沿海挡潮闸下游消能防冲措施设计浅析

于建忠 吕 犇

沿海挡潮闸下游消能防冲措施设计浅析

于建忠 吕 犇

由于特定的位置、水文及地质条件，沿海挡潮闸闸下消能防冲设计较为复杂。处理不当将导致闸下港道冲刷，甚至引起消能设施损坏，影响工程安全。结合“沿海挡潮闸下游消能防冲技术研究与应用”课题研究，以掘苴新闸为例，对沿海挡潮闸消能防冲设计方案进行了初浅的探讨。实践证明，采用垂直防冲体系，可取得较好的消能防冲效果。

挡潮闸 消耗防冲 掘苴新闸

1 问题的提出

江苏省滨江临海，有数十座大中型挡潮闸，大部分建造年代较早，隐患较多，闸下港道普遍淤塞。自“十五”起，江苏省政府启动了江海堤防达标建设，普遍将老闸向下游迁建。由于新闸址下游即为海滩，几乎无汇流港道。随着下游潮位的不断跌落，消能防冲设施直接外露，对其安全构成极大的危胁。加之，闸址土质抗冲能力差，极易产生溯源冲刷，严重时会危及闸主体安全。此外，近年来，一方面降雨产汇流加快，另一方面为保证正常生产、生活，往往需要在低潮位时加紧抢排，使挡潮闸超设计工况运行。上述种种因素直接导致挡潮闸下游消能防冲设施遭受破坏。

若将最低潮位时闸门敞泄作为消能设施的设计标准，往往引起工程投资显著增加，很不合理，也不经济。若严格按设计中确定的超低潮位时“控制闸门开度甚至关闸”运行，又与“分秒必争抢排”的现实要求矛盾。在增加工程经费不多的情况下，寻求经济、实用的消能防冲措施，以达到在保证消能设施安全的前提下，在超低潮位时尽可能延长开闸时间，加大过闸流量，是一个值得探讨的问题。

“沿海挡潮闸下游消能防冲技术研究与应用”课题结合如东县掘苴新闸、东安新闸两座中型挡潮闸下迁建设，对挡潮闸的消能设计进行了分析研究，继而对消能设施进行了优化、补充。实践证明，取得了预期效果。课题于2013年底通过了江苏省水利厅组织的验收。本文以掘苴新闸为例，对挡潮闸消能防冲设施优化设计进行简要介绍与探讨。

2 相关因素分析

2.1 相关规范、文件分析

通常从经济、合理的角度出发，消能防冲须有一定的设计标准。在设计标准以内的低潮位，应能保证过流时闸主体及消能设施的安全；当下游低于设计标准的低潮位时，应控制闸门开度或关闸运行。但是，针对该低潮位标准，目前的规范中无明确依据。《水利水电工程等级划分及洪水标准》中仅明确了建筑物消能防冲设计对应的防洪标准。《水闸设计规范》2.2.5条、2.2.7条分别对挡潮闸的防洪(挡潮)标准及消能防冲设计洪水标准进行了规定。江苏省水利厅“苏水管[1997]80号”《江苏省江海堤防达标建设修订设计标准》及“苏水管[1997]83号”《关于我省沿海挡潮建筑物达标建设设计标准的通知》中也只对挡潮建筑物的防洪标准、特征潮(水)位进行了说明。上述规范、文件均未明确消能设计对应的下游潮位标准。

2.2 设计关键因子分析

挡潮闸素有“十闸九冲”的说法，下游冲刷在所难免。综合分析引起下游消能防冲设施破坏的原因主要有以下几方面：

(1)由于沿海潮位站点偏少，闸址处常常无潮位资料，使理论计算缺少最基本的数据。

(2)新闸建于海滩上，除新建的二三百米左右的港堤外，几乎无汇流港道，水流出闸后，直接平铺入海，对消能不利。

(3)土质抗冲能力差。闸址地质往往均属海成地貌，表层多为粉砂、极细沙土，极易被冲刷。

(4)随着经济的发展，下垫面条件发生了改变，降雨汇流加快。另一方面，防洪排涝对排水也提出了更高要求，遇雨往往要求尽快排涝，降低内河水位。挡潮闸很难严格按设计工况运行。

