平原河網(wǎng)地區(qū)節(jié)制閘規(guī)模確定方法研究

朱桂娥 孫永林 陳佳蕾

摘要：為了研究條件復(fù)雜的平原河網(wǎng)地區(qū)節(jié)制閘閘孔凈寬，運(yùn)用多重理論體系，利用規(guī)范界定節(jié)制閘閘孔總凈寬范圍、利用靜態(tài)水位研究閘孔凈寬與河道過(guò)水面積關(guān)系、利用河網(wǎng)水動(dòng)力數(shù)值模擬研究動(dòng)態(tài)水位下閘孔凈寬與過(guò)水量關(guān)系，并考慮規(guī)劃銜接性、建設(shè)條件許可度等方面，提出了綜合確定節(jié)制閘閘孔總凈寬的一套實(shí)用方法體系，并在上海市蘇州河西閘閘孔總凈寬規(guī)模論證中得到了應(yīng)用。該論證方法體系囊括了理論支撐和實(shí)踐運(yùn)用，具有較強(qiáng)科學(xué)論證依據(jù)，也能被各方較好接受，是一套科學(xué)全面、簡(jiǎn)單易操作的方法體系。

關(guān)鍵詞：平原河網(wǎng)； 節(jié)制閘； 蘇州河； 上海市

中圖法分類號(hào)：TV131

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.07.010

文章編號(hào)：1006-0081（2023）07-0063-04

0 引 言

節(jié)制閘是常見(jiàn)水工建筑物，常用于攔洪（擋潮）、調(diào)節(jié)水位、控制下泄流量等。SL 265-2016《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》及其條文說(shuō)明對(duì)閘孔總凈寬的確定提出了相關(guān)規(guī)定，建議根據(jù)河道平均過(guò)水寬度的0.60～0.85確定節(jié)制閘閘孔凈寬。水閘方面的諸多研究中對(duì)閘的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、安全性設(shè)計(jì)和施工組織關(guān)注度相對(duì)較高，如孫明權(quán)等［1］開(kāi)展的南水北調(diào)中線倒虹吸節(jié)制閘三向耦合地震響應(yīng)模擬研究，分析了最危險(xiǎn)方向地震和三向耦合地震激勵(lì)下的振動(dòng)特性及應(yīng)力應(yīng)變情況，表明節(jié)制閘牛腿部位的抗震設(shè)計(jì)應(yīng)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(jiàn)裂縫成因及處理措施。李娜等［3］針對(duì)三類、四類水閘判定中人為因素較大、直接影響除險(xiǎn)加固效果等問(wèn)題，總結(jié)了影響三、四類閘劃分的關(guān)鍵技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、政策等因素。節(jié)制閘過(guò)流方面的分析也有所涉及，如李景剛等［4］在南水北調(diào)中線干線節(jié)制閘過(guò)流公式率定及曲線繪制中，基于量綱分析法，運(yùn)用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展過(guò)流公式率定，并依此繪制節(jié)制閘不同水位差下的過(guò)閘流量與閘門開(kāi)度關(guān)系曲線，認(rèn)為量綱分析法簡(jiǎn)單、高效且有較高精度；姬偉等［5］對(duì)青州市彌河閘重建必要性及規(guī)模進(jìn)行了分析論證，其重點(diǎn)是設(shè)計(jì)水位、蓄水庫(kù)容、設(shè)計(jì)流量等方面；李杰［6］以寧波市大嵩江流域?yàn)槔ㄟ^(guò)MIKE 11水動(dòng)力模型，對(duì)排澇過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，通過(guò)水閘凈寬與內(nèi)河水位降低關(guān)系分析，提出了建議的水閘凈寬。已有相關(guān)研究［7-8］均從某個(gè)角度且偏向理論性方面論證了閘孔總凈寬，實(shí)際上，閘孔總凈寬不僅僅涉及過(guò)流能力，還涉及建設(shè)條件、規(guī)劃依據(jù)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(duì)平原河網(wǎng)往復(fù)流動(dòng)明顯、功能綜合的節(jié)制閘，在規(guī)范基礎(chǔ)上，綜合考慮各方因素，理論結(jié)合實(shí)際，提出了1套確定平原河網(wǎng)地區(qū)節(jié)制閘的綜合論證方法。

