钱塘江强潮河口排涝闸现状、问题及应对措施

包中进,韩晓维，包纯毅，王自明

(1.浙江省水利河口研究院 浙江省河口海岸重点实验室， 浙江 杭州 310020； 2.浙江省水利水电勘测设计院，浙江 杭州 310002)

1 研究背景

钱塘江发源于安徽省休宁县六股尖，以芦茨埠为潮区界，闻堰为潮流界[1]，是世界著名的强潮河口。杭州湾的浅海具有非正规半日潮特性[2]，而且具有显著的往复流特征，其涨、落潮流大多与岸线平行，根据1953～2002年的统计资料可知，盐官至澉浦两站的平均潮差分别为3.3 m和5.7 m[3]。钱塘江流域来沙较少，海域来沙丰富，由于潮流强劲，水流挟沙能力较强，河口区域悬移质含沙量自东向西逐渐增大。河口两岸为经济发达地区，主要分布有杭嘉湖平原、萧绍平原等，为此，在两岸沿线兴建了众多的大中型排涝、挡潮闸(见图1)，这些排涝闸和挡潮闸为保障两岸平原地区的工农业生产和人民生活、提高防灾减灾能力和水资源的综合利用效率，以及改善水生态水环境等发挥了重要的保障作用。沿线各闸站的工程特性参数如表1所列。

表1 部分感潮排涝闸工程特征Tab.1 Characteristic of some tidal drainage sluices

图1 钱塘江两岸部分排涝闸分布示意Fig.1 Distribution of some sluices on both sides of Qiantang River

感潮排涝闸最显著的特点是需要“候潮抢排”，即充分利用低潮位的有限时间，尽可能地排出涝水，典型的感潮水闸排涝过程线如图2所示。区域内雨型、潮型对排涝规模的设计影响较大[4]，为了达到快速排涝的目标，需要在较短时间内全开闸门运行。这些闸站在多年运行实践中，暴露出了一些共性的水力学关键技术难题[5-7]。本文以杭州湾为研究背景，通过分析排涝闸现状及存在的问题，结合作者多年的工作经验并参考已有的研究成果，探讨了改善强潮河口排涝闸的排涝条件；在此基础上，提出了在闸前增设调蓄设施、闸轴线与堤线一字型布置等技术方案，拟通过技术改造，在确保工程安全的前提下，有效提高排涝闸的排涝能力。研究成果可为感潮水闸等类似工程的设计与改造提供参考。

图2 典型感潮水闸瓯飞一期围垦工程东2号闸的排涝过程线Fig.2 Drainage hydrograph of a typical tidal sluice

2 排涝现状及存在的问题

总体来说，防洪排涝均遵循“上拦—中蓄—下排”的原则，作为下排主要建筑物的感潮排涝闸对区域防洪、排涝起着控制性作用。然而在实际运行中，存在着如下主要问题。

2.1 闸前河道规模不匹配，影响排涝效果

按照水闸相关设计规范和经验，闸前河道设计规模目前主要是参考《水闸设计规范》中所推荐的大中型水闸工程闸室总宽度与河道的比值进行设计的，一般将该比值取为0.60～0.85[8]。对于闸前河道规模，也有学者提出可以将感潮水闸闸宽与河道比值的下限放宽至0.40～0.50[9-10]，因为当水闸与河道比例达到某一界限后，水闸规模的增大对泄流能力的影响并不显著[11]，若规划得当，区域内减小排涝闸规模后也不会明显抬高相应的洪水位[12]。也有学者从水环境的角度考虑，提出了闸前河道与闸门宽度的较优比例为0.40[13]。目前，针对感潮区域排涝闸与河道规模之间的比值仍需要开展进一步探讨。笔者认为，若感潮河口排涝闸按照常规水闸的设计方法，在闸下低潮位闸门全开时，上游水面线将呈以下形态[14](见图3)：闸前一定范围内的水面坡降较陡(稀疏波区)，流速较大；该范围以外的水面坡降较缓(内河常态区)，流速较小。该水流分区与上游河道的规模、底坡、糙率等均密切相关，在运行时往往会遇到以下问题。

