上海地區排澇水閘合理規模的探討

王 芳

（上海市水務規劃設計研究院 上海 200233）

上海地區排澇水閘合理規模的探討

王 芳

（上海市水務規劃設計研究院 上海 200233）

排澇水閘是平原河網地區重要的排澇設施，對于城市水安全具有重要的作用，上海地區的排澇設施一般需經過規劃和設計兩個階段。本文通過對影響水閘規模的因素進行分析，結合工程實例，對不同階段在確定水閘規模時需注意的問題進行探討。

排澇水閘 單寬流量 不沖流速 閘寬/河寬比

上海位于長江下游的平原河口地區，河網水系密布，全市共有水閘2000多座，其中沿江沿海水閘就有近70座。這些水閘是地區排澇的重要設施，對于城市水安全具有重要的作用，合理的水閘規模和布局對于城市的排澇能力至關重要。近年來，許多城市內澇不斷，嚴重影響了城市的正常運行和人民生命財產安全，因此有必要更加重視城市的排澇設施規劃和建設。

上海地區由于城市總體布局的需要和建設用地的限制，排澇設施的規模一般需經過兩個階段論證后確定，首先由城市規劃和除澇規劃階段確定排澇設施包括水閘的布局和規模，然后工程設計階段在規劃的基礎上再進行復核優化。由于規劃階段側重于地區除澇設施的總體布局，而工程設計階段重點研究的是某一個單體的水閘，兩者關注的影響因素不同，如果不能很好的銜接，有可能導致確定的水閘規模不合理。本文將結合工程實例，對影響水閘規模的一些因素和不同階段需注意的問題進行探討，對其他城市的排澇設施規模也可起到一定的借鑒作用。

1 規劃排澇流量和設計排澇流量的關系

水閘規模一般根據排澇流量而定，平原地區水閘的流量是隨下游水位（或潮位）的變化過程而不斷變化的，受閘下水位的影響較大。除澇規劃階段，一般是在河網水系布局、下墊面構成等基本確定的基礎上，規劃人員按照排澇標準相應的暴雨雨型及相應潮型，擬定多方案的排水口門布局和規模，通過河網水動力模型計算，分析該地區河網的水位變化過程和分布，與目標值進行分析比較后，確定相應的排澇布局和規模，并以各排水口門的排澇過程，取其中的最大流量作為規劃流量。

工程設計階段，水閘的規模首先應滿足規劃排澇流量的要求，如果水閘的設計流量小于規劃所需的排澇流量，則將造成內河水位抬高，雨水排水不暢，嚴重時將形成內澇。

但是，在規劃階段，為確保城市安全，一般選取的閘下游河道潮型是對于排水較不利的典型工況，由此計算出的排澇流量可能偏小。而水閘在實際運行中，經常會出現排水條件好于規劃的情況，此時為了盡快緩解澇情，應按照盡可能多排水的原則，加大排澇流量。因此工程設計階段除了滿足規劃要求外，還應綜合考慮河道的規模、抗沖能力、水閘消能工布置等因素，盡可能發揮水閘的排澇作用。

以不同閘址的排澇水閘為例，圖1是黃浦江某支流口門處水閘下游不同時段的潮位過程。圖

中分別是除澇規劃采用的計算潮位、海葵臺風期間的實測潮位和汛期正常天氣條件下某一時段的實測潮位。可以看出：除海葵臺風等極端天氣時的潮位高于規劃計算潮位外，常規天氣條件下，低潮位和平均潮位均小于規劃計算的潮位，排水條件好于規劃情況。

圖2、圖3分別是長江和杭州灣沿岸某支流口門處的潮位過程，可以看出，海葵臺風期間的實測潮位略高于規劃潮位，兩者比較接近，常規天氣條件下，低潮位和平均潮位均小于規劃計算的潮位，排水條件好于規劃情況，與圖1相似。

