國內(nèi)外大跨度擋潮閘應(yīng)用評述

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(西北農(nóng)林科技大學(xué) a. 水利與建筑工程學(xué)院；b. 旱區(qū)寒區(qū)水工程安全研究中心，陜西 楊凌 712100)

1 研究背景

擋潮閘是一種具有特定形式的可移動(dòng)式擋水閘門，用于保護(hù)沿岸城市不受風(fēng)暴潮等自然災(zāi)害引發(fā)海岸洪水的侵襲，主要分布于航道、海灣、河口三角洲等地區(qū)，是沿海城市防洪保護(hù)系統(tǒng)的重要組成部分。

隨著全球氣候的變暖及極端氣侯頻發(fā)，海陸表面平均溫度逐漸升高[1]、海平面逐漸上升[2]，沿海地區(qū)遭受風(fēng)暴潮等自然災(zāi)害頻發(fā)且加劇[3]，綜合效應(yīng)的疊加導(dǎo)致全球海平面極值水位極高[4-5](如圖1)，嚴(yán)重威脅著低洼的沿海地區(qū)城市安全，每年直接自然災(zāi)害及災(zāi)害鏈導(dǎo)致了沿海地區(qū)巨大的人口死亡率和社會(huì)經(jīng)濟(jì)損失[6-8]。

圖1 相比于平均海平面的全球海平面極值水位高度(重現(xiàn)期100 a)[4]Fig.1 Extreme global coastal sea levels compared to average sea levels(return period 100 years)[4]

沿海地區(qū)城市化水平高、工業(yè)化發(fā)達(dá)、人口集中、經(jīng)濟(jì)繁榮，是國家社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要區(qū)域[9]。然而，隨社會(huì)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，沿海地區(qū)活動(dòng)人口數(shù)量增長、大面積地上地下基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)空前迅速，引起地面下沉、頂面硬化，使人類活動(dòng)及設(shè)施在陽光、暴雨及風(fēng)暴潮等自然災(zāi)害之中更加暴露，也造成沿海地區(qū)對于風(fēng)暴潮等自然災(zāi)害鏈的脆弱性急劇增加[10-11]。

建造防洪控制工程有利于保護(hù)沿海地區(qū)，相比于攔河壩、堤防，擋潮閘是控制運(yùn)用功能最強(qiáng)且最經(jīng)濟(jì)最美觀有效的選擇[12-13]。擋潮閘能夠顯著減少與風(fēng)暴潮接觸的海岸線長度，能有效減少河口三角洲地區(qū)由于風(fēng)暴潮等自然災(zāi)害導(dǎo)致的洪水淹沒損失，在全球沿海城市的安全防護(hù)中發(fā)揮著有效作用。

中國沿海河口地區(qū)岸段多且地勢低洼、地形地質(zhì)復(fù)雜，歷年平均海平面持續(xù)上升，是全球極端天氣和氣候事件易發(fā)頻發(fā)的區(qū)域[14-16]。同時(shí)隨著40 a來改革開放的快速發(fā)展，沿海地區(qū)更是人口聚集地和經(jīng)濟(jì)中心載體[17]，中國快速城市化使沿海地區(qū)財(cái)產(chǎn)暴露急劇增加并帶來高風(fēng)險(xiǎn)的安全隱患，使沿海城市及社會(huì)脆弱性更高[18]。因此，應(yīng)對氣侯變化確保沿海城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)健康發(fā)展必須提高沿海河口設(shè)防水平，積極借鑒國外在河口三角洲地區(qū)防洪控制工程的經(jīng)驗(yàn)[19]，在沿海河口防洪控制工程體系中修建大跨度擋潮閘極其必要，具有不可替代性。為保證未來我國渤海灣入?？?、長江三角洲和珠江三角洲等沿海河口地區(qū)的城市安全以及穩(wěn)定的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，加強(qiáng)擋潮閘建設(shè)具有重要意義。

擋潮閘建設(shè)能夠帶來較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益及工程效益，提高城市防洪擋潮標(biāo)準(zhǔn)，改善城市水環(huán)境，保障沿海城市及河口地區(qū)水資源的高效利用進(jìn)而推動(dòng)城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)持續(xù)健康發(fā)展，例如新加坡濱海灣和韓國新萬金擋潮閘的建設(shè)均促進(jìn)了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)建設(shè)和城市經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型發(fā)展[20]。然而，沿海及河口地區(qū)是陸地、海洋、大氣、水汽交界地帶，其物理化學(xué)、生物過程、氣侯變化與水文過程及其互饋?zhàn)饔脧?fù)雜，擋潮閘建設(shè)是綜合性工程問題。綜合考慮防洪擋潮、環(huán)境、生態(tài)、通航等因素是實(shí)現(xiàn)擋潮閘工程科學(xué)布局的重點(diǎn)。

本文對國內(nèi)外已建大跨度擋潮閘工程應(yīng)用進(jìn)行概述，結(jié)合國內(nèi)外大跨度擋潮閘門應(yīng)用實(shí)例分別從大型擋潮閘結(jié)構(gòu)功能特征、適用性、優(yōu)缺點(diǎn)及發(fā)展?fàn)顩r等方面分析歸納，并對擋潮閘發(fā)展趨勢進(jìn)行展望，以期為我國沿海河口地區(qū)大跨度擋潮閘建設(shè)提供參考。

2 擋潮閘概述

2.1 擋潮閘功能

擋潮閘的主要功能是防洪擋潮，防止風(fēng)暴潮等自然災(zāi)害引起河口、湖泊和上游河道地區(qū)海岸洪水災(zāi)害的發(fā)生，避免城市系統(tǒng)災(zāi)害鏈的產(chǎn)生，保護(hù)沿岸城市的生命財(cái)產(chǎn)安全(如圖2)。

