滨海山丘区挡潮排涝水闸设计规模论证

鲍文安，郭攀攀，郝青芳

（1.福州市长乐区水利局，福建 福州 350200；2.河海大学设计研究院有限公司，江苏 南京 210098）

1 工程概况

洋屿港水利枢纽位于福州市长乐区下洞江出口处，始建于1994 年，是一座以挡潮防洪排涝为主，兼有灌溉、通航等功能的综合利用的水利工程。水闸控制流域面积约30.7 km2，为滨海低山区地形，山丘面积约22.4 km2，平原面积约8.3 km2。经安全鉴定，须对水闸部分拆除重建，并复核论证水闸规模。

新建水闸与洋屿防洪堤形成封闭防洪圈，共同防御闽江洪潮，设计防洪（潮）标准为50 a一遇，水闸级别为2 级。所在下洞江流域排涝标准取20 a 一遇设计暴雨与闽江设计潮型组合不受涝。

2 计算方法

根据《水闸设计规范》（SL265-2016），挡潮水闸的闸孔总净宽应按最不利洪潮组合及潮型，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，经调节计算确定。

蓄排计算是排涝规划和排涝工程设计的核心，按照排涝标准、设计洪水、设计潮型采用一定方法计算涝区内涝水位、排涝流量等，确定水闸、泵站等治涝工程规模。排涝计算方法主要有调蓄演算法和非恒定流计算法。本文所研究的下洞江流域河道单一，唯一排外出口为洋屿港水闸，采用传统的调蓄演算法滑动试算。

调蓄演算法以水量平衡方程式为基础，根据设计洪水过程、典型潮位过程、水闸过流方程式和河网调蓄容量曲线进行逐时段调节试算，可计算出闸前设计水位和水闸泄流过程，再按照上游河道洪峰流量、糙率、长度、断面尺寸等参数推求河道水面线，从而判断是否满足排涝标准。该方法不计入沿程流速变化、动态蓄量的影响以及洪水汇入处至排涝出口间的行洪时间，一般应用于表格手算，计算结果存在一定误差。

水量平衡计算方程式如下：

式中：ΔW为计算时段△t 内涝水量变化值（m3），ΔW=W2-W1，W1、W2分别为计算时段Δt始、末的河网蓄水量为计算时段Δt内平均涝水流量（m3/s），=(Q1+Q2)/2，Q1、Q2分别为计算时段Δt始、末的入河网流量；Σq排为各排涝设施Δt内平均排水流量（m3/s）；Δt为计算时段（s）。

洋屿港水闸内江水位受闽江潮位影响，需内外联动进行调洪演算。闽江口为强潮陆相河口，潮型为规则半日潮。当内江水位高于闽江潮位时开启闸门排水，当闽江潮位高于内江水位时关闭闸门挡水，内江水位逐步升高，以0.5 h为时段进行滑动调洪试算，通过分析比较，选取最不利条件下的内江水位作为洋屿港闸内江侧设计洪水位。

3 案例分析

3.1 设计洪水

下洞江流域地形以山丘区为主，洪水峰高、量小、历时短，与平原水网地区的洪水特点相反。经计算，各频率设计洪水详见表1。

表1 下洞江流域各频率设计洪水统计

3.2 设计潮型选择

洋屿港水闸位于下洞江出口，地处闽江下游感潮区，受闽江径流、外海潮流和设计暴雨的多重影响，常遭遇“洪水、高潮、暴雨三碰头”现象，设计潮型应选择工程区最高高潮位与闽江洪峰流量遭遇时的潮型，高、低潮位选用多年平均最高潮位的均值和日低潮位的均值作为可能出现的最不利潮型，设计潮型潮水过程线如图1所示。

图1 设计潮型潮水过程线

3.3 方案拟定

（1）闸底高程。设计闸底高程维持现状-2.70 m，与下洞江河底高程相近，不作比选。

（2）水闸宽度。水闸上游河道平均过水宽度约88 m，扣除船闸部分可利用宽度约66 m，比选以下几种方案，即方案1：水闸净宽60 m（6 孔×10 m），闸底高程-2.70 m；方案2：水闸净宽48 m（6 孔×8 m），闸底高程-2.70 m；方案3：水闸净宽45 m（9孔×5 m），闸底高程-2.70 m；方案4：水闸净宽36 m（6孔×6 m），闸底高程-2.70 m。