1 研究區(qū)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(qū)陽(yáng)澄淀泖區(qū)，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(guò)吳淞江工程匯集了太湖和陽(yáng)澄淀泖區(qū)的洪澇水。陽(yáng)澄淀泖區(qū)屬太湖流域下游平原河網(wǎng)區(qū)，大部分屬江蘇省蘇州市。在流域100 a一遇設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)洪水下，要求通過(guò)吳淞江工程進(jìn)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(shí)段、部分水量通過(guò)蘇州河排江。

上海市沿線片區(qū)主要通過(guò)鵝蛋浦、封浜、橫瀝、新通波塘等河道排澇水入蘇州河。現(xiàn)狀排入蘇州河的除澇泵站總流量為230 m3/s，規(guī)劃兩岸排澇泵站流量將增加至275 m3/s。沿線均為雨水強(qiáng)排系統(tǒng)，現(xiàn)有泵排流量共計(jì)344 m3/s，規(guī)劃增至441 m3/s。入黃浦江處建設(shè)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(diào)度兩種功能。沿線片區(qū)的治澇標(biāo)準(zhǔn)為30 a一遇。

2 研究方法

平原河網(wǎng)地區(qū)具有水面率大、水面比降小、流速緩慢等特點(diǎn)，河道水流往往呈現(xiàn)往復(fù)、多向等流向變化不定現(xiàn)象，同一河網(wǎng)水流常呈現(xiàn)順流、滯留、逆流等多種流態(tài)。同時(shí)，受閘泵調(diào)控的人為因素干擾明顯。平原河網(wǎng)地區(qū)通常人口比較密集，經(jīng)濟(jì)發(fā)展程度高，水事權(quán)益敏感，需要更高的洪澇安全保障能力，高度關(guān)注河閘泵站等調(diào)控設(shè)施的規(guī)模。

本文依據(jù)SL 265-2016《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》，按照河道規(guī)模初步界定節(jié)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(guò)流流量時(shí)的寬度，m。

采用長(zhǎng)系列實(shí)測(cè)資料分析得到的靜態(tài)水位（h）、水深（H）等參數(shù)，建立節(jié)制閘與河道斷面面積之間關(guān)系曲線：

F=B1×H－（b+i×H）×H

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

由于平原河網(wǎng)往復(fù)特性差異，以及河道斷面的不規(guī)則性，且需要兼顧到總體水量進(jìn)出情況，因此，除了采用靜態(tài)水位衡量閘孔凈寬與河道匹配關(guān)系外，還需研究在一段時(shí)間內(nèi)，動(dòng)態(tài)水位下閘孔總凈寬與過(guò)閘水量的關(guān)系，以謀求兩者之間更協(xié)調(diào)的關(guān)系。考慮平原河網(wǎng)特性，采用河網(wǎng)水動(dòng)力數(shù)值模型模擬不同閘孔總凈寬下過(guò)閘水量變化規(guī)律。河網(wǎng)水動(dòng)力數(shù)值模擬方法較多，有常用商業(yè)軟件MIKE、河海大學(xué)自編的HOHY等，其采用的水動(dòng)力公式基本均為圣維南方程組。

連續(xù)方程：

Qx+（α·A）t=q

動(dòng)力方程：

Qt+（Q2/A）x+gAZx+gn2|U|QR4/3=0

式中：x，t分別為距離和時(shí)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(guò)水面積；R為斷面水力半徑；α為動(dòng)量修正系數(shù)；q為單位河長(zhǎng)的均勻旁側(cè)入流，包括降雨產(chǎn)匯流；n為河道糙率系數(shù)；g為重力加速度。

本次采用了太湖流域常用的HOHY水動(dòng)力模型對(duì)流域、區(qū)域洪澇過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬，分析水閘凈寬與排水量之間的關(guān)系，從而為確定閘孔總凈寬提供依據(jù)。

在基本確定滿足河道過(guò)流需要的水閘凈寬情況下，由于平原河網(wǎng)水閘功能的復(fù)雜性，通常要考慮不同水事權(quán)益相關(guān)方的需求，對(duì)相關(guān)規(guī)劃進(jìn)行充分解析、剖析、溝通、協(xié)調(diào)，與規(guī)劃相銜接是確保總凈寬取得各方認(rèn)可的重要條件。同時(shí)，建設(shè)條件也是制約規(guī)模確定的因素之一，必須通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、用地性質(zhì)分析等綜合確定。