(5)降雨时空分布不均衡，局地强降雨概率加大，极端灾害性天气情况逐年增多。如东县气象局实测资料显示，2009、2010年最大3 d雨量分别达到了206.3 mm和159.6 mm，均超过设计最大3 d暴雨值150.65 mm。

(6)下游船舶无序停泊，加剧了排涝时出闸水流紊乱。

3 掘苴新闸消能设计

3.1 工程概况

如东县老掘苴闸是掘苴河的入海口门，为如东三座中型挡潮闸之一，也是南通地区重要的排涝、挡潮闸之一。根据江苏省发改委批复，结合海堤达标建设及围垦开发，将老闸向下游迁建，建设掘苴新闸。迁建后的掘苴新闸位于老闸下游约2.7 km处，集挡潮、排涝、兼顾通航等功能于一体。共5孔(8 m×2孔+12 m+8 m×2孔)，中孔兼通航。闸底板面高程-1.5 m，设计最大排涝流量527 m3/s。工程于2007年9月开工，2008年5月通过水下工程验收， 2011年10月通过江苏省水利厅组织的竣工验收，工程质量被评为优良。

3.2 消能防冲设计

该闸消能设计时，吸收了洋口外闸及其它沿海挡潮闸的建设经验、教训，优化了消力池计算方法，改进了消能防冲设施布置。

在确定挡潮闸规模时，按设计暴雨推求洪水过程并与汛期连续4 d平均高潮位相遇，结合内河水位—槽蓄量关系曲线，进行调洪演算，以确定闸室总净宽。消能设计不利工况的选取结合上述洪水计算过程，分别对闸上高水位对应时最大流量，内河汛期正常高水位遇外海侧平均低潮位，闸上较高水位遇闸下较低潮位时对应的最大流量3种情况分别进行消能计算。消力池设计时取上述3种工况的“包络”。消力池计算成果详见表1。

表1 闸下消能计算成果表

实际取消力池长25 m、深1.8 m、厚1.0 m。

此外，根据调洪演算成果，对闸下设计潮型中的最低潮位-0.37 m、闸上高水位2.9 m的极端工况下消能设施安全进行了复核。此时闸门最大开度1.96 m，相应过闸流量约447.8 m3/s。

考虑挡潮闸下游冲刷的必然性及淤涨型海滩的特点，消能防冲措施布置改变常规设计思路：变水平防冲为垂直防冲体系，在设计工况下允许闸下出现冲刷，但不得危及闸主体安全。同时适当缩短港道护底防护范围，以节省投资。具体为：在消力池后接21 m 钢筋混凝土护底与长21.0 m防冲排桩(钻孔灌注桩)连为整体，后接抛石防冲槽(面宽7 m，深2 m)。在下游出现最大冲坑的极端情况下，确保闸室主体及翼墙安全。港道两侧港堤全部采用浆砌石进行护坡，坡底设抛石护脚。

3.3 应急超标准排水后水损情况

2008年5月工程通过水下验收，进入6月份后，遇区域连续阵雨，特别是6月14日、6月17日两次强降雨，内河水位急速上涨。应上级防指要求，将闸门全开进行应急排涝。开闸七潮次后发现下游右侧高程2.0 m以下局部护坡发生塌陷。经测量，底部河床冲刷至高程-3.5 m，而坡脚抛石棱体因淤积土中黏粒作用未发生滚落。经抛石处理，当年未再大流量泄洪，下游逐步淤积，未有新的险情。

2009年7月24—28日连续大雨，内河水位升至3.41 m(超警戒水位0.61 m)，闸门全开，后发现下游两侧出现对称性漩涡，部分港堤岸坡发生塌陷。经测量，河床最大冲深至高程-10.12 m(设计允许至高程-14.0 m)，后控制闸门开度泄洪。

