沿海擋潮排澇閘閘孔寬度計算

孔 艷，顏 建，孫佑祥，杜寶義

(1.連云港市市區水工程管理處，江蘇 連云港 222003；2.連云港市水利規劃設計院有限公司，江蘇 連云港 222003)

沿海地區擋潮閘閘孔總凈寬的確定既受上游來水、河道蓄水的影響，又與閘下潮位漲落情況有關，目前尚無標準計算方法，通常采用半日河川水庫動態水量平衡演算的方法計算[1]。

半日河川水庫法是將閘上河床看成是臨時調節的水庫，當漲潮且潮水位高于內河水位時，關閘擋水，上游河道仍舊不斷來水，蓄于閘上的河槽中，閘上水位隨著來水上漲；當落潮且潮水位低于內河水位時，開閘排水。隨著每次潮水位的漲落，水庫進行一次調節。每次潮水漲落約為半日，故稱其為閘上半日河川水庫。

半日河川水庫法根據擋潮閘的控制特點，利用簡化的變量流動力平衡方程式和連續方程式逐段地計算過閘流量及河網內各地流量隨外河潮水位變化在時段內的水力參數[2-3]，這種計算方法比較簡便，但需將閘上河網看成河川水庫，并不計上下游水位差，不符合客觀實際，計算結果存在一定誤差。

本文以連云港市某沿海擋潮閘為例，采用丹麥水力科學研究所(DHI)開發的Mike11計算軟件建立了一維非恒定流水動力學數學模型，并從“滿足區域排澇要求、考慮水閘消能防沖要求、采用經濟合理的規模、與河道規模相匹配”等方面綜合分析，經比選確定最終方案，取得了合理的結果。

1 工程概況

連云港市某擋潮閘于1972年建成，原設計共5孔，每孔凈寬5m，閘底板頂高程-2.5m，設計流量159 m3/s，是閘上河道唯一的排水入海口門，兼具擋潮排澇蓄水等功能。該閘原設計排澇標準為5a一遇，設計排澇流量159m3/s。隨著近年來城市的發展建設，該閘排水范圍內鹽田、魚塘、農田等相繼轉化為城市建設用地，排澇標準也提高到20a一遇，經計算閘上20a一遇設計排澇流量為259m3/s，現狀該閘過流能力已嚴重不足，加之安全鑒定所呈現的其他工程問題，亟需對該閘進行拆除重建。

2 水利計算模型

本次采用非定常水動力學模型的控制方程一維非定常水動力學模型，使用丹麥水力科學研究所(DHI)開發的Mike11計算軟件建立了水利計算模型。一維非恒定流動方程組如下：

(1)

+qi(u-u0)

(2)

式中，Z—斷面平均水位，m；Q—斷面流量，m3/s；A—斷面面積，m2；u—斷面平均流速，m/s；C—謝才系數；q—單位河長上的支流流量。

定解條件包括水流的初值與邊界值。

水流初始條件：t=0，Z(x，t)=Z(x，0)，Q(x，t)=Q(x，0)。

邊界條件：當x=0時，Z(x，t)=Z(0，t)；當x=L時，Z(x，t)=Z(L，t)。

3 擋潮閘閘孔總凈寬確定因素

根據SL 265—2016《水閘設計規范》，擋潮閘閘孔的總凈寬應以可能出現的最不利潮型作為設計潮型，并考慮上游河道調蓄能力、潮汐河口回淤對擋潮閘泄流的影響等因素按水庫調節計算確定[4]。結合類似工程經驗，擋潮閘閘孔總凈寬主要考慮以下幾方面的因素。

(1)滿足區域排澇要求。根據城市防洪規劃，規劃工況下該閘閘上河道排澇最高控制水位為2.90m，該閘所在排水片內排澇最高控制水位為3.03m[5]。因此，該閘所在排水片水利計算按規劃工況下該閘閘前排澇水位不超過2.90m且排水片內排澇水位不超過3.03m控制。

(2)考慮擋潮排澇閘消能防沖要求，選擇合適的過閘單寬流量。閘寬越小，對河道束窄越大，過閘單寬流量越大，水流流態越不穩定，對水閘消能防沖要求越高，同時對水閘安全泄流也不利。根據該閘所處地基條件及目前水閘建設經驗和相應技術水平要求，水閘最大單寬流量宜控制在12m3/s以內。

(3)水閘規模應經濟合理。水閘規模達到一定程度后，若進一步擴大水閘規模，閘前河網水位降低幅度會逐步減小，水閘規模宜選擇水位降幅曲線的拐點處。

(4)與河道規模相匹配。根據SL 265—2016，閘室總寬度大體上與上、下游河道寬度(即通過設計流量的平均過水寬度)相適應[4]；根據項目區周邊幾座大型水閘工程的實踐經驗，閘室總寬度與河道寬度的比值一般為0.6～0.85。該閘處河道底寬50m，底高程-2.5m，在高程2.4m處設青坎，青坎寬8m，青坎以下、以上邊坡分別為1∶5、1∶3；經計算，設計排澇水位2.90m時的平均過水寬度為78.39m。按照閘河相匹配的原則，該閘總寬度宜取47～67m。

4 方案比選及結果

本次對該閘所在排水片進行了一維河網非恒定流水利計算，擬定不同的閘總凈寬方案，經比選確定最終方案。

根據河網模型計算，得到規劃工況下該閘不同凈寬排水片最高水位、閘前最高水位、過閘流量(最大流量、最大單寬流量及平均排水流量)等見表1，該閘閘門寬度與排水片最高水位及閘前最高水位的關系如圖1所示。

表1 不同凈寬下河網計算成果(規劃工況)

圖1 閘寬與排水片及閘前最高水位關系圖(規劃工況)

由表1及圖1可知，規劃工況下各方案排水片內最高水位在3.05～3.02m之間，閘前排澇最高水位在2.82～2.75m之間；閘總凈寬越大，排水片水位及閘前排澇水位越低，過閘最大排水流量及最大12h平均排水流量越大，水閘最大單寬流量越小；但隨著閘總凈寬的加大，排水片水位及閘前排澇水位降幅均呈減小趨勢，閘總凈寬45m方案基本位于水位降幅曲線的拐點處。

考慮到閘總凈寬45m方案位于水位降幅曲線的拐點，當閘寬超過45m后水位降幅明顯減小，經濟上已不合理；且該方案在規劃工況下，水閘最大單寬流量在12m3/s以下，與水閘消能防沖設計條件相適應。因此，認為該閘總凈寬45m方案基本合適。考慮規劃適當留有余地，并結合閘河相匹配的原則，該閘拆建閘總凈寬最終確定為50m。規劃工況下，該方案排水片最高水位3.03m、閘前排澇最高水位2.76m，最大過閘排水流量529m3/s，所得成果與城市防洪規劃相關要求是相適應的，滿足區域排澇要求。

5 結語

本文深入分析了擋潮排澇閘閘孔總凈寬確定的相關因素，主要有“滿足區域排澇要求、考慮水閘消能防沖要求、采用經濟合理的規模、與河道規模相匹配”等方面，通過一維河網非恒定流水利計算，擬定不同的閘總凈寬方案，經比選確定最終方案，取得了合理的結果，可供類似擋潮排澇閘設計工作參考。