平原河網地區節制閘規模確定方法研究

2023-08-28 11:43:41朱桂娥孫永林陳佳蕾

水利水電快報 2023年7期

朱桂娥孫永林陳佳蕾

摘要：為了研究條件復雜的平原河網地區節制閘閘孔凈寬，運用多重理論體系，利用規范界定節制閘閘孔總凈寬范圍、利用靜態水位研究閘孔凈寬與河道過水面積關系、利用河網水動力數值模擬研究動態水位下閘孔凈寬與過水量關系，并考慮規劃銜接性、建設條件許可度等方面，提出了綜合確定節制閘閘孔總凈寬的一套實用方法體系，并在上海市蘇州河西閘閘孔總凈寬規模論證中得到了應用。該論證方法體系囊括了理論支撐和實踐運用，具有較強科學論證依據，也能被各方較好接受，是一套科學全面、簡單易操作的方法體系。

關鍵詞：平原河網；節制閘；蘇州河；上海市

中圖法分類號：TV131

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.07.010

文章編號：1006-0081（2023）07-0063-04

0 引言

節制閘是常見水工建筑物，常用于攔洪（擋潮）、調節水位、控制下泄流量等。SL 265-2016《水閘設計規范》及其條文說明對閘孔總凈寬的確定提出了相關規定，建議根據河道平均過水寬度的0.60～0.85確定節制閘閘孔凈寬。水閘方面的諸多研究中對閘的結構穩定性、安全性設計和施工組織關注度相對較高，如孫明權等［1］開展的南水北調中線倒虹吸節制閘三向耦合地震響應模擬研究，分析了最危險方向地震和三向耦合地震激勵下的振動特性及應力應變情況，表明節制閘牛腿部位的抗震設計應考慮三向耦合地震的作用。周成洋等［2］提出了水閘閘墩常見裂縫成因及處理措施。李娜等［3］針對三類、四類水閘判定中人為因素較大、直接影響除險加固效果等問題，總結了影響三、四類閘劃分的關鍵技術、經濟、政策等因素。節制閘過流方面的分析也有所涉及，如李景剛等［4］在南水北調中線干線節制閘過流公式率定及曲線繪制中，基于量綱分析法，運用實測數據開展過流公式率定，并依此繪制節制閘不同水位差下的過閘流量與閘門開度關系曲線，認為量綱分析法簡單、高效且有較高精度；姬偉等［5］對青州市彌河閘重建必要性及規模進行了分析論證，其重點是設計水位、蓄水庫容、設計流量等方面；李杰［6］以寧波市大嵩江流域為例，通過MIKE 11水動力模型，對排澇過程進行數值模擬，通過水閘凈寬與內河水位降低關系分析，提出了建議的水閘凈寬。已有相關研究［7-8］均從某個角度且偏向理論性方面論證了閘孔總凈寬，實際上，閘孔總凈寬不僅僅涉及過流能力，還涉及建設條件、規劃依據等多面的因素。

因此，本文以上海市蘇州河西閘總凈寬為例，針對平原河網往復流動明顯、功能綜合的節制閘，在規范基礎上，綜合考慮各方因素，理論結合實際，提出了1套確定平原河網地區節制閘的綜合論證方法。

1 研究區域概況

蘇州河是上海市“一江一河”的重要組成部分，其上游是太湖流域重要水利分區陽澄淀泖區，下游涉及上海市嘉寶北片、青松片、蕰南片和淀北片等重要水利分片（圖1）。

蘇州河上游通過吳淞江工程匯集了太湖和陽澄淀泖區的洪澇水。陽澄淀泖區屬太湖流域下游平原河網區，大部分屬江蘇省蘇州市。在流域100 a一遇設計標準洪水下，要求通過吳淞江工程進入上海市的洪澇水為5.6億m3，大部分沿吳淞江（蕰藻浜）入江，局部時段、部分水量通過蘇州河排江。

上海市沿線片區主要通過鵝蛋浦、封浜、橫瀝、新通波塘等河道排澇水入蘇州河。現狀排入蘇州河的除澇泵站總流量為230 m3/s，規劃兩岸排澇泵站流量將增加至275 m3/s。沿線均為雨水強排系統，現有泵排流量共計344 m3/s，規劃增至441 m3/s。入黃浦江處建設有蘇州河河口水閘，水閘為單孔門，寬100 m，是上海市重要的防汛工程，具有防汛和水資源調度兩種功能。沿線片區的治澇標準為30 a一遇。

2 研究方法

平原河網地區具有水面率大、水面比降小、流速緩慢等特點，河道水流往往呈現往復、多向等流向變化不定現象，同一河網水流常呈現順流、滯留、逆流等多種流態。同時，受閘泵調控的人為因素干擾明顯。平原河網地區通常人口比較密集，經濟發展程度高，水事權益敏感，需要更高的洪澇安全保障能力，高度關注河閘泵站等調控設施的規模。

