浙江绍兴崧北河治江围涂水闸工程设计及计算

徐瑾瑾

（浙江省钱塘江管理局勘测设计院，浙江 杭州 310016）

近年来，上虞区经济迅猛发展，城市化水平不断提高。根据《上虞市平原河道整治规划报告》，虞北平原规划通过“四横三纵”骨干行洪排涝通道和4 个外排口门建设，平原排涝标准达到20 a 一遇。目前，虞北平原“四横二纵”骨干行洪排涝通道和3 个外排口门已按规划要求进行整治，平原排涝能力得到明显提高，但仍未达到20 a 一遇规划标准，迫切需要实施崧北河综合治理工程。本工程的任务为以排涝、挡潮、防洪为主，兼顾改善河道水生态环境，通过新建水闸，提高虞北平原的防洪排涝能力。

1 工程概况

上虞区地处绍兴市东部，虞北平原指上虞市北部水网平原地区，西临曹娥江，南接丰惠镇，东连余姚市，北靠杭州湾，近年来随着杭州湾围垦工程的逐步推进，虞北平原总面积达480 km2，地势上呈自西向东倾斜。本工程场区地貌单元属钱塘江三角洲相堆积，其第四系松散沉积物上部主要为钱塘江相新近冲淤物，中部为全新世河海相沉积，下部为晚更新世海陆相沉积及中更新世陆相沉积。

1.1 气象

工程区域属北亚热带季风气候，冬夏季风交替明显，具有四季分明、气候温和、雨量丰沛、日照充足等特点。该区域多年平均最高气温37.8℃，多年平均最低气温-5.7℃，多年平均气温16.1℃，历史最高气温39.5℃。常年降水量约1500 mm。降水量时空分布不均，不仅年际变化大，而且年内差异显著。春末夏初为梅汛期；夏秋季节常发生大暴雨，是形成流域大洪水的主要因素，如“620906”“630912”“880730”“890916”“970817”等，称台汛期；10月下旬～翌年4月称非汛期。

1.2 潮流特征

工程区域为钱塘江河口段，潮流为往复流，最大流速基本上出现在中潮位。潮流动力强劲、主流垂线平均最大流速与潮差、地形、径流等因素有关。根据2002年3月的实测资料，南股槽中沙以北区域涨潮垂线平均最大流速为2.96 m/s～2.98 m/s，流向281°～287°；落潮垂线平均最大流速3.27 m/s～3.43 m/s，流向84°～123°。

2 水闸工程设计

本工程位置应与一线海塘位置相协调，并做到平顺连接，闸中心线应与崧北河中心线一致，所在的虞北平原上河区中水位为（即正常水位）2.80 m。三号闸布置于堤内侧，为内凹式布置，闸与堤轴线距离约110 m，闸两侧堤线内凹。本工程建设需要破堤，长度306 m，新建及修复堤防连接段单侧长182 m。闸前大桥与现有钱塘江一线堤防顺直布置。三号闸闸前护塘河水系，西侧与现有护塘河沟通，东侧填筑封堵，经与管理部门沟通，护塘河东侧水系拟与新东进闸沟通，三号闸管理房布置于三号闸东侧。

2.1 水闸结构布置

2.1.1 水闸规模论证

在推荐的百崧河～崧北河规模基础上，进一步论证水闸的规模，本次拟定水闸比较方案如下：方案一，水闸4 孔×6 m，总净宽24 m，闸底高程-0.5 m；方案二，水闸6 孔×6 m，总净宽36 m，闸底高程-0.5 m。

经过计算各方案虞北平原各代表点20 a 一遇的水位见表1，各排涝闸20 a 一遇外排水量的统计见表2。

表1 百崧河～崧北河规模比较表（P=5%） 单位：m

表2 各方案排涝闸排水量统计 单位：万m3

由表1 和表2 可知，在推荐河道规模下，水闸规模的增加可一定程度降低虞北平原最高水位、增加总排水量：方案二较方案一，闸规模从4 孔×6 m 增加至6 孔×6 m，虞北平原上河区各代表站水位降幅0.00 m～0.03 m，平原总排水量增加285 万m3。水闸的建设新增了排水口门，增加虞北平原总排水量，但同时也会削弱其他口门排涝闸的排涝效益。综合虞北平原上河区高水位和平原总排水量的变化情况，推荐方案二，即水闸规模为6 孔×6 m，总净宽36 m，闸底高程-0.5 m。

2.1.2 闸室结构布置

（1）闸室及上部结构

水闸共6 孔，单孔净宽6 m。闸室为整体式，3 孔一连，中间设置缝墩。为保证闸下渗流的安全，在闸底板桩号0-002 及0-019 处，各设置钢板桩防渗墙一道，墙底高程均为-19.5 m。