圖2 擋潮閘抵御海岸洪水示意圖Fig.2 Schematic diagram of storm surge barriers against flood

當(dāng)預(yù)測極端天氣來臨時(shí)，風(fēng)暴潮作用下將引起海平面上升，此時(shí)關(guān)閉擋潮閘，海水不能通過擋潮閘進(jìn)入向陸側(cè)，使其保持正常水位，避免了風(fēng)暴潮等災(zāi)害引起的海岸洪水對沿海河口地區(qū)城市的侵襲。當(dāng)極端氣候及風(fēng)暴潮退去后，向海側(cè)海平面水位降低，擋潮閘開啟[21]。擋潮閘的建立能夠有效降低河口向陸側(cè)的極值水位高度，提高城市防洪擋潮標(biāo)準(zhǔn)，減少向陸側(cè)防御工事的長度和高度，降低防洪控制失效的風(fēng)險(xiǎn)及防洪控制工程的建造和維護(hù)費(fèi)用。正常情況下?lián)醭遍l處于開啟狀態(tài)，相比于傳統(tǒng)攔河壩，擋潮閘的建設(shè)并不影響河口地區(qū)潮汐海水交換、泥沙運(yùn)移以及港口航道的通航、運(yùn)輸功能。

綜合建閘保護(hù)地區(qū)的功能需求，擋潮閘仍會(huì)產(chǎn)生其他可觀的工程效益。擋潮閘建成后會(huì)在閘內(nèi)形成河道型水庫，可以進(jìn)行淡水資源的蓄積、徑流調(diào)節(jié)，滿足城市對于水資源的需求，充分發(fā)揮水資源的經(jīng)濟(jì)效益。擋潮閘景觀建設(shè)有利于改善城市水環(huán)境，促進(jìn)城市生態(tài)發(fā)展。擋潮閘建設(shè)完成后可以連通兩岸城市地區(qū)，解決交通問題。在充分利用水資源和城市生態(tài)文明建設(shè)的基礎(chǔ)上促進(jìn)工農(nóng)業(yè)、旅游服務(wù)業(yè)的發(fā)展，有利于推動(dòng)城市經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型。目前在國內(nèi)外沿海城市已廣泛規(guī)劃建設(shè)擋潮閘工程，特別是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的沿海河口三角洲地區(qū)，例如大西洋北海南岸、地中海北岸、大西洋西岸和太平洋東岸的荷蘭、英國、意大利、俄羅斯、美國、日本、新加坡等國家。每個(gè)擋潮閘工程項(xiàng)目建設(shè)功能需求大致相同，但是擋潮閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路差別很大，如何總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)、剖析各類典型大跨度擋潮閘的優(yōu)缺點(diǎn)，揚(yáng)長補(bǔ)短、促進(jìn)我國擋潮閘設(shè)計(jì)建設(shè)技術(shù)體系完善和規(guī)范化，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2.2 擋潮閘發(fā)展現(xiàn)狀及規(guī)模

隨著氣侯變化與經(jīng)濟(jì)發(fā)展，全球范圍內(nèi)擋潮閘的建設(shè)數(shù)量也在逐漸增加，例如美國休斯敦加爾維斯頓灣、紐約港，韓國馬三灣、日本東京灣等河口地區(qū)均已規(guī)劃籌建大型擋潮閘防洪控制工程。當(dāng)前全世界范圍內(nèi)的大跨度擋潮閘有20余座，閘門的主要結(jié)構(gòu)特征取決于其功能需求，結(jié)構(gòu)型式多樣[22-23]。閘門啟閉可以沿著水平和豎直方向上進(jìn)行，運(yùn)行方式上可以為平行移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)擋潮閘結(jié)構(gòu)幾何形式也有較大不同，包括平面、弧形、扇形等等，綜合閘門啟閉運(yùn)行方式和幾何形狀方面的結(jié)構(gòu)特征，構(gòu)成了閘門不同的結(jié)構(gòu)型式，當(dāng)前國內(nèi)外已應(yīng)用大跨度擋潮閘的結(jié)構(gòu)型式如圖3。結(jié)構(gòu)型式主要為平面雙開弧門、浮體閘門、橫拉式平面閘門、豎向直升式閘門、橫軸弧形閘門、橫軸扇形閘門、護(hù)目鏡閘門、翻板閘門、充氣式閘門和人字閘門等。

圖3 已建擋潮閘結(jié)構(gòu)型式[22]Fig.3 Structural patterns of constructed storm surge barriers[22]

表1中列舉了全球范圍內(nèi)各類擋潮閘的應(yīng)用實(shí)例概況，自20世紀(jì)60年代開始，地勢低洼的沿海國家已開始為抵御洪水侵襲進(jìn)行擋潮閘建設(shè)，其中1953年荷蘭提出并開始建設(shè)的三角洲工程為擋潮閘建設(shè)代表。隨后毗鄰大西洋、格陵蘭海及北海的歐洲各國(英國、德國、比利時(shí)、意大利等)為保護(hù)國家及沿海城市安全，均開始了擋潮閘工程建設(shè)。近年來隨著全球極端氣候變化，風(fēng)暴潮等自然災(zāi)害頻發(fā)，為避免海岸洪水的侵襲，全球沿海國家在河口地區(qū)均在籌劃建設(shè)大跨度擋潮閘。未來隨著全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展，為應(yīng)對氣候變化所帶來的災(zāi)難性事件，擋潮閘建設(shè)設(shè)計(jì)亟待進(jìn)行規(guī)劃探究。

表1 國內(nèi)外大跨度擋潮閘概況Table 1 Overview of large-span storm surge barriers in China and abroad

圖4 擋潮閘結(jié)構(gòu)類型及閘門結(jié)構(gòu)尺寸選擇Fig.4 Widths and heights of different structural patterns of storm surge barrier