3.4 排涝计算

经分析，闽江侧多年平均高潮位3.43 m，下洞江侧正常蓄水位2.17 m，汛期预降水位0.97 m。根据调洪演算，洋屿港水闸各宽度过流能力计算成果详见表2。

表2 洋屿港水闸各宽度过流能力计算成果

3.5 方案比较

结合类似工程经验，闸孔总净宽的选择主要考虑以下几个因素。

（1）满足流域防洪排涝需要。下洞江沿岸的平原区地势低洼，极易受涝，水闸宽度应满足行洪要求，并尽量降低闸上水位，防止城区受淹，宜选择方案1和方案2。

（2）与河道规模相匹配。河道规模与所在流域面积成正比，河道最小宽度应能通过设计洪峰。水闸宽度越大，过闸流量越大，河道流速也越大，可能对上游河道造成一定冲刷。参考《水闸设计规范》，水闸宽度与河道宽度成一定比例，常用闸宽比为0.6~0.8，经济效益最佳，宜选择方案2 和方案3。

（3）选择合适的过闸水位差和单宽流量，满足消能防冲要求。水闸上下游水位差越大，过闸流量越大，单宽流量也越大，对消能防冲的要求越高。根据《水闸设计规范》，平原区水闸的过闸水位差一般采用0.1~0.3 m，符合条件的有方案1和方案2。

水闸宽度越小，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，不利于水闸安全泄流。根据沿海地区水闸建设经验，过闸最大单宽流量宜控制在12 m2/s 以内，宜选择方案1和方案2。

（4）水闸规模应经济合理。水闸宽度达到一定规模后，若进一步扩大水闸总宽，闸上水位降低幅度会逐步减小，但水闸投资增加较多。水闸规模宜选择水位降幅曲线的拐点处，规模与效益达到最佳效果。当洋屿港水闸宽度达到48 m，水闸进一步扩宽，水位降低但幅度有限，而投资增加较多。

综上分析，推荐选用方案2，即水闸总净宽48 m。

3.6 类似工程对比

选取相关指标，与长乐地区类似水闸进行对比分析，详见表3。

表3 类似水闸工程规模对比

经对比，挡潮排涝水闸的规模与汇水面积、水面率等成正比，本水闸所在下洞江流域的汇水面积小、水面率低、山丘区占比大，河网基本无槽蓄容量，计算水闸宽度较大，设计过闸流量大于洪峰流量，对行洪河道和消能防冲设施要求较高。

4 结语

本文结合案例分析，总结滨海山丘区挡潮排涝水闸设计特点如下。

（1）平原区的洪水一般洪峰较小、洪量较大、历时较长，平原河网采取蓄泄兼筹措施，水位涨幅较慢，排涝水闸宽度相对较小；山丘区的洪水特性与平原区相反，行洪河道水位上涨幅度较快，宜选取较宽的水闸，加快排水速度，减少壅水。

（2）平原地区的挡潮排涝水闸，河网调蓄能力较大，设计过闸流量一般小于洪峰流量，河网水位与调蓄容量相关；而山丘区的挡潮排涝水闸，受地形条件限制，上游河道调蓄容量有限，洪水宜快速排出，一般设计过闸流量大于洪峰流量，上游河道水位主要受洪峰流量影响，对消能防冲要求更高。

（3）设计过闸流量受潮位影响，当上下游水头差较大时，单宽流量增大，对水闸消能防冲要求提高；行洪河道流量增大，流速加大，极易造成上下游河道冲刷，应控制闸门开启高度，维持河道不冲流速。

（4）对洋屿港水闸的规模分析表明，水闸改扩建后，对上游河段的水位降低较为明显，城区段洪水位可降低约72 cm，达到20 a一遇排涝标准要求。