另外，由于三個水閘所處的位置不同，同樣標準下的規劃潮型低潮位差異較大，杭州灣的低潮位最低，長江口次之，黃浦江最高，這就導致三個閘的排澇條件不同，規劃確定的排澇流量差異也較大。

圖1 黃浦江某排水口門不同時期排水過程對比圖

圖2 長江沿岸某排水口門不同時期排水過程對比圖

圖3 杭州灣沿岸某排水口門不同時期排水過程對比圖

圖1所示黃浦江支流的水閘，規劃階段確定閘寬為26m，規劃計算的排澇流量為138m3/s，單寬流量僅5.31m3/s.m，這是由于下游潮位頂托、上下游水位差很小導致的。而水閘理論計算的最大過流能力可達421m3/s，設計階段通過對河道規模和流速、水閘布置等綜合分析，最終確定閘寬不變，設計排澇流量加大至190m3/s。同時，如實際運行中出現下游水位低、過流量大于設計流量的情況，則需調節閘門開度對過閘流量進行控制，避免造成沖刷破壞。

圖2所示長江口支流的水閘，規劃閘寬為10m，相應排澇流量100m3/s；圖3所示杭州灣支流的水閘，規劃閘寬為60m，相應排澇流量650m3/s。由于這兩座水閘規劃計算的排澇流量本身就比較大，單寬流量已達到10m3/s以上，所以工程設計階段通過復核分析，設計流量與規劃流量基本相當。

排澇流量還需要考慮與水閘的消能防沖設施相適應。根據上海地區的部分工程實例，單寬流量為7~12m3/s時，只要避免在下游低潮位的極端工況時開啟閘門，一般工況條件下消力池結構布置和經濟性均較合理，此時對于地基條件和施工難度也較為適中。

綜上所述，工程設計階段既不能簡單的以規劃確定的排澇流量作為水閘的設計流量，也不能簡單地加大設計流量，而應該在了解規劃意圖和邊界條件的基礎上，綜合考慮各種影響因素后合理確定。筆者認為，上海地區的排澇水閘大致可分為兩類，一類是黃浦江中上游兩岸支流和各水利片的控制水閘，這些水閘上下游水位差較小，排水受下游水位頂托影響較大，設計流量應在規劃的基礎上盡可能放大；另一類是長江、杭州灣沿岸支流的水閘，這些水閘潮差較大、低潮位較低，排澇條件較好，設計流量較規劃流量相當或略有放大即可。

2 水閘規模與河道規模的關系

確定水閘規模需要考慮的另一個因素是要與所在河道的規模相匹配。首先，為了有利于水流流態、水閘與河道的連接布置，要考慮閘寬與河道寬度的比例，《水閘設計規范》條文說明中建議的比值為0.6~0.85。但除此之外，還要考慮河床在不超過地質條件允許的不沖流速情況下的過流能力，如果水閘流量過大，則可能造成河道的流速過大，引起河床沖刷破壞，進而影響水閘的安全。

對于以土質河床為主的河道，允許不沖流速較小，上海地區的河道大部分允許不沖流速在0.6~0.8m/s之間。排水河道要素可以概括為：河底寬30~100m，河底高程0.0~-2.0m，邊坡1:2~1:3，最高水位3.5~3.75m。本文以上海地區常見的河道要素為例，根據不同河道寬度對應的過流能力，對不同閘寬/河寬比與單寬流量的關系進行對比分析，表1是按照河床流速0.8m/s，高水位3.5m時，不同河道寬度的試算結果。

從表1可以看出：不同寬度的河道，當閘寬/河寬比一定時，過流能力對應的水閘單寬流量變化不大；但河道越深，相應的單寬流量越大。因此，再選取某一河道寬度進行對比。

圖4是以河底寬50m、河底高程-2m為例，計算得出的不同抗沖流速時，閘寬/河寬比與單寬流量的關系曲線。圖中可以看出，當河道流速0.8m/s時，河道流量為268.47.3 m3/s，此時如閘寬/河寬比取0.6，水閘的單寬流量僅為7.3 m3/s.m。