3.4 水损处理方案

2008、2009年汛期遭遇特大洪涝、超标泄洪后，防冲排桩至闸主体段的结构未受到损坏，但港道底部出现了不同程度冲刷，并引起局部港堤边坡坍塌。经分析，建设初期受投资指标制约，下游港道底部护砌偏短、抗冲能力较差。

虽然港道冲坑尚未超过设计计算深度、未对闸主体构成威胁，但影响港堤安全。经研究并报主管部门同意，动用预备费对防冲槽外河床及港堤进行适当处理。

综合分析1.2节中“关键因子”，考虑闸下实际最低潮位低于-1.5 m的现状等因素，拟将下游港道底高程适当降低，以增加低潮位时港道内水深。同时适当加长港道底部的防护范围，以保证港堤边坡安全。防冲桩外侧港道底高程降低后，客观上与外海滩形成了“二次消能”。港堤以外为滩地，水流为漫滩流，流速减小，一般不会发生大的冲刷。且如东属淤涨型海域，根据工程运行经验，即使发生冲刷，在非排水期，一个潮汛即可淤平，不会对工程产生危害。

为确定下游港道挖深值，根据水闸设计规范，分别计算港道疏挖至不同高程对应的港道河床最大冲刷深度值(按粉细砂土质计)，其结果详见表2，变化曲线详见图1。

表2 港道不同高程对应最大冲刷深度 m

图1 港道底最大冲刷深度变化曲线

由表2、图1可看出，随着港道深度的加大，河床最大冲刷深度值不断减小，但减小幅度总体趋缓。另一方面，本闸主体及两侧港堤已经建成，闸孔边墩净距为51.4 m，为保证水流流态平顺，港道底宽不宜过窄。综合考虑上述因素，下游港道底高程定为-4.0 m。

在工程处组织召开的掘苴、东安新闸闸下消能防冲问题专家咨询会上，与会专家认可了上述补充设计方案。补充设计工程2010年1月底开始实施，2010年5月底完成。

4 实施效果

从管理单位反馈的运行情况显示，2010年“7.12”暴雨，上游水位达3.14 m，掘苴新闸闸门全部开启自由泄流，闸下游消能防冲设施未有任何损坏。经测量，2010年汛期以来，两闸下游港道亦未出现冲刷破坏，护坡及干砌石护底完好。

东安新闸工程于2009年3月底开工，其闸下消能防冲设计理念与掘苴新闸相同。在建设过程中亦按上述思路对闸下游消能防冲设施进行了改进。工程投入使用多年来，运行情况较好，消能防冲设施未发生破坏。

5 结 语

消能防冲设施的安全历来是挡、泄水建筑物的关键。由于沿海挡潮闸特定的地理位置及水文、地质等条件，消能防冲设施极易遭受破坏。如东掘苴新闸、东安新闸消力池设计综合考虑设计排水过程的不利工况，改水平防冲为垂直防冲体系，同时通过适当降低港道底高程等系列措施。总体工程经费增加很少，但在保证闸下消能设施安全的前提下，延长了低潮位时的开闸排水时间，取得了预期效果。对挡潮闸的消能防冲设计有一定的参考借鉴作用。

[1] SL 252—2000水利水电工程等级划分及洪水标准 [S].

[2] SL 265—2001水闸设计规范[S].

[3] 郭子著.消能防冲原理与水力设计[M].北京：科学出版社,1982.

[4] 毛昶熙，周名德，柴恭纯.闸坝水力学与设计管理[M].北京：水利电力出版社，1995.

TV653

A

1007-6980(2017)02-0012-03

2017-03-10)

于建忠 男 高级工程师 江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司 江苏苏州 215128

吕 犇 男 工程师 江苏省太湖水利规划设计研究院有限公司 江苏苏州 215128