图3 感潮水闸上游河道水流分区示意Fig.3 Schematic diagram of flow division at upstream of tidal sluice

(1) 闸前河道冲刷严重。闸前河道一般处于稀疏波区，该区域内水面坡降陡、水流流速大，极易对上游河道形成明显的冲刷。比如南台头闸在1993～2004年间多次排涝后，闸上4 km河道形成了严重冲刷，河底最大冲深可达6 m。闸上典型河道断面冲刷如图4所示[15]。因此，为了避免河道冲刷情况进一步加重，只能采取控制过闸流量等措施，从而就导致了该工程的排涝效益大大降低。又比如曹娥江支流新三江闸，其闸的上河道规模几乎与闸宽等同，结果导致闸门开启的瞬间，上游河道200 m左右河段的水位迅速见底，致使河道冲刷严重。

图4 南台头闸闸上河道典型断面冲刷剖面示意[15]Fig.4 Scour profile of typical section of upper channel of Nantaitou sluice

(2) 内河较远处的水位下降困难。平原河网水位控制站一般位于水闸上游的内河常态区，该区域内水位降低主要是受到稀疏波速的影响，在短时间内难以明显降低。

(3) 预排调度难以有效实现。预排技术是提高区域可调蓄容量、保障防洪安全的措施之一。然而，按照现状常规的排涝布局方式，要求在有限的时间内，完成较大的预泄量几乎不可能，且闸上河道可供预排的水量也有限。比如长山闸开启2 孔闸时上游水位剧降，新三江闸开启后，闸前200 m左右河道几乎见底，排涝能力大大降低。这样的调度运行方式本身要求的技术难度太大，运行管理单位往往较难达到。如果闸门开启过快，就存在前述的闸前无水可排的情况；如果闸门开启过小，短时间内又达不到降低水位的要求。

2.2 闸下淤积，影响排涝效果

挡潮闸闸下淤积问题普遍存在[16]，钱塘江河口同样如此。由于钱塘江两岸破堤建设的排涝闸一般为内凹式布置(见图5)，这样的布置方式的优缺点非常明显，即优点是可以避免强涌潮对闸门的冲击，施工相对方便；缺点是闸下容易淤积严重。比如钱塘江北线的下河闸闸下淤积高达5～6 m，几乎淤积到了闸门顶；再比如南线的临海浦闸、新东进闸、陶家路闸等，其闸下淤积长度普遍达几百米以上，详情如图6所示。

图5 典型工程平面布置示意Fig.5 Typical sluice layout plan in Qiantang River Estuary

图6 钱塘江沿线挡潮闸闸下淤积图片Fig.6 Siltation under tidal sluices along Qiantang River

经分析，造成这种情况的原因主要有以下几个方面。

(1) 钱塘江所具有的强潮特性，加上水流含沙量高。根据有关资料，干流潮区界芦茨埠站的最大含沙量为1.76 kg/m3，平均含沙量为0.20 kg/m3。水体中涨潮含沙量起控制性作用，江中大潮涨潮含沙量约高达2.00～4.00 kg/m3，落潮约为0.20～1.00 kg/m3。

(2) 闸上可以供闸下冲淤的水量有限，并且多年的试验研究表明，闸下水力冲淤只能做到门前清，并且闸下淤积高度如果超过2 m左右就很难冲开[17]，此时需要采用其他工程措施。闸下严重淤积，不仅会影响到闸门的正常启闭，更会影响到排涝效果的正常发挥，排涝效益会大大降低。

2.3 闸下局部淘刷严重，影响结构安全

根据水闸规范，闸下习惯于布置扩散式直立翼墙与左右两侧海塘衔接。而原型和物理模型试验研究都证明了在闸下口门翼墙附近，存在立轴漩涡，容易形成锥型淘刷，影响翼墙、海漫以及护坦等结构的安全，而且这方面的研究成果已较为丰富[18-19]。

3 对策探讨

面对现状及存在的问题，如何确保感潮河口排涝闸的工程安全以及发挥正常的排涝功能，需要探索新的技术，以提高快速排涝能力。结合多年的工作经验并参考已有的研究成果，经分析研究，提出以下几点应对措施。

