闸前调蓄湖体型对水闸排涝能力的影响研究

包纯毅，韩晓维，胡淑静，王 斌

（1.浙江省水利水电勘测设计院有限公司，浙江 杭州 310002；2.浙江省水利河口研究院（浙江省海洋规划设计研究院），浙江 杭州 310017；3.浙江省河口海岸重点实验室，浙江 杭州 310017）

0 引 言

平原河网地区对社会经济的发展具有举足轻重的作用。平原河网地区地势平坦、河网纵横、水资源丰富，历来是国家最重要的社会财富聚集区。以浙江省为例，平原河网区面积占全省的15%，国土面积分布着近50%的人口、70%以上的产业，在全省经济社会发展中具有举足轻重的地位[1]。

平原河网地区在防洪方面存在的共性问题就是防洪排涝减灾压力大[2]，洪涝灾害频繁，制约着平原地区社会经济可持续发展。比如2013年受“菲特”台风影响，宁波市余姚城区70%以上城区被淹，全市21个乡镇、街道均出现灾情，有145个行政村（社区）被围，受灾人口832 870人，房屋受损25 650间，转移人口61 665人，全市直接经济损失高达206.5亿元。又如平阳县水头镇，几乎每年遭受洪涝灾害，“菲特”台风时平阳全县受灾人员达63万人，10个乡镇全面断电，公路中断5条次，水利堤防损坏98处，堤防决口42处，全县直接经济损失达19亿元。提高平原河网口门附近闸站的排涝能力可直接改善平原河网区域的受灾程度。由于水闸排涝能力较泵站大，且更为经济灵活，因此如何提高水闸在有限排涝时间内的排涝效果具有更大的研究价值。

平原河网水流运动复杂，水闸排涝效果影响因素很多，包括上游来水、下游潮位（或外江、湖水位）、闸前河道规模[3-4]、建筑物布置等因素影响。其中上下游水位条件非人为控制，因受制于土地价值及政策处理等难题，闸前河道规模难以明显增大，因此调整建筑物布置可以有效改善排涝能力。包中进等[5]结合浙江省义乌市双江水利枢纽工程，提出闸前设置调蓄设施具有减小闸前河道流速、减缓水力坡降的作用，可充分有效发挥水闸排涝功能。本文从闸前设置不同形式调蓄设施对排涝能力的影响进行研究，成果可供工程设计和应用参考。

1 长直河道沿程水力坡降分析

平原河道内在恒定流条件下满足伯努利方程（Bernoulli's Equation），见式（1）：

式中：Z2，Z1分别为上下游断面的河床底高程，m；h2，h1分别为上下游断面水深，m；a1，a2分别为上下游断面的动能修正系数；v1，v2分别为上下游断面的平均流速，m/s；g为重力加速度，m/s2；he为2个断面间的水头损失，m。

在恒定渐变流中，上下2个断面的比能满足微分方程，见式（2）：

式中：Es为断面能量，m；s为水流流程，m；i为断面的底坡坡降；J为断面的水力坡度。

对式（1）及式（2）进行推导，可以得到棱柱形明渠中的恒定渐变流的水面比降变化率，见式（3）：

式中：h为断面水深，m；C为谢才系数，m0.5/s；R为断面的水力半径，m；A为断面的过水面积，m2；n河床糙率。

由于平原河网底坡变化极缓，因此i≈0，由式（3）和式（4）可以推导出，在不考虑局部水头损失的情况下，河道沿程水面比降为：

从式（5）可以看出，河道水面的变化率与多个因素有关，包括糙率、流量、水深、断面宽度等。

例如，当断面水深2 m，糙率取0.025，不同流量及河道宽度时的水面比降见图1。

图1 不同断面流量水面比降变化图（h=2 m，n=0.025）

从图1可知，在一定的水力条件下，当断面宽度小于一定尺度后，水面比降突变，产生上游水位仍然较高，而下游水位已经“见底”这类现象。同时，河道底宽的大小也和设计排涝流量有关，当设计排涝流量较大时，所需要的河道底宽也越宽。为保证闸前水位与内河水位差较小，同时避免闸前冲刷，应该适当扩大闸前河道规模。

2 研究方法

2.1 模型介绍

采用平面二维数学模型开展研究。该数学模型采用基于三角形网格的有限体积模式，具有网格布置灵活、局部加密方便、适用性强、模拟水闸、泵站等泄水建筑物等特点，已成功应用于钱塘江、瓯江口以及舟山等沿海地区的围垦和防洪排涝工程研究中，取得一定成果。