目前所建成擋潮閘的主要功能是防洪擋潮，提高沿海城市防洪擋潮標(biāo)準(zhǔn)、維護(hù)城市安全，其中部分僅滿足河道流量調(diào)節(jié)及城市生態(tài)建設(shè)的水閘不在本文大跨度擋潮閘的列表范圍內(nèi)。傳統(tǒng)的豎向直升式閘門在大跨度擋潮閘工程中應(yīng)用較多，新型閘門結(jié)構(gòu)如橫軸扇形閘門、升臥式翻板閘門的應(yīng)用較少。將表1的各擋潮閘的結(jié)構(gòu)類型與結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)之間的關(guān)系繪于圖4，從圖中可以看出，平面雙開弧形閘門、浮體閘門及豎向直升式閘門大多寬高比較大，適合于大跨度寬淺式的水道及河口地區(qū)；橫拉式平面閘門及升臥式翻板閘門的寬高比較小，其中升臥式翻板閘門圍繞底軸可以進(jìn)行組合布置，適宜作為大跨度、深水航道的防洪控制閘門；橫軸弧形閘門作為擋潮閘應(yīng)用，區(qū)別于傳統(tǒng)水電工程中的弧形閘門調(diào)蓄結(jié)構(gòu)，多采用大寬高比的閘門結(jié)構(gòu)型式；護(hù)目鏡閘門為三鉸拱結(jié)構(gòu)，啟閉控制方式簡單不可控，結(jié)構(gòu)輕便，在已有工程中多作為水道防洪控制閘進(jìn)行流量調(diào)節(jié)。

3 擋潮閘結(jié)構(gòu)特性評述

擋潮閘建設(shè)既是沿海城市及河口地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)健康發(fā)展的安全保障，又是沿海地區(qū)人民生活及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與生態(tài)環(huán)境建設(shè)的水資源保障。擋潮閘建設(shè)也是綜合性工程問題，其對自然潮汐范圍和河流徑流自然特征、河道洄游魚類生長、鳥類繁殖基地和濕地保護(hù)等方面均有一定影響。閘門結(jié)構(gòu)型式的確定與工程建設(shè)維護(hù)費(fèi)用、結(jié)構(gòu)性能、通航需求、閘址選擇、生態(tài)環(huán)境影響等方面均密切相關(guān)。

為便于大跨度擋潮閘建設(shè)中進(jìn)行閘門結(jié)構(gòu)選型與設(shè)計(jì)，本節(jié)接下來將結(jié)合全球已建擋潮閘實(shí)例對其中新型擋潮閘的結(jié)構(gòu)特性、閘門優(yōu)缺點(diǎn)等方面進(jìn)行評述。

3.1 平面雙開弧門

平面雙開弧門是由2個(gè)水平轉(zhuǎn)動(dòng)弧形閘門組成，同時(shí)向河道內(nèi)旋轉(zhuǎn)時(shí)閘門關(guān)閉。每個(gè)弧門結(jié)構(gòu)包括門體、支臂桁架和支鉸3部分。正常擋水情況下，作用在門體上的外荷載通過支臂傳遞到支鉸，最終傳遞至基礎(chǔ)。關(guān)閉狀態(tài)下閘門坐落于河床閘底檻上進(jìn)行攔水，阻止向陸側(cè)的河道水位上升；開啟狀態(tài)下閘門放置在河岸兩邊的閘室中。

該類型閘門最早用于荷蘭鹿特丹新水道的馬斯朗特?fù)醭遍l(Maeslantkering)，閘門支臂采用三角形格構(gòu)式桁架結(jié)構(gòu)，門體為L型箱體結(jié)構(gòu)。閘門運(yùn)行方式通過壓載系統(tǒng)向門體內(nèi)充水與抽水來實(shí)現(xiàn)浮于水中閘門門體結(jié)構(gòu)的下沉與上浮，充分利用水體浮力和自重，極大地便利了閘門的靈活輕便啟閉[24-25]。俄羅斯圣彼得堡擋潮閘(Saint Petersburg Storm Surge Barrier)也采用了平面雙開弧門，不同之處在于該平面雙開弧形閘門的支臂為實(shí)腹式箱型結(jié)構(gòu)[26-27]。中國常州鐘樓防洪工程采用該類型閘門[23]，通過特大型單根鋼絲繩雙向出繩的繩鼓啟閉機(jī)使得閘門沿著底軌滑行至河道中央，啟閉運(yùn)行方式有著顯著不同。具體閘門型式如圖5。

圖5 平面雙開弧門工程應(yīng)用Fig.5 Engineering applications of floating sector gate

該類型閘門結(jié)構(gòu)形式新穎，形成較好的景觀特色。同時(shí)能夠利用門體的水力特性進(jìn)行閘門的運(yùn)行啟閉，減少了相應(yīng)的運(yùn)行啟閉設(shè)備。在正常氣候情況下，閘門?？吭趦砂稖\的閘室之中，并不阻礙水道的潮汐交換、通航以及泥沙運(yùn)移等自然特征。在兩岸閘室中，閘門常處于干燥狀態(tài)，這樣便于對閘門進(jìn)行檢測與運(yùn)行維護(hù)，同時(shí)能避免船舶的碰撞破壞。然而，該類型閘門的主要缺點(diǎn)在于：由于閘門平面尺寸較大以及兩岸閘室的需求，因此需要較大的建設(shè)面積，這對于閘門建設(shè)選址有一定的限制；同時(shí)，閘門結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜，建設(shè)成本及后期運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較高；水動(dòng)力學(xué)方面，由于閘門結(jié)構(gòu)剛度較小，約束較弱，使閘門結(jié)構(gòu)對于動(dòng)態(tài)波浪荷載及其引起的流激振動(dòng)敏感性較強(qiáng)；在涌潮荷載作用下閘門會(huì)承受反向水頭的作用，閘門支臂及支鉸將承受拉力作用，平開弧門對于反向水頭有承載限制；外荷載通過結(jié)構(gòu)最終集中傳遞到支鉸，因此對于支鉸結(jié)構(gòu)性能提出較高要求。

圖6 浮體閘門運(yùn)行簡圖[28]Fig.6 Operation diagram of the swinging gate[28]