3.1 闸前设置调蓄设施

从水力学角度进行分析，在相同排涝流量的条件下，闸前河道流速降低，则水面坡降越缓，而设置调蓄湖正是起到减缓水力坡降的作用。主要体现在以下几个方面：

(1) 可以在短时间内保证闸前来水，为快速有效地预排创造条件，降低河道(河网)的水位，为防洪排涝腾出蓄洪空间。

(2) 在洪水期大流量排涝时不至于使闸前河道马上见底，可以保护闸前河道安全，确保在有限的时间内排出足够多的水量。

(3) 对闸站枢纽工程而言，可以避免闸和泵站运行时水流的相互干扰，从而提高排涝效果。

(4) 设置湖泊后可以丰富当地人民旅游和休闲的场所，提升该区域的居住、生活和生产环境。

以浙江省义乌市双江水利枢纽工程为例，该枢纽主要由拦河闸和引水泵站等组成，其常规河道型布置如图7(a)所示，闸前设置调蓄湖的方案如图7(b)所示。闸上河道宽度现状干流约为200 m，支流河道宽度为50～100 m。采用平面二维数学模型对两种方案进行了水力计算，不同方案的上游沿程水面线如图8所示。计算结果表明：在闸前设置调蓄湖方案后，除拦河闸断面上游局部水位较常规方案有所抬高以外，上游河道沿程洪水水位降幅明显，其中上游北支5 a一遇洪水位降幅影响范围约为4.8 km，20 a一遇洪水水位降幅影响范围约为5.8 km，防洪效果明显。

图7 义乌市双江水利枢纽工程枢纽布置示意Fig.7 Two layonts of conventional scheme and scheme with storage facility

图8 设置调蓄设施前后水闸上游水面线Fig.8 Upstream water surface line of sluice before and after setting storage lake

3.2 闸轴线与堤线一字型布置

如前所述，常规挡潮排涝闸的平面布置方式一般为内凹式。钱塘江沿线和其他感潮河口水闸基本上都是这样的布置型式。对于这类具备闸下开阔水面条件的地方，建议采用一字型布置方式，闸轴线尽量和堤线一致布置，以利于下泄水流均匀扩散、减少闸下淤积和冲刷、有利于闸下冲淤。

以瓯飞一期围垦工程东2号闸为例，该闸设计规模为5 m×8 m，原设计为内凹式，模型试验结果表明，该布置方案存在着常规的技术缺陷[20]。通过多方案比较试验，最后推荐采用一字型布置方案。物理模型和原型运行结果也表明，一字型方案的闸下冲刷情况明显优于内凹式方案的闸下冲刷情况。两种方案的闸下冲刷试验情况详如图9所示。目前，工程已经建成并已正常运行，效果很好。

图9 瓯飞一期围垦工程东2号闸闸下冲刷试验结果示意Fig.9 Scouring test results under concave and line-shaped layout sluices

3.3 增加强排设施

随着全球气候变暖，局部地区极端气候事件经常发生。特别是浙江省“余姚内涝事件”发生以后，浙江省大力推进排涝泵站的建设。

泵站和排涝闸相结合设置，除了泵站单独运行可以对上游洪涝水位起到削峰的作用外，还可以和排涝闸一起联合运行，更加快速地降低上游洪涝水位，提高排涝能力。也就是当排涝闸的自排能力下降时，可以提前启动泵站强排，闸站一起排涝。

4 结 语

目前，钱塘江沿线的排涝闸均为内凹式布置，由于闸下淤积严重、而且闸上河道配套规模不够，影响到了排涝闸的排涝能力。本研究结合多年工作实际经验并参考已有的研究成果，提出了扩大闸前河道规模、增设调蓄设施和闸轴线尽量靠近堤线布置的思路。在此基础上，再加上强排配套设施等，可以在确保工程安全的前提下，能充分有效地发挥排涝闸的排涝功能，提高排涝效率和区域的防灾减灾能力。研究成果可为类似工程的设计和研究提供参考。