3 應(yīng)用實(shí)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(jīng)過(guò)上海市靜安區(qū)、普陀區(qū)等區(qū)，是上海市中心城區(qū)的重要排澇河道。在中心城區(qū)遭遇較大暴雨時(shí)，其水流以向西流動(dòng)、上溯為主，承擔(dān)著滿足市中心排澇需求的功能；當(dāng)上游遭遇較大暴雨時(shí)，其水流以向東流動(dòng)為主，承擔(dān)著排泄上游洪澇水的任務(wù)（圖1）。

近年來(lái)，因低水位抬升、調(diào)蓄能力降低、黃浦江潮位升高等因素影響，蘇州河水位屢創(chuàng)新高，導(dǎo)致蘇州河兩側(cè)片內(nèi)內(nèi)河澇水無(wú)法及時(shí)快速外排，蘇州河及兩翼片區(qū)防汛排澇風(fēng)險(xiǎn)大，壓力明顯增加。因此，上至國(guó)家級(jí)層面規(guī)劃、下至部門行業(yè)規(guī)劃均提出在蘇州河西側(cè)新建蘇州河西閘，以盡可能降低上游來(lái)水對(duì)蘇州河低水位的影響，并與蘇州河河口泵閘聯(lián)合調(diào)度，降低蘇州河低水位，提高調(diào)蓄能力。蘇州河西閘建設(shè)后，應(yīng)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(qū)壓力。同時(shí)，應(yīng)在保證上海市中心城區(qū)安全前提下，不影響流域100 a一遇洪水下泄。

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

3.2 節(jié)制閘總凈寬分析

3.2.1 設(shè)計(jì)規(guī)范

SL 265-2016《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定應(yīng)根據(jù)泄流特點(diǎn)、下游河床地質(zhì)條件和安全泄流的要求，結(jié)合閘孔孔徑和孔數(shù)的選用，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定閘孔總凈寬，水閘閘孔總凈寬應(yīng)根據(jù)下游閘檻型式和布置，過(guò)閘流量，上、下游水位銜接要求，泄流狀態(tài)等因素計(jì)算確定。條文說(shuō)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(guān)系，要求閘室總寬度大體上與上下游河道寬度相適應(yīng)。一般來(lái)說(shuō)，采用的閘孔總凈寬要略大于計(jì)算值，根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，閘室總寬度與河道寬度的比值一般為0.60～0.85。

節(jié)制閘凈寬確定時(shí)，首先以規(guī)范為依據(jù)，綜合考慮河道現(xiàn)狀規(guī)模和規(guī)劃規(guī)模，從而確定節(jié)制閘總凈寬的規(guī)模范圍。分析蘇州河西閘上下游一定范圍內(nèi)的河道規(guī)模，擬建節(jié)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(hù)岸的結(jié)構(gòu)型式。現(xiàn)狀平均過(guò)水寬度約70 m，河道底高程0 m左右（圖2）。規(guī)劃河道工程河口寬基本維持現(xiàn)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(jù)規(guī)范以及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，閘孔寬度取40～60 m為宜。

3.2.2 過(guò)流能力

要使過(guò)流能力不受影響，應(yīng)從以下兩個(gè)方面進(jìn)行考慮：① 靜態(tài)平均水位對(duì)應(yīng)的河道過(guò)水?dāng)嗝婷娣e和節(jié)制閘面積是否匹配；② 采用水動(dòng)力模擬，從不同節(jié)制閘凈寬的過(guò)水面積及過(guò)水水量角度，找到效益增速的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

蘇州河西閘上下游各1 km范圍內(nèi)河道的平均過(guò)水面積為338.5 m2。由不同閘孔總凈寬與過(guò)水面積的曲線比較圖（圖4）可見(jiàn)，當(dāng)節(jié)制閘凈寬50 m時(shí)，其過(guò)閘面積為285 m2，相當(dāng)于河道過(guò)水面積的84.2%；當(dāng)總凈寬達(dá)到60 m時(shí)，過(guò)閘面積342 m2，略大于河道的平均過(guò)水面積，能滿足平均水位下的河道過(guò)流面積需要，也兼顧了設(shè)計(jì)洪水位下河道過(guò)流面積增加的可能。

