挡潮闸设计规模研究与实践

2018-03-28卢育芳

水利技术监督 2018年4期

卢育芳

(1.上海市水利工程集团有限公司，上海 201612；2.上海友为工程设计有限公司，上海 200093)

上海地处长江口杭州湾，地势低平，河网丰富，为保障区域防洪(潮)除涝安全，上海已经全面构筑了水利分片治理格局，水闸作为水利片外围一线防洪(潮)的有机组成部分，也是各水利片涝水外排、水资源调度的主要设施，充分利用河口丰富的潮汐条件，沿江沿海的挡潮闸在高潮时段挡潮或引水、低潮时段排水排涝，为区域防汛排涝、水资源调度发挥了重要的作用。同时上海岸线利用紧张，沿江沿海的排涝口门资源紧缺，为充分利用现状排海口门，对沿江沿海挡潮闸的规划研究更为关注。

水闸设计流量是水闸的主要特征指标，是确定工程等别的重要依据，也是运行调度的控制性指标，水闸的流量随上下游水位组合随时发生变化，根据水闸的功能需要设定的各种工况下的最大设计流量称为设计流量。水闸规模的论证分规划、设计两阶段，规划阶段侧重于水利片河网布局、调蓄水面率的研究，并确定外围除涝泵闸布局和规模；设计阶段则侧重于研究水闸各运行工况下的设计流量，在确定水闸设计孔径(净孔宽、闸坎高程)的过程中，应以满足规划阶段的水闸规划排涝流量为基本要求，并结合水闸工程运行调度中所采用的不同水位组合，细化分析设计孔径、底坎高程等不同组合下的水闸排水流量，对河道输水能力匹配、孔径组合、消能工布置、平面流态分析等工作进行深化研究，由于不同水位组合会得出不同的设计流量数据，最终选取各设计工况的最大值作为设计流量来表征(建议在设计文件中列出相应的运行水位组合)。所以因研究阶段不同会存在规划排涝流量与设计排涝流量的说法[2]。但无论是哪个阶段，水闸设计规模一般以水闸口门的几何尺寸来体现，即闸孔净宽和闸坎高程。

1 水闸设计规模研究

本文对水闸设计规模的研究，主要结合上海奉贤金汇港南闸改造工程，着重对水闸规模的计算方法、口门排水效果、河道与水闸输水能力的匹配性等方面进行了探索。

1.1 金汇港南闸概况

金汇港为浦东水利片南北向骨干河道之一，北起黄浦江，南至杭州湾，通江达海，现状平均口宽80m，长度约22km，是区域内重要的引排水通道，也是区域重要航道，1980年金汇港南端的团结塘(海塘)上建成4m×10m净孔径的挡潮闸(金汇港南闸)，设计规模540m3/s，2003年该水闸安全鉴定为危闸，急需改造，2006年开展了该闸的工程规划研究[1]，根据太湖流域防洪规划和区域水利规划，与金汇港综合整治近远期目标相呼应，与规划金汇港河道规模(规划口宽120m)的排水能力相配套，用足金汇港南口门排水潜力；同时加大南排杭州湾能力、减少涝水北排黄浦江也有利于流域行洪并缓解黄浦江的防汛压力。通过对金汇港南闸规模多方案比较，最终选定闸孔尺寸为闸孔净宽60m，闸底坎高程-1.5m(上海吴淞高程，下同)，设计流量增大至650m3/s，该闸已于2012年建成使用，目前运行正常，为区域除涝和调水发挥着重要作用。

1.2 水闸规模计算方法分析

挡潮闸主要的运行方式为涨潮时关闸挡潮，落潮时开闸泄水，闸上内河呈现河川半日型调节水库的特点，受河网调蓄能力和闸下潮位的变化影响，水闸泄水流态为变量变速流，水位、流量及流速均在不断变化。

挡潮闸孔径设计主要采用闸上半日河川水库蓄泄能力计算法[3]及基于一维非恒定流河网水力学方法[4]，前者主要对边界条件进行适当简化，按不同水闸孔径组合分时段计算一潮或两潮内的平均流量，结合排涝标准，综合选取最优的闸、河配套组合作为设计成果。后者则通过河网模型把复杂的边界条件作为计算条件，进行河闸配套的试算比较，在计算效率和精度上超越了前者，该模型吸收并优化河海大学、荷兰Delft水力研究所等非恒定流河网水量水质数学模型的优点，结合上海的实际水情、工情，积累、完善了感潮河网水量模型，在防洪、排涝、水资源调度等计算中广泛应用，是较成熟的一维非恒定流平原河网模型。

1.3 排水影响范围分析

浦东片位于黄浦江以东、以南，东临长江口，南濒杭州湾，西至奉贤、金山区界，总面积约2100km2，包括浦东新区、南汇区、奉贤区全部及闵行区浦江镇。浦东片地处长江入海口，外围系黄浦江、长江口、杭州湾环抱。片内河道水位受降雨、潮汐和沿江沿海水闸的控制调度等因素影响，常年水位控制在2.50～2.80m。浦东片沿长江口、杭州湾共设19座闸(泵)控制工程，沿黄浦江共设36座闸(泵)控制工程。金汇港在浦东片中位置偏西南，经对除涝工况下的整个水利片除涝最高水位分布分析，金汇港的除涝影响范围主要为奉贤区域，针对金汇港南闸的除涝效果研究需要，模型选取金汇港与浦南运河交点处的南桥以及奉贤地区的平均高水位来反映不同河闸配套规模下的除涝效果。

