濱海山丘區(qū)擋潮排澇水閘設(shè)計規(guī)模論證

鮑文安，郭攀攀，郝青芳

（1.福州市長樂區(qū)水利局，福建 福州 350200；2.河海大學(xué)設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210098）

1 工程概況

洋嶼港水利樞紐位于福州市長樂區(qū)下洞江出口處，始建于1994 年，是一座以擋潮防洪排澇為主，兼有灌溉、通航等功能的綜合利用的水利工程。水閘控制流域面積約30.7 km2，為濱海低山區(qū)地形，山丘面積約22.4 km2，平原面積約8.3 km2。經(jīng)安全鑒定，須對水閘部分拆除重建，并復(fù)核論證水閘規(guī)模。

新建水閘與洋嶼防洪堤形成封閉防洪圈，共同防御閩江洪潮，設(shè)計防洪（潮）標(biāo)準(zhǔn)為50 a一遇，水閘級別為2 級。所在下洞江流域排澇標(biāo)準(zhǔn)取20 a 一遇設(shè)計暴雨與閩江設(shè)計潮型組合不受澇。

2 計算方法

根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL265-2016），擋潮水閘的閘孔總凈寬應(yīng)按最不利洪潮組合及潮型，并考慮上游河道調(diào)蓄能力、潮汐河口回淤對擋潮閘泄流的影響等因素，經(jīng)調(diào)節(jié)計算確定。

蓄排計算是排澇規(guī)劃和排澇工程設(shè)計的核心，按照排澇標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計洪水、設(shè)計潮型采用一定方法計算澇區(qū)內(nèi)澇水位、排澇流量等，確定水閘、泵站等治澇工程規(guī)模。排澇計算方法主要有調(diào)蓄演算法和非恒定流計算法。本文所研究的下洞江流域河道單一，唯一排外出口為洋嶼港水閘，采用傳統(tǒng)的調(diào)蓄演算法滑動試算。

調(diào)蓄演算法以水量平衡方程式為基礎(chǔ)，根據(jù)設(shè)計洪水過程、典型潮位過程、水閘過流方程式和河網(wǎng)調(diào)蓄容量曲線進(jìn)行逐時段調(diào)節(jié)試算，可計算出閘前設(shè)計水位和水閘泄流過程，再按照上游河道洪峰流量、糙率、長度、斷面尺寸等參數(shù)推求河道水面線，從而判斷是否滿足排澇標(biāo)準(zhǔn)。該方法不計入沿程流速變化、動態(tài)蓄量的影響以及洪水匯入處至排澇出口間的行洪時間，一般應(yīng)用于表格手算，計算結(jié)果存在一定誤差。

水量平衡計算方程式如下：

式中：ΔW為計算時段△t 內(nèi)澇水量變化值（m3），ΔW=W2-W1，W1、W2分別為計算時段Δt始、末的河網(wǎng)蓄水量為計算時段Δt內(nèi)平均澇水流量（m3/s），=(Q1+Q2)/2，Q1、Q2分別為計算時段Δt始、末的入河網(wǎng)流量；Σq排為各排澇設(shè)施Δt內(nèi)平均排水流量（m3/s）；Δt為計算時段（s）。

洋嶼港水閘內(nèi)江水位受閩江潮位影響，需內(nèi)外聯(lián)動進(jìn)行調(diào)洪演算。閩江口為強(qiáng)潮陸相河口，潮型為規(guī)則半日潮。當(dāng)內(nèi)江水位高于閩江潮位時開啟閘門排水，當(dāng)閩江潮位高于內(nèi)江水位時關(guān)閉閘門擋水，內(nèi)江水位逐步升高，以0.5 h為時段進(jìn)行滑動調(diào)洪試算，通過分析比較，選取最不利條件下的內(nèi)江水位作為洋嶼港閘內(nèi)江側(cè)設(shè)計洪水位。

3 案例分析

3.1 設(shè)計洪水

下洞江流域地形以山丘區(qū)為主，洪水峰高、量小、歷時短，與平原水網(wǎng)地區(qū)的洪水特點相反。經(jīng)計算，各頻率設(shè)計洪水詳見表1。

表1 下洞江流域各頻率設(shè)計洪水統(tǒng)計

3.2 設(shè)計潮型選擇

洋嶼港水閘位于下洞江出口，地處閩江下游感潮區(qū)，受閩江徑流、外海潮流和設(shè)計暴雨的多重影響，常遭遇“洪水、高潮、暴雨三碰頭”現(xiàn)象，設(shè)計潮型應(yīng)選擇工程區(qū)最高高潮位與閩江洪峰流量遭遇時的潮型，高、低潮位選用多年平均最高潮位的均值和日低潮位的均值作為可能出現(xiàn)的最不利潮型，設(shè)計潮型潮水過程線如圖1所示。