3.2 浮體閘門

浮體閘門是一種圍繞水道一側(cè)的豎軸旋轉(zhuǎn)的平板沉箱結(jié)構(gòu)，運(yùn)行簡圖如圖6[28]。門體運(yùn)行方式類似于荷蘭馬斯朗特平面雙開弧門，閘門借助于浮力作用旋轉(zhuǎn)至河道關(guān)閉位置，再通過壓載系統(tǒng)向門體內(nèi)充水使其下沉至閘底檻，實(shí)現(xiàn)水道封閉。風(fēng)暴潮過后擋潮閘兩側(cè)水位接近時(shí)，通過壓載系統(tǒng)將門體內(nèi)部水抽排出閘門門體上浮，旋轉(zhuǎn)至閘首兩側(cè)閘墻的門龕內(nèi)水道開放。

閘門啟閉過程中借助于水力特性通過水流對門體的浮力作用實(shí)現(xiàn)閘門的浮動(dòng)及運(yùn)行，減少了閘門啟閉力及操作設(shè)備安裝數(shù)量。這種類型的閘門多應(yīng)用于過流流量小、水頭較低的水道中，在國外河口淺灘地區(qū)防洪控制工程中應(yīng)用較多。美國新奧爾良內(nèi)港通航運(yùn)河擋潮閘工程(Inner Harbor Navigation Canal Lack Borgne Surge Barrier)[29]采用這種浮體閘門進(jìn)行防洪控制，主要為了減少風(fēng)暴潮引起的海岸洪水對新奧爾良東部脆弱性較高地區(qū)的侵害風(fēng)險(xiǎn)，該擋潮閘工程于2014年獲得美國土木工程師學(xué)會(huì)杰出土木工程成就獎(jiǎng)。美國路易斯安娜州霍馬通航運(yùn)河綜合擋潮閘(Houma Navigation Canal Lock Complex)為大跨度浮體閘門[30-31]，中國常州新閘防洪控制工程中也采用了浮體鋼閘門作為節(jié)制閘[32]，具體工程實(shí)例見圖7。

圖7 浮體閘門工程應(yīng)用Fig.7 Engineering applications of the swinging gate

浮體閘門門體高度限制，寬高比較大，多應(yīng)用于河口淺灘濕地地區(qū)，風(fēng)暴潮來臨時(shí)關(guān)閉閘門，使得河口近陸側(cè)地區(qū)形成避風(fēng)港，減少風(fēng)暴潮海岸洪水的危險(xiǎn)，同時(shí)保證地區(qū)經(jīng)濟(jì)的健康發(fā)展，減緩自然災(zāi)害等導(dǎo)致的河口淺灘濕地的惡化。浮體閘門可以存放在側(cè)墻的門龕內(nèi)，閘室較淺，工程建設(shè)面積較小，對于狹窄的航道仍適用。閘門運(yùn)行時(shí)可以承受雙向不同高度水頭的作用，對于船舶通航凈空高度沒有限制。然而這類閘門的主要缺點(diǎn)為廢棄物和浮冰等易增加河道堵塞風(fēng)險(xiǎn)，閘門門體為長條形沉箱結(jié)構(gòu)，并且圍繞樞軸在水面上旋轉(zhuǎn)，僅通過支鉸處提供較弱的約束控制，增加了浮體閘門對于波浪荷載的敏感性，因此浮體閘門在波浪荷載動(dòng)水中沉浮的穩(wěn)定性是決定該類型擋潮閘可靠性的關(guān)鍵技術(shù)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對閘門整體進(jìn)行穩(wěn)定性安全校核和評價(jià)。

3.3 橫拉式平面閘門

橫拉式平面閘門是垂直于水道方向水平移動(dòng)的單扇平板門，門葉的底部或頂部安設(shè)行走滾輪，可沿軌道橫向移動(dòng)，多在靜水條件下操作。門體為鋼框架支撐結(jié)構(gòu)與前后鋼板組成的封閉浮箱結(jié)構(gòu)，閘門的上半部分為空心箱型結(jié)構(gòu)，因此由于水體對閘門的浮力作用，便于閘門啟閉操作，閘門可以在底部軌道上滾動(dòng)或滑動(dòng)運(yùn)行。開啟狀態(tài)下，閘門停放在水道相鄰一側(cè)的閘室中，河道處于正常的通航運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)預(yù)測海岸洪水發(fā)生時(shí)，閘門進(jìn)入封閉位置，水荷載通過閘門轉(zhuǎn)移至閘室兩邊側(cè)墻上，閘門能夠承載雙向水頭作用，適用于大型窄深式航道的防洪控制閘[33]。比利時(shí)德萊赫特防洪控制工程(Berendrecht Flood Control Rolling Gate)[34]最早采用該類型擋潮閘，巴拿馬運(yùn)河拓展工程(The Panama Canal Expansion Project)新增16扇橫拉式平面通航閘門，主要為擴(kuò)大巴拿馬運(yùn)河通航能力[35]。同時(shí)為保護(hù)當(dāng)?shù)孛馐茱L(fēng)暴潮侵害，增加船舶通航量，促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展，荷蘭艾默伊登新閘(IJmuiden New Sea Lock)進(jìn)行了擋潮閘工程建設(shè)，新?lián)醭遍l[36]為橫拉式平面閘門，將為進(jìn)入阿姆斯特丹港口地區(qū)提供新的通道，具體工程實(shí)例見如圖8。

