中型水闸防洪能力复核分析

2022-12-02郭芮中山市堤围管理中心

珠江水运 2022年21期

郭芮中山市堤围管理中心

水闸是防洪保安全、水资源调控、蓄水灌溉的重要公共基础设施[1]，它主要利用闸门控制流量和调节水位[2]，在汛期的时候减轻或消除水旱灾害，保障人民的生命财产安全。经过多年的运行，因各水闸技术管理水平和维修经费等问题，得不到及时的水闸的防洪能力可能达不到设计标准，如果水闸防洪能力出现问题，造成的影响和损失将是巨大的[3]。为了了解水闸的防洪能力是否满足设计标准，对水闸的防洪能力进行复核。防洪标准复核应包括洪水标准、闸顶与堤顶高程、过流能力复核等[4]。本文选取中山市拱北水闸的防洪能力复核为例作为分析研究中型水闸防洪能力复核的基础，期待对其他水闸的防洪能力分析提供参考。

1.拱北水闸基本概况

拱北水闸位于横栏镇拱北河出口处，外临磨刀门水道，是中顺大围干堤四座中型水闸之一，该水闸的主要功能是防洪（潮）、排涝，兼顾引水灌溉。该水闸主要建筑物级别为1级，次要建筑物级别为3级。水闸总净宽56m，设8孔，单孔净宽7m，闸室段长度16m，闸底板面高程-2.2 m，闸顶高程5.55 m。

2.防洪标准复核

2.1 设计标准

拱北水闸原设计洪水标准为50年一遇，校核洪水标准为历史最高潮位，设计最大排水量为207m3/s，设计最大引水量为174m3/s。因拱北水闸原防洪（潮）标准低于规划防洪要求。

综合考虑，本次复核采用100年一遇设计，200年一遇洪（潮）水位校核；排涝标准为30年一遇最大24小时设计暴雨所产生的径流量1d排干不致灾。

2.2 设计洪水

2.2.1 外江设计洪水位

拱北水闸外江水位采用相应日多年平均水位，即1.22 m。

2.2.2 设计暴雨成果

采用图集法，根据广东省水文局2003年编制颁布的《广东省暴雨参数等值线图》查得中顺大围中心区域的各历时暴雨参数Ht和Cv，Cs取3.5Cv，在广东省水文局2003年编制颁布的《广东省暴雨径流查算图表》使用手册中查出各历时暴雨P=2%、P=3.33%、P=5%、P=10%对应的Kp值，再查出中顺大围各分区各历时的点面换算系数αt，求得中顺大围各分区不同频率的最大1小时、6小时、24小时和72小时的设计面暴雨值。拱北水闸所属分区为横栏主片区，横栏分区设计面暴雨成果见表 1。

表1 横栏分区设计面暴雨成果

2.2.3 设计洪水成果

参照珠江三角洲地区拟定扣损值及蓄滞水深经验值，中顺大围各分区的城镇道路扣损值为2mm/h，经济作物、山地扣损值为3mm/h，鱼塘、农田蓄滞水深为100mm。根据确定的损失值、蓄滞值和各分区地类面积，分别按30、20、10年一遇最大24小时设计暴雨，通过扣损法计算得横栏主片区的设计产水过程，见表2。设计洪水成果采用扣损法的计算成果，各集水区域设计洪水过程线按净雨过程线乘以相应地类面积再除以3600s 后累加得到。

表2 横栏主片区设计洪水计算成果

2.3 设计水位

2.3.1 内、外江设计潮位

拱北站内河2010年～2019年共10年实测最高水位资料，其中实测拱北水闸闸内最高水位0.7 m；拱北测站进行多年平均潮水位计算，由于地面沉降原因，导致了观测水尺下沉，观测值偏高，所以对拱北站点系列年特征水位均做了修正，即拱北站实测多年平均高潮位2.48m，年平均高潮位多年平均值0.63m。