1.4 河道允许不冲流速分析

水闸运行除保障自身安全外，还必须兼顾闸内外河道的输水安全，不得因流速过大造成河道冲刷。合理选取河道允许不冲流速是河道水闸输水匹配研究的首要工作，也是数模计算中的控制条件。

河网流速场表明金汇港作为主干河道，起到汇聚支流来水的重要作用，最大流速出现在闸上4.5km金汇港干流段内，越近闸口流量越大，同时闸下低水位工况的流速也需要同步研究。

河道允许不冲流速与河床道土质、水深(水力半径)相关[5]，金汇港河床土质属轻壤土，水力半径1m时的河道断面平均不冲流速为取值范围为0.6～0.8m/s。根据金汇港规划断面要素，底宽80m，底高程-2m，边坡比1∶3，发生最大流量时刻的内河水位在2.7m左右，故水力半径R为4.03m，不冲流速应乘以系数Rk，其中对疏松的粘土，k可取1/3～1/4，河道允许不冲流速为1.13～1.27m/s。按实际调度运行情况进行必要的反算，原金汇港南闸基本每天排水，内河水位与闸下水位齐平时开闸，闸下水位涨到接近闸内水位时关闸，经过对汛期排水内外河水位的记录，闸前内河水位控制在2.5～3.0m之间，闸下最低水位一般在0m以下，按内河水位与外海潮位组合进行现状闸口排水流量的计算，实际最大排水流量达到500m3/s，近闸河道平均流速最高达到约1.1m/s。同时对闸内外河道冲刷情况进行调查，没有发生全断面冲刷现象，仅局部发现有深坑，深约3m，并且与发生最大流量无相关性。综合选取河道允许不冲流速为1.1～1.2m/s。

1.5 水闸规模分析

初选水闸规模时会经常用到闸河比或闸河配套系数，根据对相关文献查询，闸河比并没有严格的定义，SL265- 2016《水闸设计规范》条文说明中表达为水闸净宽与河道平均过流宽度的比值[6]，该条文在既有水闸规模统计基础上，推荐的比值为0.6～0.85；也有采用闸孔净宽与河道底宽相比的[7]，推荐1∶1.5～1∶2(即0.5～0.7)。闸河比为水闸规模初选提供了一定的比选范围，上海地区的区域除涝规划计算在初定各口门规模时常取闸孔净宽与河道底宽比为0.5～0.8，潮差大的口门取小值。金汇港南闸水闸规模论证选择对不同净孔宽(40m、50m、60m)、闸底坎高程(-2m、-1.5m、-1m)进行组合，按照规划除涝标准降雨(20年一遇面雨量200.2mm)和规划工况确定的1963年实测潮位过程线作为下边界，对典型控制节点水位、闸前河段出现的流速、水闸最大流量、除涝时段排水总量等指标进行比较，在扩大闸孔尺寸效果比较中，经综合比较得到50m净孔宽-2m闸坎高程与60m净孔宽-1.5m闸坎高程二种组合的效果最佳，设计流量相当。

计算表明，若维持现状南闸40m净孔径闸坎高程-1m现状规模，区域除涝水位仍可控制在规划除涝最高水位以下，按60m净孔径闸坎高程-1.5m，在金汇港河道断面按远期流域南排规模实施后，与现状河闸配置相比，区域平均最高除涝控制水位可降低3cm，排涝工况24小时计算周期内排水量可增加37%，水资源调度工况下增加水量30%。从对应设计流量的内河平均水位3.5m计，河道过水面积比现状增加约93%，水闸过流断面面积增加66%，设计流量(峰值流量)增加20%，说明河闸排水能力规模呈非线性正比例关系，与河网集输水能力相关。

设计阶段经深化对进出水流态、基础处理、消能设计等方面综合比较，并通过物理模型优化，最终选取60m净孔宽方案。

1.6 运行调度设计

为保障水闸运行安全，除结构稳定、渗流稳定计算外，水闸水力计算中的重要任务为消能计算，对可能出现的运行水位组合进行多方案比选，除了规划除涝工况的水位组合，设计中通常还取内河最高水位与外河大潮平均低潮位组合[8]，根据河床允许不冲流速计算河道允许流量确定闸门开度，特殊情况下内河最高水位与外河历史最低潮位组合，也必须复核下游河道允许流量，以此确定合理的闸门开度。规划工况下的水闸设计流量是河闸配套下确定的规模，因此，设计工况组合中基本上均需要对闸门开度进行必要的控制，运行调度中虽然以水闸运行流量来表示，同时必然有相应的闸门开度要求配套，以合理指导运行调度。

由于杭州湾潮差较大，规划工况选取的下游(外河)潮型虽然是63年实测潮型，该潮型特点是低潮高、潮差小，与《水闸设计规范》条文说明建议的采用汛期多年平均最高低潮位相接近的潮型基本相符，但设计不利工况是可能出现最大流量的较大水头差组合，比规划工况要大很多，一般需限制水闸开度才能满足河道的不冲要求，该工况虽然出现历时不长，但对下游河道稳定、消能效果影响极大，而且工程事故基本出现在此工况下，从金汇港南闸改建后的实际运行情况表明，平时的大引大排，对闸门开度的控制不力，已引起外河防冲槽下游河道出现局部深坑现象，但也与闸下水位较低，闸下水流混乱不易扩散等直接有关。