圖8 橫拉式平面閘門工程應(yīng)用Fig.8 Engineering applications of the rolling gate

該類型閘門結(jié)構(gòu)型式簡單，技術(shù)成熟，外荷載通過閘門傳遞到閘室兩側(cè)，閘門不承受集中荷載作用，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定較好。開啟狀態(tài)下，閘門位于干閘室內(nèi)，便于后期運(yùn)行檢測維護(hù)，能夠承受雙向不同水頭的作用，適合作為大跨度、深水航道的防洪控制閘門。然而這類閘門的主要缺點(diǎn)在于，閘門的橫向拉伸運(yùn)行方式將會(huì)導(dǎo)致閘門建設(shè)需要較大的建設(shè)空間以及閘室的深度開挖，這對于閘門建設(shè)選址提出了較高要求。同時(shí)閘底淤泥等雜物的堆積會(huì)阻礙閘門啟閉運(yùn)行，對于輕質(zhì)橫拉式閘門，波浪荷載作用下導(dǎo)致的流激振動(dòng)對閘門穩(wěn)定性影響較大。

3.4 豎向直升式閘門

豎向直升式閘門在豎直方向上啟閉運(yùn)行，多由兩側(cè)液壓啟閉機(jī)進(jìn)行操作控制。閘門開啟狀態(tài)下，通過兩側(cè)的支撐塔結(jié)構(gòu)將閘門提升于水面之上；關(guān)閉狀態(tài)下，閘門豎直下降置于閘底檻上。這種類型閘門作為河道攔水閘及水電工程中的泄水閘應(yīng)用較為廣泛，但在大跨度擋潮閘上應(yīng)用仍有較多技術(shù)難點(diǎn)，因此在工程應(yīng)用中多進(jìn)行了創(chuàng)新性設(shè)計(jì)。為了承受這種大跨度閘門跨中較大的彎曲應(yīng)力，同時(shí)解決結(jié)構(gòu)合適的剛度強(qiáng)度與輕便啟閉靈活性的矛盾問題，大跨度豎向直升式擋潮閘多采用桁架結(jié)構(gòu)體系作為閘門的主要承載結(jié)構(gòu)，替換了傳統(tǒng)實(shí)腹梁格式閘門結(jié)構(gòu)；同時(shí)將拱形結(jié)構(gòu)形式應(yīng)用于面板和支撐結(jié)構(gòu)，將外界水荷載轉(zhuǎn)化為承重結(jié)構(gòu)的軸向荷載，減小了閘門用鋼量，同時(shí)增加結(jié)構(gòu)整體剛度。將由拱形支撐桁架和拱形面板組成的新型結(jié)構(gòu)型式應(yīng)用于大跨度鋼閘門，可以使結(jié)構(gòu)受力更加合理，充分提高結(jié)構(gòu)材料利用率。豎向直升式閘門在國內(nèi)外大型防洪擋潮控制工程中應(yīng)用較多，荷蘭哈鐵擋潮閘(Hartel Barrier)和艾賽爾擋潮閘(Hollandse IJssel Barrier)均采用了這種大跨度寬淺式豎向直升式閘門，德國西北部海岸埃姆斯擋潮閘(Ems Storm Surge Barrier)[37]采用了豎向直升式閘門，主要調(diào)節(jié)埃姆斯河入海口水位，減少風(fēng)暴潮來臨時(shí)對河口地區(qū)的侵害風(fēng)險(xiǎn)，閘門門體由拱形桁架結(jié)構(gòu)和平面面板組成。為居民生活、工業(yè)發(fā)展以及農(nóng)業(yè)灌溉提供豐富的水資源，提高洪水控制能力，韓國建設(shè)的洛東河擋潮閘(Nakdong River Barrier)也采用這種類型閘門，承載結(jié)構(gòu)和面板均為拱形結(jié)構(gòu)[38]。中國曹娥江大閘采用了雙拱管桁式豎向提升平面鋼閘門[39]，閘門結(jié)構(gòu)由雙拱型桁架承載結(jié)構(gòu)和平面面板組成，雙拱桁架承載結(jié)構(gòu)用來承受向海側(cè)涌潮荷載和上游河道水荷載的雙向水頭作用，具體閘門結(jié)構(gòu)如圖9。

圖9 豎向直升式閘門工程應(yīng)用Fig.9 Engineering applications of vertical lifting gate

該類閘門運(yùn)行過程不需要閘室結(jié)構(gòu)，所需的建設(shè)面積較小。桁架承載結(jié)構(gòu)與拱形結(jié)構(gòu)的結(jié)合為該類型大跨度直升式閘門的主要結(jié)構(gòu)特色。支撐塔結(jié)構(gòu)使得閘門提升機(jī)制簡單，操作運(yùn)行方便，開啟狀態(tài)下，閘門提升至水面以上便于檢測維護(hù)。同時(shí)水流和波浪荷載下閘門操作運(yùn)行可控，閘門受到堆積雜物和浮冰影響較小。然而該類型閘門的主要缺點(diǎn)在于，直升式閘門也限制了船舶通航凈空高度，提升狀態(tài)下閘門受風(fēng)荷載影響較大；過水運(yùn)行時(shí)水流不穩(wěn)定也易導(dǎo)致閘門產(chǎn)生流激振動(dòng)，對閘門穩(wěn)定性具有一定影響，周期性波浪荷載作用多桁架式的支撐結(jié)構(gòu)影響性較大，易導(dǎo)致閘門桁架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的疲勞破壞，這對于桁架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的焊接技術(shù)提出較高要求。隨著新型材料技術(shù)的發(fā)展，新型閘門也可能采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)來減緩閘門運(yùn)行過程中振動(dòng)等問題的發(fā)生。