2.3.2 外江设计水面线

外江设计水面线直接采用2003年的《中山市主要闸、涵设计洪潮水面线计算》成果。见表3。

表3 拱北水闸外江设计水面线

2.3.3 闸内设计水位

从长远角度考虑，结合各县、市治涝经验，排涝区内将来可能兴建大型排涝泵站，将会进一步降低闸内水位，经多方调查认为取0.30m较合适，但本次复核仍取内水设计水位为0.50m。

2.4 水闸过流能力复核

2.4.1 外江设计高潮位

根据遭遇分析结果，中顺大围内河洪水与外江洪（潮）水遭遇是随机的。依据有关文件，外江水位一般根据之前实测资料分析涝区暴雨与外江水位的遭遇情况，合理确定各有关水位，据此求出设计、最大、最小扬程；若无实测资料，潮区可采用五年一遇的最高水位为上水位、其余地区可采用外江多年平均洪峰水位为上水位。

2.4.2 水闸规模复核工况

水闸过流能力标准为30年一遇，水位主要受内洪控制，综合考虑充分发挥水闸的自排功能，采用外江年平均高潮位多年值相应的潮位过程。

2.4.3 雨峰与洪峰遭遇

横栏片区南、北、东均为整体片区所包，西侧为外江，其水文条件与整体片区基本一致，故遭遇标准取与整体片区相同，拱北水闸为横栏主片区规模最大水闸，故峰峰相碰取围内雨峰碰拱北闸外潮峰。

2.4.4 外江设计潮位过程

按照高潮位相接近的原则，选择典型潮位过程作为排涝计算下边界条件。经对比，计算时选用2011年5月24日拱北水闸外江潮位过程作为典型潮位过程。

2.4.5 整体片区排涝计算方法

采用一维河网潮流数学模型，进行调蓄演算，调蓄演算的计算原则是：按围内30年一遇设计洪水过程的洪峰与外江相应日多年平均洪（潮）水位（拱北1.22 m）的设计潮型过程的最高水位峰峰遭遇的最不利情况考虑计算。依据各分区地面高程、河涌堤顶高程和河涌安全等因素综合确定控制水位，拱北水闸各相关特征水位为起排水位0.3m、最低水位0m、最高控制水位1.3m、外江最高水位1.22m。

2.4.6 水闸过流计算

水闸过流能力复核计算根据《水闸设计规范》（SL265-2016）、《水力计算手册（第二版）》等进行计算。实测闸底板高程为-2.20m，闸孔总净宽56m。

2.4.7 水位～涌容关系

根据测量资料及区域排涝规划成果，得到拱北河的水位～涌容关系，见表4。

表4 拱北河的水位～涌容关系

2.4.8 调蓄演算成果及水闸过流能力复核

考虑排涝规划提出的水闸规模扩建方案实施后的前提下，对该排涝分区进行调蓄演算，30年一遇设计洪水过程，调蓄计算结果见表5，内河最高水位为1.26m，对应外江最高水位为1.22m。

表5 调蓄演算计算结果

排水工况，内河最高水位为1.26 m；引水工况，在闸内外相同水头差的情况下，内河水位越低，引水流量越小，按闸内水位达到内河最低控制水位0.0 m开始复核引水最不利，依据《水闸设计规范》（SL 265-2016）“平原区水闸过闸水位差可采用0.1～0.3 m”复核水闸过流能力，经计算均为高淹没堰流，成果见表6。

表6 拱北水闸过流能力计算成果

拱北水闸设计最大排水流量为207m3/s，当围内遭遇30年一遇设计洪水过程，内河最高水位为1.26m时，在过闸水位差为0.10 m、0.20 m、0.30 m 时的过闸流量分别为258.31m3/s、348.03m3/s、406.28 m3/s，满足设计泄流能力207m3/s的要求。拱北水闸设计最大引水量为174.8m3/s，引水工况下在过闸水位差为0.11 m、0.20 m、0.30 m时的过闸流量分别为175.28 m3/s、231.38 m3/s、318.36 m3/s，满足设计引水流量要求。