闸门，平常运营阶段，该闸门处于打开状态，但隧涵内发生淤积，则关闭部分截流闸门，比如5条输水隧涵中，关闭2~3个闸门，则隧涵内的水流速度成倍增加，并超过1m/s，其内的淤积泥沙会被水流冲刷带走，从而实现自动清淤的功能。

对于浅埋小宽度河口，则可通过多孔箱涵穿越的方式实现，闸门、检测与控制设备的设置与上述方式基本相同，在具体实施上，可采用半幅围堰的方式先后穿越外海侧航道，保证航运、区域的防潮、防洪等不受影响。这样，创新借助多孔隧涵两端设置的双向闸门，通过不同开启方式的组合，在实现输水、截流、排污、水位调蓄等功能的同时，可进行隧涵内的自动清淤功能，同时整个港口的防潮、防洪以及交通输运不受影响。上述多功能输水港口的系统设计及其修建方法构成了本发明。

Claims (4)

1.一种截污调蓄多功能的立体输水航运港口，主要利用地下箱涵结构下穿已有通航港口，与现有通航航道形成上下交叠立体输水、通航结构；下穿箱涵用于输水通道地下过水，U型航运通道与下穿箱涵浇筑为同一整体，作为地表水航运通道；在航道上方通过架设桥梁的形式，勾连沿海岸线陆上交通。

2.根据权利要求1所述的立体输水航运港口，其特征在于：输水通路上的下穿箱涵结构，暗挖结构两端设置输水井，输水方向设置双侧闸门；闸门打开时，采用倒虹吸的方式，完成输水功能；发生污染时，可关闭单侧或双侧闸门，将污染控制在局部区域内，再采用适当方式进行污染治理。

3.根据权利要求1所述的立体输水航运港口，其特征在于：输水通路的下穿箱涵结构两端设置的输水井，深度较明挖输水通道及箱涵结构底标高要低，可起到蓄积淤泥作用，可根据需要定期从输水井中抽排淤泥，保证输水通道水质。

4.根据权利要求1所述的立体输水航运港口，其特征在于：下穿箱涵结构的上方设置交叠的航运结构，勾连内河与外海航运，使得超长沿海输水通道不中断航运交通；航运河槽结构与地下箱涵结合建设，减少了相互影响，节约了投资；航运河槽结构外海侧设置防洪防潮闸，可有效防止海水对内陆航运河流的倒灌。

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