圖1 設(shè)計潮型潮水過程線

3.3 方案擬定

（1）閘底高程。設(shè)計閘底高程維持現(xiàn)狀-2.70 m，與下洞江河底高程相近，不作比選。

（2）水閘寬度。水閘上游河道平均過水寬度約88 m，扣除船閘部分可利用寬度約66 m，比選以下幾種方案，即方案1：水閘凈寬60 m（6 孔×10 m），閘底高程-2.70 m；方案2：水閘凈寬48 m（6 孔×8 m），閘底高程-2.70 m；方案3：水閘凈寬45 m（9孔×5 m），閘底高程-2.70 m；方案4：水閘凈寬36 m（6孔×6 m），閘底高程-2.70 m。

3.4 排澇計算

經(jīng)分析，閩江側(cè)多年平均高潮位3.43 m，下洞江側(cè)正常蓄水位2.17 m，汛期預(yù)降水位0.97 m。根據(jù)調(diào)洪演算，洋嶼港水閘各寬度過流能力計算成果詳見表2。

表2 洋嶼港水閘各寬度過流能力計算成果

3.5 方案比較

結(jié)合類似工程經(jīng)驗，閘孔總凈寬的選擇主要考慮以下幾個因素。

（1）滿足流域防洪排澇需要。下洞江沿岸的平原區(qū)地勢低洼，極易受澇，水閘寬度應(yīng)滿足行洪要求，并盡量降低閘上水位，防止城區(qū)受淹，宜選擇方案1和方案2。

（2）與河道規(guī)模相匹配。河道規(guī)模與所在流域面積成正比，河道最小寬度應(yīng)能通過設(shè)計洪峰。水閘寬度越大，過閘流量越大，河道流速也越大，可能對上游河道造成一定沖刷。參考《水閘設(shè)計規(guī)范》，水閘寬度與河道寬度成一定比例，常用閘寬比為0.6~0.8，經(jīng)濟(jì)效益最佳，宜選擇方案2 和方案3。

（3）選擇合適的過閘水位差和單寬流量，滿足消能防沖要求。水閘上下游水位差越大，過閘流量越大，單寬流量也越大，對消能防沖的要求越高。根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》，平原區(qū)水閘的過閘水位差一般采用0.1~0.3 m，符合條件的有方案1和方案2。

水閘寬度越小，對河道束窄越大，過閘單寬流量越大，水流流態(tài)越不穩(wěn)定，對水閘消能防沖要求越高，不利于水閘安全泄流。根據(jù)沿海地區(qū)水閘建設(shè)經(jīng)驗，過閘最大單寬流量宜控制在12 m2/s 以內(nèi)，宜選擇方案1和方案2。

（4）水閘規(guī)模應(yīng)經(jīng)濟(jì)合理。水閘寬度達(dá)到一定規(guī)模后，若進(jìn)一步擴(kuò)大水閘總寬，閘上水位降低幅度會逐步減小，但水閘投資增加較多。水閘規(guī)模宜選擇水位降幅曲線的拐點處，規(guī)模與效益達(dá)到最佳效果。當(dāng)洋嶼港水閘寬度達(dá)到48 m，水閘進(jìn)一步擴(kuò)寬，水位降低但幅度有限，而投資增加較多。

綜上分析，推薦選用方案2，即水閘總凈寬48 m。

3.6 類似工程對比

選取相關(guān)指標(biāo)，與長樂地區(qū)類似水閘進(jìn)行對比分析，詳見表3。

表3 類似水閘工程規(guī)模對比

經(jīng)對比，擋潮排澇水閘的規(guī)模與匯水面積、水面率等成正比，本水閘所在下洞江流域的匯水面積小、水面率低、山丘區(qū)占比大，河網(wǎng)基本無槽蓄容量，計算水閘寬度較大，設(shè)計過閘流量大于洪峰流量，對行洪河道和消能防沖設(shè)施要求較高。

4 結(jié)語

本文結(jié)合案例分析，總結(jié)濱海山丘區(qū)擋潮排澇水閘設(shè)計特點如下。

（1）平原區(qū)的洪水一般洪峰較小、洪量較大、歷時較長，平原河網(wǎng)采取蓄泄兼籌措施，水位漲幅較慢，排澇水閘寬度相對較小；山丘區(qū)的洪水特性與平原區(qū)相反，行洪河道水位上漲幅度較快，宜選取較寬的水閘，加快排水速度，減少壅水。

（2）平原地區(qū)的擋潮排澇水閘，河網(wǎng)調(diào)蓄能力較大，設(shè)計過閘流量一般小于洪峰流量，河網(wǎng)水位與調(diào)蓄容量相關(guān)；而山丘區(qū)的擋潮排澇水閘，受地形條件限制，上游河道調(diào)蓄容量有限，洪水宜快速排出，一般設(shè)計過閘流量大于洪峰流量，上游河道水位主要受洪峰流量影響，對消能防沖要求更高。

（3）設(shè)計過閘流量受潮位影響，當(dāng)上下游水頭差較大時，單寬流量增大，對水閘消能防沖要求提高；行洪河道流量增大，流速加大，極易造成上下游河道沖刷，應(yīng)控制閘門開啟高度，維持河道不沖流速。

（4）對洋嶼港水閘的規(guī)模分析表明，水閘改擴(kuò)建后，對上游河段的水位降低較為明顯，城區(qū)段洪水位可降低約72 cm，達(dá)到20 a一遇排澇標(biāo)準(zhǔn)要求。