沿海挡潮排涝闸闸孔宽度计算

孔 艳，颜 建，孙佑祥，杜宝义

(1.连云港市市区水工程管理处，江苏 连云港 222003；2.连云港市水利规划设计院有限公司，江苏 连云港 222003)

沿海地区挡潮闸闸孔总净宽的确定既受上游来水、河道蓄水的影响，又与闸下潮位涨落情况有关，目前尚无标准计算方法，通常采用半日河川水库动态水量平衡演算的方法计算[1]。

半日河川水库法是将闸上河床看成是临时调节的水库，当涨潮且潮水位高于内河水位时，关闸挡水，上游河道仍旧不断来水，蓄于闸上的河槽中，闸上水位随着来水上涨；当落潮且潮水位低于内河水位时，开闸排水。随着每次潮水位的涨落，水库进行一次调节。每次潮水涨落约为半日，故称其为闸上半日河川水库。

半日河川水库法根据挡潮闸的控制特点，利用简化的变量流动力平衡方程式和连续方程式逐段地计算过闸流量及河网内各地流量随外河潮水位变化在时段内的水力参数[2-3]，这种计算方法比较简便，但需将闸上河网看成河川水库，并不计上下游水位差，不符合客观实际，计算结果存在一定误差。

本文以连云港市某沿海挡潮闸为例，采用丹麦水力科学研究所(DHI)开发的Mike11计算软件建立了一维非恒定流水动力学数学模型，并从“满足区域排涝要求、考虑水闸消能防冲要求、采用经济合理的规模、与河道规模相匹配”等方面综合分析，经比选确定最终方案，取得了合理的结果。

1 工程概况

连云港市某挡潮闸于1972年建成，原设计共5孔，每孔净宽5m，闸底板顶高程-2.5m，设计流量159 m3/s，是闸上河道唯一的排水入海口门，兼具挡潮排涝蓄水等功能。该闸原设计排涝标准为5a一遇，设计排涝流量159m3/s。随着近年来城市的发展建设，该闸排水范围内盐田、鱼塘、农田等相继转化为城市建设用地，排涝标准也提高到20a一遇，经计算闸上20a一遇设计排涝流量为259m3/s，现状该闸过流能力已严重不足，加之安全鉴定所呈现的其他工程问题，亟需对该闸进行拆除重建。

2 水利计算模型

本次采用非定常水动力学模型的控制方程一维非定常水动力学模型，使用丹麦水力科学研究所(DHI)开发的Mike11计算软件建立了水利计算模型。一维非恒定流动方程组如下：

(1)

+qi(u-u0)

(2)

式中，Z—断面平均水位，m；Q—断面流量，m3/s；A—断面面积，m2；u—断面平均流速，m/s；C—谢才系数；q—单位河长上的支流流量。

定解条件包括水流的初值与边界值。

水流初始条件：t=0，Z(x，t)=Z(x，0)，Q(x，t)=Q(x，0)。

边界条件：当x=0时，Z(x，t)=Z(0，t)；当x=L时，Z(x，t)=Z(L，t)。

3 挡潮闸闸孔总净宽确定因素

根据SL 265—2016《水闸设计规范》，挡潮闸闸孔的总净宽应以可能出现的最不利潮型作为设计潮型，并考虑上游河道调蓄能力、潮汐河口回淤对挡潮闸泄流的影响等因素按水库调节计算确定[4]。结合类似工程经验，挡潮闸闸孔总净宽主要考虑以下几方面的因素。

(1)满足区域排涝要求。根据城市防洪规划，规划工况下该闸闸上河道排涝最高控制水位为2.90m，该闸所在排水片内排涝最高控制水位为3.03m[5]。因此，该闸所在排水片水利计算按规划工况下该闸闸前排涝水位不超过2.90m且排水片内排涝水位不超过3.03m控制。

(2)考虑挡潮排涝闸消能防冲要求，选择合适的过闸单宽流量。闸宽越小，对河道束窄越大，过闸单宽流量越大，水流流态越不稳定，对水闸消能防冲要求越高，同时对水闸安全泄流也不利。根据该闸所处地基条件及目前水闸建设经验和相应技术水平要求，水闸最大单宽流量宜控制在12m3/s以内。

(3)水闸规模应经济合理。水闸规模达到一定程度后，若进一步扩大水闸规模，闸前河网水位降低幅度会逐步减小，水闸规模宜选择水位降幅曲线的拐点处。

(4)与河道规模相匹配。根据SL 265—2016，闸室总宽度大体上与上、下游河道宽度(即通过设计流量的平均过水宽度)相适应[4]；根据项目区周边几座大型水闸工程的实践经验，闸室总宽度与河道宽度的比值一般为0.6～0.85。该闸处河道底宽50m，底高程-2.5m，在高程2.4m处设青坎，青坎宽8m，青坎以下、以上边坡分别为1∶5、1∶3；经计算，设计排涝水位2.90m时的平均过水宽度为78.39m。按照闸河相匹配的原则，该闸总宽度宜取47～67m。

4 方案比选及结果

本次对该闸所在排水片进行了一维河网非恒定流水利计算，拟定不同的闸总净宽方案，经比选确定最终方案。

根据河网模型计算，得到规划工况下该闸不同净宽排水片最高水位、闸前最高水位、过闸流量(最大流量、最大单宽流量及平均排水流量)等见表1，该闸闸门宽度与排水片最高水位及闸前最高水位的关系如图1所示。

表1 不同净宽下河网计算成果(规划工况)

图1 闸宽与排水片及闸前最高水位关系图(规划工况)

由表1及图1可知，规划工况下各方案排水片内最高水位在3.05～3.02m之间，闸前排涝最高水位在2.82～2.75m之间；闸总净宽越大，排水片水位及闸前排涝水位越低，过闸最大排水流量及最大12h平均排水流量越大，水闸最大单宽流量越小；但随着闸总净宽的加大，排水片水位及闸前排涝水位降幅均呈减小趋势，闸总净宽45m方案基本位于水位降幅曲线的拐点处。

考虑到闸总净宽45m方案位于水位降幅曲线的拐点，当闸宽超过45m后水位降幅明显减小，经济上已不合理；且该方案在规划工况下，水闸最大单宽流量在12m3/s以下，与水闸消能防冲设计条件相适应。因此，认为该闸总净宽45m方案基本合适。考虑规划适当留有余地，并结合闸河相匹配的原则，该闸拆建闸总净宽最终确定为50m。规划工况下，该方案排水片最高水位3.03m、闸前排涝最高水位2.76m，最大过闸排水流量529m3/s，所得成果与城市防洪规划相关要求是相适应的，满足区域排涝要求。

5 结语

本文深入分析了挡潮排涝闸闸孔总净宽确定的相关因素，主要有“满足区域排涝要求、考虑水闸消能防冲要求、采用经济合理的规模、与河道规模相匹配”等方面，通过一维河网非恒定流水利计算，拟定不同的闸总净宽方案，经比选确定最终方案，取得了合理的结果，可供类似挡潮排涝闸设计工作参考。