上海地区排涝水闸合理规模的探讨

王 芳

（上海市水务规划设计研究院 上海 200233）

上海地区排涝水闸合理规模的探讨

王 芳

（上海市水务规划设计研究院 上海 200233）

排涝水闸是平原河网地区重要的排涝设施，对于城市水安全具有重要的作用，上海地区的排涝设施一般需经过规划和设计两个阶段。本文通过对影响水闸规模的因素进行分析，结合工程实例，对不同阶段在确定水闸规模时需注意的问题进行探讨。

排涝水闸 单宽流量 不冲流速 闸宽/河宽比

上海位于长江下游的平原河口地区，河网水系密布，全市共有水闸2000多座，其中沿江沿海水闸就有近70座。这些水闸是地区排涝的重要设施，对于城市水安全具有重要的作用，合理的水闸规模和布局对于城市的排涝能力至关重要。近年来，许多城市内涝不断，严重影响了城市的正常运行和人民生命财产安全，因此有必要更加重视城市的排涝设施规划和建设。

上海地区由于城市总体布局的需要和建设用地的限制，排涝设施的规模一般需经过两个阶段论证后确定，首先由城市规划和除涝规划阶段确定排涝设施包括水闸的布局和规模，然后工程设计阶段在规划的基础上再进行复核优化。由于规划阶段侧重于地区除涝设施的总体布局，而工程设计阶段重点研究的是某一个单体的水闸，两者关注的影响因素不同，如果不能很好的衔接，有可能导致确定的水闸规模不合理。本文将结合工程实例，对影响水闸规模的一些因素和不同阶段需注意的问题进行探讨，对其他城市的排涝设施规模也可起到一定的借鉴作用。

1 规划排涝流量和设计排涝流量的关系

水闸规模一般根据排涝流量而定，平原地区水闸的流量是随下游水位（或潮位）的变化过程而不断变化的，受闸下水位的影响较大。除涝规划阶段，一般是在河网水系布局、下垫面构成等基本确定的基础上，规划人员按照排涝标准相应的暴雨雨型及相应潮型，拟定多方案的排水口门布局和规模，通过河网水动力模型计算，分析该地区河网的水位变化过程和分布，与目标值进行分析比较后，确定相应的排涝布局和规模，并以各排水口门的排涝过程，取其中的最大流量作为规划流量。

工程设计阶段，水闸的规模首先应满足规划排涝流量的要求，如果水闸的设计流量小于规划所需的排涝流量，则将造成内河水位抬高，雨水排水不畅，严重时将形成内涝。

但是，在规划阶段，为确保城市安全，一般选取的闸下游河道潮型是对于排水较不利的典型工况，由此计算出的排涝流量可能偏小。而水闸在实际运行中，经常会出现排水条件好于规划的情况，此时为了尽快缓解涝情，应按照尽可能多排水的原则，加大排涝流量。因此工程设计阶段除了满足规划要求外，还应综合考虑河道的规模、抗冲能力、水闸消能工布置等因素，尽可能发挥水闸的排涝作用。

以不同闸址的排涝水闸为例，图1是黄浦江某支流口门处水闸下游不同时段的潮位过程。图

中分别是除涝规划采用的计算潮位、海葵台风期间的实测潮位和汛期正常天气条件下某一时段的实测潮位。可以看出：除海葵台风等极端天气时的潮位高于规划计算潮位外，常规天气条件下，低潮位和平均潮位均小于规划计算的潮位，排水条件好于规划情况。

图2、图3分别是长江和杭州湾沿岸某支流口门处的潮位过程，可以看出，海葵台风期间的实测潮位略高于规划潮位，两者比较接近，常规天气条件下，低潮位和平均潮位均小于规划计算的潮位，排水条件好于规划情况，与图1相似。

另外，由于三个水闸所处的位置不同，同样标准下的规划潮型低潮位差异较大，杭州湾的低潮位最低，长江口次之，黄浦江最高，这就导致三个闸的排涝条件不同，规划确定的排涝流量差异也较大。

图1 黄浦江某排水口门不同时期排水过程对比图

图2 长江沿岸某排水口门不同时期排水过程对比图

图3 杭州湾沿岸某排水口门不同时期排水过程对比图

图1所示黄浦江支流的水闸，规划阶段确定闸宽为26m，规划计算的排涝流量为138m3/s，单宽流量仅5.31m3/s.m，这是由于下游潮位顶托、上下游水位差很小导致的。而水闸理论计算的最大过流能力可达421m3/s，设计阶段通过对河道规模和流速、水闸布置等综合分析，最终确定闸宽不变，设计排涝流量加大至190m3/s。同时，如实际运行中出现下游水位低、过流量大于设计流量的情况，则需调节闸门开度对过闸流量进行控制，避免造成冲刷破坏。

图2所示长江口支流的水闸，规划闸宽为10m，相应排涝流量100m3/s；图3所示杭州湾支流的水闸，规划闸宽为60m，相应排涝流量650m3/s。由于这两座水闸规划计算的排涝流量本身就比较大，单宽流量已达到10m3/s以上，所以工程设计阶段通过复核分析，设计流量与规划流量基本相当。

排涝流量还需要考虑与水闸的消能防冲设施相适应。根据上海地区的部分工程实例，单宽流量为7~12m3/s时，只要避免在下游低潮位的极端工况时开启闸门，一般工况条件下消力池结构布置和经济性均较合理，此时对于地基条件和施工难度也较为适中。