（2）消力池

外海侧设二级消力池，其中一级消力池深1.75 m，池长25 m，尾槛顶高程-0.75 m；二级消力池深1.50 m，池长25 m，尾槛顶高程-2.50 m。

（3）海漫

自二级消力池出口桩号闸0+050～闸0+140.2 总长度约90.2 m，本段渠底保护段统称海漫，采用C35 钢筋砼底板。

2.2 设计计算

（1）闸顶高程计算

闸顶高程按《水闸设计规范》进行计算：

式中：ZP为闸顶高程，m；HP为两百年一遇潮位（最高挡水位）8.20m；hp为波列累积频率p的波高，1 级水闸，h1%=2.26 m；ΔH为安全超高，按规范，ΔH=0.5 m；hz为波浪中心线超出计算水位的高度；0.53 m。

经计算：Zp=8.20+2.26+0.53+0.5=11.49 m。

（2）过闸流量计算

过闸流量按照常规堰流公式计算：

式中：Q为排涝流量，m3/s；m为流量系数；B为闸室总净宽，m；H0为计入行进流速水头的堰上总水头，m。

计算结果见表3。

表3 闸下自由出流情况下的闸室排涝流量

（3）消力池后至钱塘江连接河段防冲设计

①防冲设计工况

内河设计水位3.47 m，过闸流量为476 m3/s，下游连接河段底高程由-2.50 m 渐变为-0.50 m，多年平均低潮位-1.66 m。

②海漫末端河床冲刷深度［1]计算：

式中：dm为海漫末端河床冲刷深度，m；qm为海漫末端单宽流量，m3/（s·m）；［v0]为河床土质允许不冲流速，粉砂土取0.2 m/s；hm为海漫末端河床水深，m。

经计算，在经过二级消力池消能后，海漫末端天然河床冲刷深度仍然达到18.91 m。

（4）闸下防渗设计

1）闸下防渗墙布置

本闸采用φ800C30 灌注桩作为闸室基础。闸室地基为粉土，在高程-18.0 m～-28.0 m 为淤泥粉质粘土，可视作相对不透水层。

为保证粉土地基的渗透稳定，在闸室连同两侧空箱式岸墙下设置上游、下游、左侧、右侧封闭式的防渗墙，桩号0-002 及0-019 处各设置钢板桩防渗墙一道，底高程为-19.5 m。闸室上下游铺盖及防渗墙不加入闸下防渗轮廓线。

2）闸下防渗墙结构方案型式选择

方案一：钢板桩防渗墙

①钢板桩防渗墙布置

本方案在闸室上游，桩号0-019 处设置钢板桩防渗墙一道，顶高程-1.5 m，底高程-19.5 m，同时在闸室下游，桩号0+002 处设置另一道钢板桩防渗墙，与上游防渗墙相同。

②钢板桩的耐久性

钢板桩处于与大气隔绝的地基（泥下区）中具有良好抗腐蚀性，腐蚀率采用每年每边0.05 mm，在设计使用年限50 a 内，双面总腐蚀量约为5.0 mm，在钢板桩的设计厚度内加以考虑。

方案二：高压喷射灌浆防渗墙

利用钻机把带有喷嘴的注浆管钻至土层预定深度以后，利用高压使浆液或水从喷嘴中喷射出来形成喷射流，来冲击破坏土层。当能量大、速度快的脉动状射流，动压力大于土层结构强度时，土颗粒便从土层中剥落下来。一部分细颗粒随浆液或水冒出地面，其余土料在射流的冲击力、离心力和重力作用下，与浆液搅拌混合，并按一定的浆土比例和质量要求，有规律地重新排列。浆液凝固后便在土层中形成固结体。固结体的形状和高压喷射流的作用方向、移动轨迹及持续喷射时间有关。当喷射流作35°摆喷时，固结体呈菱形，从而形成连续防渗体。

3）防渗墙结构方案比较

表4 防渗墙方案综合比较表

根据表4 可得，本工程推荐方案一作为防渗墙方案。

3 结语

2013年上虞撤市设区加快了上虞城市化的进程，使得该区域下垫面发生了较大的改变，特别是虞北平原滨海新城变化较大，地坪高程普遍抬高，用地类型发生显著变化，新东进闸实施导致的排水路径延长，均对排涝要求和排涝标准提出了更高的要求。崧北河综合治理工程的建设对满足城市化快速发展和产业发展规划的需要，完善钱塘江上虞区防洪潮能力，增加可利用土地、确保可持续发展以及保护重要基础设施等方面都将具有重要意义。