水闸安全等级评价中防洪标准的研究分析

葛平磊

中山市堤围管理中心 广东 中山 528400

1 工程概况

案例水闸位于中山市民三联围三角堤段西干堤，旧闸始建于1959年，后于1995年原址重建，是三角镇外江堤防上一座重要的中型水闸，主要功能为防洪(潮)、排涝，经历了几次大的台风暴雨，案例水闸成为所在区域防洪排涝体系的重要组成部分，为三角镇经济发展和人民生命财产安全提供了保障。水闸原设计按50年一遇洪水设计，设计洪水位为3.6m，设计排涝标准采用20年一遇，主要建筑物级别为3级。水闸共3孔，闸孔总净宽17m，闸底板面高程-1.4m。水闸外江为鸡鸦水道与黄沙沥水道交汇处，经过多年实际运行，水闸出现了运行安全问题[1]。

2 采用的重要水位资料

2.1 外河设计洪潮水位

外江（黄沙沥水道）的设计洪潮水面线，直接采用《关于发送珠江三角洲主要测站设计潮位复核成果协调会会议纪要的函》（珠水规计函〔2011〕321号）的成果，如表。

表1 外江设计洪潮水位

由上表可知，外江50年一遇洪潮水位位3.39m。

2.2 案例水闸特征潮水位

根据计算需要，通过水文站数据资料，现已整理2000～2019共计20年的实测外江水位资料，可推算案例水闸潮位值。

表2 案例水闸潮位特征值

2.3 内河水位以及各种工况下水位组合

根据中山市水务局文件《关于执行各联围内河最高运行水位及内河堤加高标准的通知》（中内河〔2015〕1号），并结合三角镇地面高程情况，保证镇内低洼地涝水能顺利排出，确定民三联围三角镇内河最高运行水位为1.50m。

各种工况下水位组合如下：

设计防洪工况：外河水位3.39m （P-2%外江潮水位）

内河水位：1.50m (内河最高水位）

正常运行工况：外河水位0.22m （外江多年平均潮水位）

内河水位：0.22m（外江多年平均潮水位）

校核工况：外河水位3.79（历史最高水位）

内河水位1.50m （内河最高水位）

3 防洪标准研究分析

3.1 设计洪峰流量计算

本次分别采用圈面积法、流量分配法以及水文模型法三种方法求得20年一遇洪峰流量，三种方法求得20年一遇洪峰流量分别为74.3m3/s，65.6m3/s，56m3/s。三种方法各有缺点，故结合实际情况，为安全起见，取三种方法的计算最大值即74.3m3/s作为设计洪峰流量成果。

3.2 堤顶高程复核

根据上述设计洪水工况，设计洪水位采用50年一遇洪水位3.39m，计算风速采用历年汛期最大风速平均值的1.5倍，中山市石岐站计算的历年汛期最大风速平均值是16m/s，计算风速为24m/s。堤顶超高以及风浪要素计算公式：

上述公式中，Y-为堤顶超高，Rp-为频率为P时的波浪爬高，e-为设计风雍增水高度，A-为安全加高值，为平均波高，为平均波周期，V-计算风速，F-风区长度，K-为综合摩阻系数，m-为斜坡坡率。根据上述计算公式和参数，堤顶高程结果如表：

表3 堤顶高程计算表

（续表）

案例水闸所在堤防已按30年防洪潮标准进行了达标整治。通过对水闸两侧堤防高程按50年一遇洪水水位加堤顶超高进行复核，得出堤顶高程如上表结果5.01m，而实际现状案例水闸左右岸堤顶高程分别为4.61m、4.52m，现状堤顶高程均不满足要求[2]。

3.3 水闸闸顶高程复核

《水闸设计规范》（SL265-2016）第4.2.4条规定，“挡水时，闸顶高程不应低于正常蓄水位或最高挡水位加波浪计算高度与相应安全超高之和”。同上，设计工况下设计洪水位采用50年一遇洪水位3.39m，计算风速为重现期为50年的最大风速28m/s；校核工况下洪水位采用历史最高潮水位3.41m，计算风速采用多年平均最大风速16m/s。有关计算公式如下：

上述公式中，Z-为闸顶高程，h0-为计算潮水位，A-为安全超高，hm-为平均波高，v0-为计算风速，D-为风区长度，Hm-为风区内的平均水深，Tm-为平均波周期，Lm-为平均波长，H-闸前水深，hp-为相应于波列累计频率p的波高，hz-为波浪中心超出计算水位的高度。根据上述计算公式和参数，闸顶高程结果如表：

案例水闸所在堤防为2级堤防，防洪标准为50年一遇，乌沙水闸段设计堤顶高程为5.01m，现状水闸闸顶高程为4.54m，由计算可知，水闸闸顶高程在设计工况和校核工况下分别为4.27m、4.46m，根据《水闸设计规范》中“位于防洪、挡潮堤上的水闸，其闸顶高程不得低于防洪、挡潮堤顶高程”，水闸闸顶高程不满足要求[3]。

表4 闸顶高程计算表

4 过流能力复核

根据《堤防工程设计规范》，水闸的过闸差值应该根据上游淹没影响允许的过闸单宽流量和水闸工程造价等因素综合比较选定，一般情况下，平原区水闸的过闸水差应采用0.1～0.3m。参考相关规范，结合本区实际情况，该水闸过流能力计算设计水位采用外江多年平均低潮水位-0.08m作为过流能力计算的边界条件。计算公式：

对于平底闸，当为堰流时，水闸泄流能力计算根据规范中的水力计算公式：

上述公式中：Q-为过闸流量，δ-为堰流淹没系数，ε-为侧收缩系数，B0-为闸孔总净宽，m-为堰流流量系数，hs-为由堰顶算起的下游水深，H0-为计入行近流速水头的堰上水深对于平底闸，当堰流处于高淹没度时，即hs/H00.9，水闸的过流能力计算公式：

表5 过闸流量计算结果

案例水闸20年一遇洪峰流量为74.3m3/s，由计算结果可知，水位差在0.1～0.3m时，水闸过流能力均小于20年一遇洪峰流量。根据《水闸安全评价导则》，结合水闸过流能力安全性、闸顶与堤顶计算分析，可定义案例水闸的防洪标准安全性等级为C级。

5 结束语

水闸安全综合评价包括结构安全、抗震、金属结构、渗流、防洪标准以及机电设备等安全评价，防洪标准复核评价只是其中部分内容，后期可根据《水闸安全评价导则》要求进行多方面综合分析，确定对水闸进行除险加固还是报废重建。在采取对应措施之前，都应制定应急预案，强化工程管理，做好工程监测和预警预报工作，确保运行安全。