采用河網(wǎng)水動(dòng)力數(shù)值模擬總凈寬10，20，30，40，50，60 m和70 m過(guò)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(duì)上游洪澇水下泄需求，節(jié)制閘敞開(kāi)時(shí)不應(yīng)有阻礙下泄水量的情況。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(dá)到60 m后，閘寬繼續(xù)增加，最大1 h凈泄量變化幅度接近0（表1），說(shuō)明總凈寬60 m能滿足上游洪澇水下泄需求。

針對(duì)下游澇水上溯需求，下游以治澇標(biāo)準(zhǔn)作為設(shè)計(jì)條件，按照最大過(guò)閘流量來(lái)考慮閘總凈寬是否影響泄流。根據(jù)模型計(jì)算，總凈寬由20 m增加至80 m時(shí)，最大過(guò)閘流量逐漸增加，閘寬達(dá)到60 m后，隨著閘寬繼續(xù)增加，最大過(guò)閘流量變化微弱（圖5），說(shuō)明總凈寬60 m不影響下游澇水上溯需求。

3.2.3 規(guī)劃依據(jù)

平原河網(wǎng)地區(qū)，尤其是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，河道大部分都具有綜合利用功能，其水事權(quán)益非常敏感。蘇州河為Ⅵ級(jí)航道，蘇州河西閘的建設(shè)既涉及上下游防洪排澇需求，還涉及交通航運(yùn)需求。因此，在規(guī)模確定過(guò)程中，需要考慮與規(guī)劃、與各行業(yè)需求的協(xié)調(diào)。閘址周邊情況示意見(jiàn)圖6。

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

（2） 從交通航運(yùn)角度考慮，蘇州河為Ⅵ級(jí)航道，河內(nèi)通航船舶載重多為500～700 t，營(yíng)運(yùn)組織以貨船單船運(yùn)輸及工程船為主，運(yùn)輸貨種主要為礦建材料、水泥，船舶流向?yàn)槲鬟M(jìn)西出，日均流量約為15艘次。此外，在蘇州河沿線布設(shè)有部分水上交通執(zhí)法、水上公安等站點(diǎn)，沿線有管理部門船舶航行，除貨船外，公務(wù)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(jié)制閘凈寬設(shè)置時(shí)應(yīng)盡量與現(xiàn)狀航道等寬，避免因閘門局部束窄航道，改變現(xiàn)有岸線，形成礙航紊流，影響通航安全。

3.2.4 建設(shè)條件

建設(shè)場(chǎng)地與規(guī)模息息相關(guān)。在場(chǎng)地面積不充足的情況下，需要權(quán)衡減小規(guī)模與功能降低之間的關(guān)系。在無(wú)法平衡時(shí)則需另選閘址重新研究規(guī)模。

蘇州河西閘的建設(shè)條件相對(duì)較好。上海市人民政府批復(fù)的《吳淞江工程（上海段）水利樞紐專項(xiàng)規(guī)劃》對(duì)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(guī)劃用地范圍內(nèi)可滿足不大于60 m的閘寬布置。

3.3 結(jié)果分析

在上述研究基礎(chǔ)上，提出了蘇州河西閘閘孔總凈寬為60 m。該方案符合規(guī)范要求，也與靜水水位下的河道過(guò)水面積相銜接，同時(shí)還滿足動(dòng)態(tài)水位水動(dòng)力效果模擬要求，規(guī)劃協(xié)調(diào)性較好，建設(shè)條件許可度較高，規(guī)模確定的方法較為全面，得到了各級(jí)審批部門的一致認(rèn)可。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)平原河網(wǎng)地區(qū)節(jié)制閘建設(shè)，本文研究提出了節(jié)制閘規(guī)模確定的綜合論證方法，并在蘇州河西閘建設(shè)中得到成功應(yīng)用，可在平原水閘建設(shè)中推廣及供類似水利工程建設(shè)參考。

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（編輯：李 晗）