3.5 橫軸弧形閘門

橫軸弧形閘門由弧形門葉結(jié)構(gòu)、支臂和支鉸組成，閘門繞著水平軸旋轉(zhuǎn)。橫軸弧形閘門支臂結(jié)構(gòu)形式多樣，閘門橫向框架和縱向框架上支臂數(shù)目的差異以及支臂與面板連接的布局方式等結(jié)構(gòu)型式上的不同導(dǎo)致閘門結(jié)構(gòu)性能差異。橫軸閘門受力特性較好，作用在弧門面板上的水荷載通過梁系及支臂傳遞到閘墩支鉸上，兩側(cè)混凝土閘墩結(jié)構(gòu)承受最終荷載。閘門圍繞著中心軸向上翻轉(zhuǎn)達(dá)到開啟狀態(tài)，向下翻轉(zhuǎn)關(guān)閉擋水。當(dāng)前橫軸弧形閘門多應(yīng)用于水電工程中，作為閘壩工程的調(diào)蓄泄水結(jié)構(gòu)，閘門運(yùn)行多依靠液壓啟閉機(jī)進(jìn)行。國內(nèi)外已建工程中采用大跨度弧形閘門作為擋潮閘的工程案例較少，美國福爾斯颶風(fēng)擋潮閘(Fox Point Hurricane Barrier)[40]最先采用大跨度弧形閘門作為擋潮閘，主要為了保護(hù)城市低洼地區(qū)免受颶風(fēng)和風(fēng)暴潮引起洪水的侵襲。荷蘭哈靈水道擋潮閘(Haringvliet Barrier)也采用大跨度橫軸弧形鋼閘門作為擋潮泄水結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)僅擁有2個(gè)縱向支臂的水電工程弧形閘門相比，其不同之處為該弧形閘門在橫向框架上包含4個(gè)支臂[41]。德國北海岸附近的艾德?lián)醭遍l(Eider Barrier)采用了這種類型閘門，主要用于防護(hù)北海風(fēng)暴潮對內(nèi)陸城市的影響。德國西北部海岸埃姆斯擋潮閘(Ems Storm Surge Barrier)[37]其中一孔閘門采用了大跨度橫軸弧形閘門，新穎之處在于弧形閘門面板支承結(jié)構(gòu)由空間桁架組成，承載大質(zhì)量輕(圖10)。

圖10 橫軸弧形閘門工程應(yīng)用Fig.10 Engineering applications of sector gate with horizontal axis

弧形閘門在擋水泄水工程中作為調(diào)控結(jié)構(gòu)應(yīng)用較多，相關(guān)研究應(yīng)用技術(shù)比較成熟。閘門圍繞支鉸運(yùn)行，不需要門槽的建設(shè)，適用于大跨度河道擋水，開啟狀態(tài)下閘門處于空氣中，便于檢測維護(hù)，操作運(yùn)行靈活。然而閘前堆積廢棄物和閘底淤泥對閘門正常運(yùn)行影響較大，接近閉合狀態(tài)下，易導(dǎo)致閘門振動(dòng)，支臂的靜動(dòng)力穩(wěn)定性在設(shè)計(jì)中應(yīng)予以重視，同時(shí)周期性波浪荷載作用下也會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)疲勞破壞。橫軸弧形閘門的結(jié)構(gòu)尺寸也限制著船舶通航凈空高度。

圖11 橫軸扇形閘門運(yùn)行簡圖Fig.11 Operation diagram of the rotary segment gate

3.6 橫軸扇形閘門

橫軸扇形閘門門體為空箱型扇形結(jié)構(gòu)，在驅(qū)動(dòng)力作用下圍繞水平橫軸旋轉(zhuǎn)。開啟狀態(tài)下，閘門平臥于于水道底部閘底檻凹槽內(nèi)，與河床底部平行，不影響通航需求，如圖11(a)。風(fēng)暴潮來臨時(shí)，將閘門逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°進(jìn)入關(guān)閉狀態(tài)，以抵御海岸洪水對沿海城市的侵襲如圖11(b)；再逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°，閘門處于水面上的水平位置，便于閘門檢測維護(hù)。這種類型閘門結(jié)構(gòu)型式新穎，在國內(nèi)外工程應(yīng)用較少，英國倫敦泰晤士河擋潮閘(Thames Barrier)最早采用該類型閘門[42-43]，主要減少北海高潮位和風(fēng)暴潮引起的洪水對倫敦城市的侵害風(fēng)險(xiǎn)，該擋潮閘成為泰晤士河一道靚麗的風(fēng)景。德國埃姆斯擋潮閘(Ems Storm Surge Barrier)[37]其中一孔閘門采用了這種類型閘門，工程應(yīng)用如圖12所示。

圖12 橫軸扇形閘門工程應(yīng)用Fig.12 Engineering applications of the rotary segment gate

該類型閘門結(jié)構(gòu)型式新穎，正常狀態(tài)下閘門處于開啟狀態(tài)，不影響水道通航、泥沙運(yùn)移等自然特性。空箱扇形門體結(jié)構(gòu)使得閘門扭轉(zhuǎn)剛度較大，啟閉機(jī)設(shè)備可以安裝在閘門一側(cè)，所需建設(shè)面積較小，操作機(jī)制比較簡單，便于閘門運(yùn)行過程中的及時(shí)控制操作。根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)要求，閘門可以承受雙向不同水頭的作用，扇形門葉結(jié)構(gòu)使得閘門過流流態(tài)較好，有益于閘門穩(wěn)定安全。然而該類型閘門的主要缺點(diǎn)在于閘底檻凹槽內(nèi)易于堆積河底廢棄物和淤泥，影響閘門啟閉過程，同時(shí)為保證閘門的可靠運(yùn)行，這種類型閘門對于閘底檻平整度要求較高，以便于閘門能順利進(jìn)行開啟關(guān)閉。同時(shí)在閘門接近閉合狀態(tài)，水流和波浪荷載作用下，扇形門葉與閘底檻之間空隙易導(dǎo)致閘門發(fā)生流激振動(dòng)。