2.2 模型范围

以典型平原水闸为例，取闸室净宽36 m，上游河道净宽55 m，闸底板和河道底板高程均为0.0 m，下游接外江。上游河道长度约2.5 km的模型，河道模型糙率取0.02。模型范围见图2。

图2 数学模型计算范围图

2.3 边界条件

模型上游边界条件为流量边界，模拟过闸单宽流量10（m3/s）/m，折算至模型为360 m3/s。模型下边界为外江潮位，取2.0 m，闸门不控制，确保形成自由流。计算时间4 h，确保计算稳定。

2.4 研究方案

根据排涝机理研究，发现限制平原地区水闸排涝效率的主要因素是上游河道水动力不足，且存在闸前河道防冲问题，针对该问题，拟对平原河道水闸闸前设置调蓄湖，并对6种闸前调蓄湖形状方案进行比较，提出较为合理的平面布置形式。

为了节省土地，尽量控制调蓄湖规模不超过原有河道2倍面积。闸前调蓄设施的主要布置形式包括直线方案（常规方案）、橄榄形、扁矩形、顺梯形（逐渐收缩）、倒梯形（逐渐扩大）、宽矩形等，各方案布置见图3，参数见表1。

图3 闸前不同形式调蓄设施示意图

表1 不同方案参数一览表

3 研究结果及分析

3.1 不同调蓄湖体型沿程水面线分析

为探明不同调蓄湖体型排涝条件下，沿程水位的变化情况，沿河道中心线选取典型位置进行比较。以直线方案为基准，不同方案与直线方案沿程水面线对比见表3和图4。

图4 各方案与直线方案的沿程水位差图

表3 各方案沿程水面线变化对比表 单位：m

续表3

计算结果表明：

1）当闸前设置调蓄湖泊后，相对于常规的直线方案，湖泊段水位存在明显的抬高，流速减小，保证了闸前的过流能力，且有利于闸前河道防冲；

2）在湖泊上游段，相对于常规的直线方案，除了矩形和正方形外，其余方案均有所下降，其中橄榄型方案相对效果最好，水位最大降幅达到5 cm左右。表明在橄榄型湖泊设置后，对降低上游水位效果最好，可以更为迅速地进行排涝。

3.2 不同调蓄湖体型排涝流态分析

不同调蓄湖泊形状排涝过程中流态存在一定差异，各方案水流流态见图5。从流态来看，若上游河道（或水闸）与湖泊衔接处存在突扩（突缩），水流无法平顺衔接，若湖泊对称布置时，湖内两侧存在较为明显回流并挤压中间主流，水流流态相对较差。橄榄型方案由于其上下游衔接较为平顺，水流能够自然扩散及收缩，湖泊内的水流分布比较均匀，流态相对较好。

图5 各方案闸前流态示意图

综合不同排涝设施的沿程水面线及流态，本研究提出橄榄型方案作为快速排涝新技术中的调蓄湖设施的推荐体型。

3.3 橄榄型调蓄湖计算公式

通过系列研究，得到最佳调蓄湖设置体型的计算公式如下：

式（6）～ （9）中：q为单宽流量，（m3/s）/m；S河为同等长度的河道面积，m2；S湖为调蓄湖面积（包含该段河道面积），m2；R为调蓄湖岸边线圆弧半径，m；L为调蓄湖所在的河道长度，m，可根据实际地块长度确定，L=10B；θ为调蓄湖两侧圆弧及半径组成夹角的一半，°；B为上游河道宽度，m；b为水闸宽度，m。调蓄湖布置时，其上游连接翼墙可设置为圆弧或直线连接，图6中的标识6若为直线连接时，其扩散角不宜超过12°。

图6 闸前橄榄型调蓄湖工程布置示意图

4 结 语

通过对平原河网排涝闸的排涝机理分析，为了避免闸前河道冲刷，提高排涝能力，闸前河道规模达到一定规模或者设置调蓄湖，由于平原地区土地资源价值较高，设置调蓄湖较扩大河道规模更具有操作价值。本文分析对比了6种调蓄湖的体型对排涝能力的影响，推荐橄榄型调蓄湖设置，可以有效避免闸前河道冲刷、提高排涝能力，橄榄型调蓄湖设置计算成果可供规划设计参考应用。