本文依據SL 265-2016《水閘設計規范》，按照河道規模初步界定節制閘閘孔凈寬范圍：

B1=（0.60～0.85）B2

式中：B1為閘孔總凈寬，m；B2為河道平均過流流量時的寬度，m。

采用長系列實測資料分析得到的靜態水位（h）、水深（H）等參數，建立節制閘與河道斷面面積之間關系曲線：

F=B1×H－（b+i×H）×H

式中：F是節制閘與河道過水面積的函數，m2；b為河道底寬，m；H為河道水深，m；i為河道邊坡。當F漸趨于0且略大于0 時，基本能說明特定水位下，閘孔總凈寬是與河道過流斷面相匹配的。

由于平原河網往復特性差異，以及河道斷面的不規則性，且需要兼顧到總體水量進出情況，因此，除了采用靜態水位衡量閘孔凈寬與河道匹配關系外，還需研究在一段時間內，動態水位下閘孔總凈寬與過閘水量的關系，以謀求兩者之間更協調的關系。考慮平原河網特性，采用河網水動力數值模型模擬不同閘孔總凈寬下過閘水量變化規律。河網水動力數值模擬方法較多，有常用商業軟件MIKE、河海大學自編的HOHY等，其采用的水動力公式基本均為圣維南方程組。

連續方程：

Qx+（α·A）t=q

動力方程：

Qt+（Q2/A）x+gAZx+gn2|U|QR4/3=0

式中：x，t分別為距離和時間，都為自變量；Z為斷面水位；Q為斷面流量；U為斷面平均流速；A為斷面過水面積；R為斷面水力半徑；α為動量修正系數；q為單位河長的均勻旁側入流，包括降雨產匯流；n為河道糙率系數；g為重力加速度。

本次采用了太湖流域常用的HOHY水動力模型對流域、區域洪澇過程進行數值模擬，分析水閘凈寬與排水量之間的關系，從而為確定閘孔總凈寬提供依據。

在基本確定滿足河道過流需要的水閘凈寬情況下，由于平原河網水閘功能的復雜性，通常要考慮不同水事權益相關方的需求，對相關規劃進行充分解析、剖析、溝通、協調，與規劃相銜接是確保總凈寬取得各方認可的重要條件。同時，建設條件也是制約規模確定的因素之一，必須通過現場調研、用地性質分析等綜合確定。

3 應用實例

3.1 蘇州河西閘概況

蘇州河位于上海市，上接吳淞江，下入黃浦江，經過上海市靜安區、普陀區等區，是上海市中心城區的重要排澇河道。在中心城區遭遇較大暴雨時，其水流以向西流動、上溯為主，承擔著滿足市中心排澇需求的功能；當上游遭遇較大暴雨時，其水流以向東流動為主，承擔著排泄上游洪澇水的任務（圖1）。

近年來，因低水位抬升、調蓄能力降低、黃浦江潮位升高等因素影響，蘇州河水位屢創新高，導致蘇州河兩側片內內河澇水無法及時快速外排，蘇州河及兩翼片區防汛排澇風險大，壓力明顯增加。因此，上至國家級層面規劃、下至部門行業規劃均提出在蘇州河西側新建蘇州河西閘，以盡可能降低上游來水對蘇州河低水位的影響，并與蘇州河河口泵閘聯合調度，降低蘇州河低水位，提高調蓄能力。蘇州河西閘建設后，應在能保證上海市30 a一遇降雨情況下，使市中心澇水能順利上溯，以減輕本地區壓力。同時，應在保證上海市中心城區安全前提下，不影響流域100 a一遇洪水下泄。

由于蘇州河關系著上下游洪澇安全需求，又涉及水利、交通航運等多部門需求，其規模受到眾多關注，且蘇州河河面寬40～197 m，河道寬窄不一，僅按照規范確定規模也存在一定缺陷。

3.2 節制閘總凈寬分析

3.2.1 設計規范

SL 265-2016《水閘設計規范》規定應根據泄流特點、下游河床地質條件和安全泄流的要求，結合閘孔孔徑和孔數的選用，經技術經濟比較后確定閘孔總凈寬，水閘閘孔總凈寬應根據下游閘檻型式和布置，過閘流量，上、下游水位銜接要求，泄流狀態等因素計算確定。條文說明中提出閘孔總凈寬的確定主要涉及單寬流量、閘室總寬度與河道總寬度的關系，要求閘室總寬度大體上與上下游河道寬度相適應。一般來說，采用的閘孔總凈寬要略大于計算值，根據實踐經驗，閘室總寬度與河道寬度的比值一般為0.60～0.85。

節制閘凈寬確定時，首先以規范為依據，綜合考慮河道現狀規模和規劃規模，從而確定節制閘總凈寬的規模范圍。分析蘇州河西閘上下游一定范圍內的河道規模，擬建節制閘上下游1 km范圍左右，河道斷面均為斜坡式斷面，至一定高程后，采用直立式護岸的結構型式。現狀平均過水寬度約70 m，河道底高程0 m左右（圖2）。規劃河道工程河口寬基本維持現狀，河底高程拓浚至-2.0 m，河底寬不小于30 m，河道水下疏浚邊坡坡比為1∶4.5（圖3）。根據規范以及工程實踐經驗，閘孔寬度取40～60 m為宜。