3.7 護(hù)目鏡閘門

弧形上翻式閘門為三鉸拱形式， 閘門兩側(cè)鉸接， 橫跨水道兩側(cè)。 由于面板為拱形結(jié)構(gòu)， 啟閉運(yùn)行類似護(hù)目鏡， 形象地稱為護(hù)目鏡閘門。 護(hù)目鏡閘門支鉸位于兩側(cè)橋臺(tái)處， 向上旋轉(zhuǎn)閘門開啟， 向下旋轉(zhuǎn)則閘門進(jìn)入閉合狀態(tài)。 閘門啟閉通過閘墩兩側(cè)的鋼絲繩啟閉機(jī)來進(jìn)行， 控制約束較弱。 上游水荷載作用下拱結(jié)構(gòu)兩端的支座會(huì)產(chǎn)生水平推力， 該推力作用下降低了拱截面彎矩， 使得拱結(jié)構(gòu)以軸向壓力為主， 結(jié)構(gòu)具有較大的剛度與承載能力， 適合于大跨度結(jié)構(gòu)， 具有結(jié)構(gòu)重量輕， 承載效率高的優(yōu)點(diǎn)。 當(dāng)前國內(nèi)外采用大跨度護(hù)目鏡擋潮閘應(yīng)用越來越多， 荷蘭萊茵河擋潮閘(Rhine River Gate)最早采用該類型閘門， 主要用于控制通航和海岸洪水。 日本大阪擋潮閘(Aji River Gate)采用護(hù)目鏡閘門， 主要作為大阪市洪水保護(hù)措施[44]。 中國南京三汊河河口閘、 青島即墨移風(fēng)控制閘以及廣東花地河控制閘均采用了護(hù)目鏡閘門作為城市防洪控制閘門[23]， 主要用于水道流量調(diào)蓄， 改善城市水環(huán)境， 同時(shí)結(jié)合護(hù)目鏡閘門優(yōu)美的結(jié)構(gòu)外形， 充分發(fā)揮擋潮閘景觀作用，提升了城市水文化， 具體工程閘門結(jié)構(gòu)如圖13。

圖13 護(hù)目鏡擋潮閘工程應(yīng)用Fig.13 Engineering applications of the visor gate

護(hù)目鏡閘門基于拱結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要根據(jù)主要外荷載特征確定出合理拱軸線，使得結(jié)構(gòu)滿足較好受力狀態(tài)，材料利用率最大。該類型閘門的主要缺點(diǎn)在于，護(hù)目鏡閘門上下旋轉(zhuǎn)的運(yùn)行方式使得通航船舶的凈空高度會(huì)受到限制，同時(shí)閘門檢測維護(hù)存在一定難度。由于跨度較大，閘門過水流態(tài)會(huì)存在明顯的不對稱現(xiàn)象，閘下左右兩側(cè)沖刷與淤積問題嚴(yán)重。閘門可以滿足閘下泄流和閘頂溢流2種過水方式，由于閘門兩端鉸支，小開度下水流對閘門會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的頂托力，當(dāng)閘門振動(dòng)基頻與流水頻率接近時(shí)，閘門運(yùn)行時(shí)會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)烈的閘門振動(dòng)問題。

3.8 翻板閘門

翻板閘門由擋水門葉結(jié)構(gòu)和水平底軸組成，閘門繞固定的水平底軸旋轉(zhuǎn)。開啟狀態(tài)下，閘門平臥于閘底檻凹槽內(nèi)，與水道河床齊平；關(guān)閉狀態(tài)下，閘門圍繞水平樞軸向上旋轉(zhuǎn)達(dá)到擋水功能，閘門啟閉通過底部樞軸、閘后氣囊或者活塞式液壓啟閉機(jī)來進(jìn)行。常用的翻板閘門為升臥式翻版閘門、底軸驅(qū)動(dòng)式翻板閘門和氣動(dòng)盾形閘門等類型，考慮底軸驅(qū)動(dòng)式翻板閘門對閘室地基要求較高，部分地基下陷會(huì)導(dǎo)致閘門啟閉失效，氣動(dòng)盾形閘門對閘后氣囊材料耐久性要求較高且難以定量控制，對于大跨度擋潮閘多采用升臥式翻板閘門，其運(yùn)行簡圖如圖14。

圖14 浮體升臥式翻板閘門運(yùn)行簡圖[45]Fig.14 Operation diagram of the floating flap gate

升臥式翻板閘門門體為空箱型結(jié)構(gòu)，正常開啟狀態(tài)下閘門門體內(nèi)充水平臥在河床閘室內(nèi)，如圖14(a)；預(yù)測高潮位或風(fēng)暴潮來臨時(shí)，通過水平底軸的底孔向門體內(nèi)充入空氣并排出部分水，借助于浮力作用閘門門體將圍繞水平底軸向上旋轉(zhuǎn)，如圖14(b)；最終閘門立于水面以上達(dá)到擋潮的作用，完成水道封閉，如圖14(c)。風(fēng)暴潮退去時(shí)，通過水平底軸的底孔對閘門門體內(nèi)充水，閘門平臥于河床底部[45]。大跨度擋潮閘工程往往采用多個(gè)翻板閘門，每個(gè)閘門啟閉控制是相互獨(dú)立的，但均通過風(fēng)暴潮預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行操作控制。因此，該類型浮體升臥式翻板閘門適合大跨度防洪控制工程，閘門總跨度可以達(dá)到100 m。意大利威尼斯擋潮閘(Venice Storm Surge Barrier)采用了該類型閘門[46-48]，該擋潮閘工程一共由78扇升臥式擋潮閘組成，總寬度為1 560 m(圖15)。

圖15 威尼斯浮體升臥式翻板擋潮閘(意大利)Fig.15 Engineering applications of Venice flood barriers (Italy)

浮體升臥式翻板擋潮閘與橫軸扇形閘門的運(yùn)行方式類似，開啟狀態(tài)下閘門平臥于閘底檻凹槽內(nèi)，不影響水道正常通航運(yùn)行，適合作為大跨度河口深水區(qū)的防洪控制閘。運(yùn)行過程中可以控制單扇或其中多扇閘門進(jìn)行閘門泄水工作，操作靈活便捷。該類型閘門的主要缺點(diǎn)在于，由于該類閘門圍繞底軸旋轉(zhuǎn)，依靠門體浮力立于水面之上進(jìn)行攔水，波浪涌潮荷載對閘門的振動(dòng)影響較大；淤泥沙子等會(huì)對閘底樞軸磨損腐蝕；同時(shí)閘室和底軸地基沉降均會(huì)導(dǎo)致閘門啟閉存在問題；閘門開啟狀態(tài)下平臥于河床底部，檢測維護(hù)難度較大。