通過計算分析可以看出，在確定排澇水閘的規模時大致可分為以下幾種情況：（1）地質條件較差，河床允許不沖流速較小，且排水條件較好的地區，閘寬/河寬比宜取較小值，水閘寬度適當縮窄，否則為保護河道免受沖刷，需限制水閘的單寬流量在較小的范圍，既造成工程浪費，也給今后的運行管理帶來不便。（2）地質條件較差，排水條件也較差的地區，水閘單寬流量不是受地質條件所限，而是受下游排水條件控制，此時水閘寬度應盡量放大，需取較大的閘寬/河寬比值，如前文提到的黃浦江支流水閘就是如此。（3）當地質條件較好、允許不沖流速較大的河道，則水閘寬度可適當放大。

筆者認為，針對上海地區河道地質條件較差、水深較淺的特點，排澇水閘的閘寬/河寬比除參照《水閘設計規范》的建議值外，下限可放寬到0.4~0.5，此時通過合理布置河道與水閘的連接段解決閘寬/河寬比偏小的不足。同時在規劃階段應根據不同排水條件，分區域確定閘寬/河寬比的取值原則，在此基礎上確定水閘的具體規模。

但是，對于某些特別重要的排澇口門，必需

確保水閘的排澇流量才能滿足地區的排澇安全，而排澇流量又超過河道不沖流速的情況下，則應以充分發揮水閘功能、保證排澇安全為前提，可通過對河道護砌或擴大河道規模等工程措施，解決抗沖能力不足的問題。

此外，有些地區為增加水動力，需設置排澇泵站，當泵閘合建時總的建筑物寬度將遠大于單閘的寬度，此時從泵閘與河道的連接布置以及兩岸用地等方面考慮，水閘的寬度宜適當縮窄，閘寬/河寬比可取較小值。

圖4 閘寬/河寬~單寬流量關系圖

表1 河道過流能力和水閘單寬流量計算對比表

3 閘寬和閘底高程的關系

水閘寬度和閘底高程是兩個相互關聯的要素，也是確定水閘規模時必需考慮的。眾所周知，當上下游水位相同的情況下，閘底高程越低，水閘的過流能力越大，同樣，當設計流量一定時，閘底坎高程定的越低，則所需閘孔寬度越小。表2是某工程實例，對閘寬不變、不同閘底高程時，根據理論公式試算的過閘流量的計算結果。從表2可以看出，閘底高程降低50cm，單寬流量平均可增加約15%左右。

但閘底高程也并非越低越好。一方面，如果閘底高程定的過底，當上下游水位差較大時，為了避免流量過大造成上下游沖刷破壞，需限制閘門開度，給運行管理帶來不便；第二，需增加閘門高度，增加設備投資，還有可能造成閘底坎淤積；第三，將增加施工難度。

因此，在規劃階段首先要根據排水條件選取合適的閘底高程。對于上海地區的水閘同樣可分為兩類，一類是黃浦江中上游兩岸支流和各水利片的控制水閘，上下游的水位差較小、排水條件較差，閘底高程應適當降低，可以與河底高程相同，從而加大過閘流量；另一類是長江、杭州灣沿岸支流的水閘，排水條件較好，應適當抬高閘底高程，可高于河底50~80cm左右，既避免了流量過大對河道造成沖刷，又保證一定的水閘寬度，使閘寬和河寬達到適當的比例，還可以減小閘門高度。

工程設計階段，在規劃確定的水閘規模基礎上，根據場地條件、地質、施工及工程造價等因素進一步分析，在保證水閘排澇流量情況下，可對閘寬和閘底高程進行適度調整。

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.07.003

TV66

B

1672-2469(2014)07-0011-04

王芳（1962年—），女，高級工程師。