3.2.2 過流能力

要使過流能力不受影響，應從以下兩個方面進行考慮：① 靜態平均水位對應的河道過水斷面面積和節制閘面積是否匹配；② 采用水動力模擬，從不同節制閘凈寬的過水面積及過水水量角度，找到效益增速的轉折點。

蘇州河西閘上下游各1 km范圍內河道的平均過水面積為338.5 m2。由不同閘孔總凈寬與過水面積的曲線比較圖（圖4）可見，當節制閘凈寬50 m時，其過閘面積為285 m2，相當于河道過水面積的84.2%；當總凈寬達到60 m時，過閘面積342 m2，略大于河道的平均過水面積，能滿足平均水位下的河道過流面積需要，也兼顧了設計洪水位下河道過流面積增加的可能。

采用河網水動力數值模擬總凈寬10，20，30，40，50，60 m和70 m過流能力的變化。分別考慮閘總凈寬不影響上游洪澇水下泄和下游澇水上溯的需求。針對上游洪澇水下泄需求，節制閘敞開時不應有阻礙下泄水量的情況。據統計，最大1 h凈泄量隨凈寬增加而有所增加，但增幅逐漸減小。閘寬達到60 m后，閘寬繼續增加，最大1 h凈泄量變化幅度接近0（表1），說明總凈寬60 m能滿足上游洪澇水下泄需求。

針對下游澇水上溯需求，下游以治澇標準作為設計條件，按照最大過閘流量來考慮閘總凈寬是否影響泄流。根據模型計算，總凈寬由20 m增加至80 m時，最大過閘流量逐漸增加，閘寬達到60 m后，隨著閘寬繼續增加，最大過閘流量變化微弱（圖5），說明總凈寬60 m不影響下游澇水上溯需求。

3.2.3 規劃依據

平原河網地區，尤其是經濟發達地區，河道大部分都具有綜合利用功能，其水事權益非常敏感。蘇州河為Ⅵ級航道，蘇州河西閘的建設既涉及上下游防洪排澇需求，還涉及交通航運需求。因此，在規模確定過程中，需要考慮與規劃、與各行業需求的協調。閘址周邊情況示意見圖6。

（1）從水利角度，上海市政府批復的《上海市防洪除澇規劃（2020～2035年）》和上海市水務局審查通過的《蘇州河防洪除澇工程規劃》均明確，蘇州河西閘總凈寬不小于50 m。

（2）從交通航運角度考慮，蘇州河為Ⅵ級航道，河內通航船舶載重多為500～700 t，營運組織以貨船單船運輸及工程船為主，運輸貨種主要為礦建材料、水泥，船舶流向為西進西出，日均流量約為15艘次。此外，在蘇州河沿線布設有部分水上交通執法、水上公安等站點，沿線有管理部門船舶航行，除貨船外，公務船舶日均流量約為10～20艘次。為滿足通航需求，雙線航道直線段底寬不小于36.0 m；其上游約100 m處橋梁凈跨47 m。節制閘凈寬設置時應盡量與現狀航道等寬，避免因閘門局部束窄航道，改變現有岸線，形成礙航紊流，影響通航安全。

3.2.4 建設條件

建設場地與規模息息相關。在場地面積不充足的情況下，需要權衡減小規模與功能降低之間的關系。在無法平衡時則需另選閘址重新研究規模。

蘇州河西閘的建設條件相對較好。上海市人民政府批復的《吳淞江工程（上海段）水利樞紐專項規劃》對蘇州河西閘陸域用地已按60 m閘寬予以控制，用地面積約0.38 hm2。在規劃用地范圍內可滿足不大于60 m的閘寬布置。

3.3 結果分析

在上述研究基礎上，提出了蘇州河西閘閘孔總凈寬為60 m。該方案符合規范要求，也與靜水水位下的河道過水面積相銜接，同時還滿足動態水位水動力效果模擬要求，規劃協調性較好，建設條件許可度較高，規模確定的方法較為全面，得到了各級審批部門的一致認可。

4 結語

針對平原河網地區節制閘建設，本文研究提出了節制閘規模確定的綜合論證方法，并在蘇州河西閘建設中得到成功應用，可在平原水閘建設中推廣及供類似水利工程建設參考。

參考文獻：

［1］孫明權，梁成彥，吳小飛.南水北調中線倒虹吸節制閘三向耦合地震響應模擬［J］.水電能源科學，2011，29（1）：61-63，128.

［2］周成洋，林立，沈明.水閘閘墩常見裂縫成因及處理措施［J］.江蘇水利，2021（11）：28-31，56.

［3］李娜，汪自力，郭博文，等.影響三四類水閘判定的關鍵因素及對策［J］.人民黃河，2021，43（10）：119-122.

［4］李景剛，喬雨，陳曉楠，等.南水北調中線干線節制閘過流公式率定及曲線繪制［J］.人民長江，2019，50（8）：224-227.