3.9 充氣式閘門和人字閘門

充氣式擋潮閘由高強(qiáng)度合成纖維織物的氣囊錨固在閘底板上，通過充排管路通過將氣囊內(nèi)充水(氣)形成的氣囊式擋水壩。目前充氣式閘門在世界范圍內(nèi)應(yīng)用廣泛，但主要集中適用于低水頭、大跨度的閘壩結(jié)構(gòu)以及河道上的滾水壩和節(jié)制閘，在城市河道水環(huán)境建設(shè)方面應(yīng)用較多。作為沿海地帶擋潮閘的應(yīng)用較少，荷蘭Ramspol擋潮閘工程(Ramspol Barrier)采用充氣式閘門[49]，主要用于保護(hù)艾賽爾西北地區(qū)免受風(fēng)暴潮導(dǎo)致的洪災(zāi)侵害，降低閘后城市地區(qū)設(shè)計(jì)洪水達(dá)到指定的保護(hù)級(jí)別。相比于傳統(tǒng)擋潮閘，充氣式擋潮閘需要較少的建設(shè)、操作和管理費(fèi)用[50]，建設(shè)成本低。長期處于海水中，閘門易受磨損，局部破壞對閘門整體安全運(yùn)行影響較大；同時(shí)閘門屬于柔性結(jié)構(gòu)，振動(dòng)基頻低，對于波浪荷載有很大的響應(yīng)，不適合于深水。

人字閘門是大型的空間薄壁結(jié)構(gòu)，由兩扇分別繞水道邊壁內(nèi)的豎直門軸旋轉(zhuǎn)的門葉組成。人字閘門一般只能承受上游單向水壓力，并且多在上下游水位持平的靜水狀態(tài)下操作運(yùn)行，對反向水頭作用敏感，因此常作為通航船閘運(yùn)行，與具有通航限制的擋潮閘以及堤壩等結(jié)合組成河口地區(qū)風(fēng)暴潮防洪控制工程。

4 結(jié)論與展望

4.1 結(jié) 論

擋潮閘工程是保護(hù)沿海河口城市免受海岸洪水侵襲的關(guān)鍵措施，特別是隨著沿海城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展和氣侯變暖與極端氣侯頻發(fā)，擋潮閘工程建設(shè)作為沿海城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)健康持續(xù)發(fā)展的安全屏障將得到迅速發(fā)展。從目前國際擋潮閘建設(shè)發(fā)展看仍處在不斷探索不斷創(chuàng)新的多樣化發(fā)展階段，有必要結(jié)合擋潮閘的防御任務(wù)規(guī)模和閘門結(jié)構(gòu)受力特征、功能及運(yùn)行規(guī)律，建立一套設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)體系與規(guī)范。本文對國內(nèi)外已建大跨度擋潮閘工程進(jìn)行了概述，分別對各類型閘門結(jié)構(gòu)功能特征及適用性、優(yōu)缺點(diǎn)以及發(fā)展?fàn)顩r等進(jìn)行總結(jié)歸納，得到如下結(jié)論：

(1)極端氣候變化及風(fēng)暴潮等自然災(zāi)害綜合效應(yīng)疊加引起的海岸洪水將對沿海城市安全構(gòu)成較大威脅，加強(qiáng)沿海河口地區(qū)擋潮閘防洪控制工程建設(shè)十分必要。

(2)在傳統(tǒng)閘門結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，已建擋潮閘多從結(jié)構(gòu)合理受力、水力特性、運(yùn)行方式及結(jié)構(gòu)美觀性等方面進(jìn)行了創(chuàng)新。將拱形結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)等新型結(jié)構(gòu)型式應(yīng)用于擋潮閘，使得結(jié)構(gòu)受力合理，充分利用水體浮力等閘門水力特性使得閘門結(jié)構(gòu)運(yùn)行靈活輕便。

(3)擋潮閘結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，周期性波浪荷載、海岸洪水對閘門結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力穩(wěn)定影響較大，新型擋潮閘結(jié)構(gòu)的控制約束較弱，閘門結(jié)構(gòu)對于動(dòng)態(tài)波浪荷載及其引起的流激振動(dòng)敏感性較強(qiáng)，閘門結(jié)構(gòu)流激振動(dòng)和疲勞破壞問題突出。

4.2 展 望

隨著全球氣候變化與經(jīng)濟(jì)發(fā)展，沿海國家擋潮閘的建設(shè)規(guī)劃正在逐漸增加。本文提出以下3方面展望，以期為我國沿海和河口地區(qū)擋潮閘建設(shè)提供參考：

(1)極值水位及海岸洪水的發(fā)生對沿海城市地區(qū)安全的影響應(yīng)引起關(guān)注，在極端氣侯頻發(fā)及沿海城市經(jīng)濟(jì)社會(huì)地位更加突出的前提下，應(yīng)對設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的提高進(jìn)行深入研究。

(2)隨著全球沿海及河口防洪控制體系的不斷建設(shè)，結(jié)合結(jié)構(gòu)合理受力及水力控制的要求來創(chuàng)新結(jié)構(gòu)形式，適應(yīng)我國沿海地區(qū)的擋潮閘設(shè)計(jì)規(guī)范或?qū)t需要進(jìn)一步研究制定。

(3)加強(qiáng)擋潮閘控制運(yùn)行優(yōu)化研究，建立風(fēng)暴潮預(yù)警系統(tǒng)預(yù)判海岸洪水發(fā)生和應(yīng)急預(yù)案及措施制定，實(shí)時(shí)觀測和預(yù)測模型與防洪工程智能控制技術(shù)的研究。