综上所述，工程设计阶段既不能简单的以规划确定的排涝流量作为水闸的设计流量，也不能简单地加大设计流量，而应该在了解规划意图和边界条件的基础上，综合考虑各种影响因素后合理确定。笔者认为，上海地区的排涝水闸大致可分为两类，一类是黄浦江中上游两岸支流和各水利片的控制水闸，这些水闸上下游水位差较小，排水受下游水位顶托影响较大，设计流量应在规划的基础上尽可能放大；另一类是长江、杭州湾沿岸支流的水闸，这些水闸潮差较大、低潮位较低，排涝条件较好，设计流量较规划流量相当或略有放大即可。

2 水闸规模与河道规模的关系

确定水闸规模需要考虑的另一个因素是要与所在河道的规模相匹配。首先，为了有利于水流流态、水闸与河道的连接布置，要考虑闸宽与河道宽度的比例，《水闸设计规范》条文说明中建议的比值为0.6~0.85。但除此之外，还要考虑河床在不超过地质条件允许的不冲流速情况下的过流能力，如果水闸流量过大，则可能造成河道的流速过大，引起河床冲刷破坏，进而影响水闸的安全。

对于以土质河床为主的河道，允许不冲流速较小，上海地区的河道大部分允许不冲流速在0.6~0.8m/s之间。排水河道要素可以概括为：河底宽30~100m，河底高程0.0~-2.0m，边坡1:2~1:3，最高水位3.5~3.75m。本文以上海地区常见的河道要素为例，根据不同河道宽度对应的过流能力，对不同闸宽/河宽比与单宽流量的关系进行对比分析，表1是按照河床流速0.8m/s，高水位3.5m时，不同河道宽度的试算结果。

从表1可以看出：不同宽度的河道，当闸宽/河宽比一定时，过流能力对应的水闸单宽流量变化不大；但河道越深，相应的单宽流量越大。因此，再选取某一河道宽度进行对比。

图4是以河底宽50m、河底高程-2m为例，计算得出的不同抗冲流速时，闸宽/河宽比与单宽流量的关系曲线。图中可以看出，当河道流速0.8m/s时，河道流量为268.47.3 m3/s，此时如闸宽/河宽比取0.6，水闸的单宽流量仅为7.3 m3/s.m。

通过计算分析可以看出，在确定排涝水闸的规模时大致可分为以下几种情况：（1）地质条件较差，河床允许不冲流速较小，且排水条件较好的地区，闸宽/河宽比宜取较小值，水闸宽度适当缩窄，否则为保护河道免受冲刷，需限制水闸的单宽流量在较小的范围，既造成工程浪费，也给今后的运行管理带来不便。（2）地质条件较差，排水条件也较差的地区，水闸单宽流量不是受地质条件所限，而是受下游排水条件控制，此时水闸宽度应尽量放大，需取较大的闸宽/河宽比值，如前文提到的黄浦江支流水闸就是如此。（3）当地质条件较好、允许不冲流速较大的河道，则水闸宽度可适当放大。

笔者认为，针对上海地区河道地质条件较差、水深较浅的特点，排涝水闸的闸宽/河宽比除参照《水闸设计规范》的建议值外，下限可放宽到0.4~0.5，此时通过合理布置河道与水闸的连接段解决闸宽/河宽比偏小的不足。同时在规划阶段应根据不同排水条件，分区域确定闸宽/河宽比的取值原则，在此基础上确定水闸的具体规模。

但是，对于某些特别重要的排涝口门，必需

确保水闸的排涝流量才能满足地区的排涝安全，而排涝流量又超过河道不冲流速的情况下，则应以充分发挥水闸功能、保证排涝安全为前提，可通过对河道护砌或扩大河道规模等工程措施，解决抗冲能力不足的问题。

此外，有些地区为增加水动力，需设置排涝泵站，当泵闸合建时总的建筑物宽度将远大于单闸的宽度，此时从泵闸与河道的连接布置以及两岸用地等方面考虑，水闸的宽度宜适当缩窄，闸宽/河宽比可取较小值。

图4 闸宽/河宽~单宽流量关系图

表1 河道过流能力和水闸单宽流量计算对比表

3 闸宽和闸底高程的关系

水闸宽度和闸底高程是两个相互关联的要素，也是确定水闸规模时必需考虑的。众所周知，当上下游水位相同的情况下，闸底高程越低，水闸的过流能力越大，同样，当设计流量一定时，闸底坎高程定的越低，则所需闸孔宽度越小。表2是某工程实例，对闸宽不变、不同闸底高程时，根据理论公式试算的过闸流量的计算结果。从表2可以看出，闸底高程降低50cm，单宽流量平均可增加约15%左右。

但闸底高程也并非越低越好。一方面，如果闸底高程定的过底，当上下游水位差较大时，为了避免流量过大造成上下游冲刷破坏，需限制闸门开度，给运行管理带来不便；第二，需增加闸门高度，增加设备投资，还有可能造成闸底坎淤积；第三，将增加施工难度。

因此，在规划阶段首先要根据排水条件选取合适的闸底高程。对于上海地区的水闸同样可分为两类，一类是黄浦江中上游两岸支流和各水利片的控制水闸，上下游的水位差较小、排水条件较差，闸底高程应适当降低，可以与河底高程相同，从而加大过闸流量；另一类是长江、杭州湾沿岸支流的水闸，排水条件较好，应适当抬高闸底高程，可高于河底50~80cm左右，既避免了流量过大对河道造成冲刷，又保证一定的水闸宽度，使闸宽和河宽达到适当的比例，还可以减小闸门高度。

工程设计阶段，在规划确定的水闸规模基础上，根据场地条件、地质、施工及工程造价等因素进一步分析，在保证水闸排涝流量情况下，可对闸宽和闸底高程进行适度调整。

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.07.003

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1672-2469(2014)07-0011-04

王芳（1962年—），女，高级工程师。