沿海擋潮排澇閘閘孔寬度計(jì)算

孔 艷，顏 建，孫佑祥，杜寶義

(1.連云港市市區(qū)水工程管理處，江蘇 連云港 222003；2.連云港市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 連云港 222003)

沿海地區(qū)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(guān)，目前尚無標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法，通常采用半日河川水庫動(dòng)態(tài)水量平衡演算的方法計(jì)算[1]。

半日河川水庫法是將閘上河床看成是臨時(shí)調(diào)節(jié)的水庫，當(dāng)漲潮且潮水位高于內(nèi)河水位時(shí)，關(guān)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(dāng)落潮且潮水位低于內(nèi)河水位時(shí)，開閘排水。隨著每次潮水位的漲落，水庫進(jìn)行一次調(diào)節(jié)。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(jù)擋潮閘的控制特點(diǎn)，利用簡化的變量流動(dòng)力平衡方程式和連續(xù)方程式逐段地計(jì)算過閘流量及河網(wǎng)內(nèi)各地流量隨外河潮水位變化在時(shí)段內(nèi)的水力參數(shù)[2-3]，這種計(jì)算方法比較簡便，但需將閘上河網(wǎng)看成河川水庫，并不計(jì)上下游水位差，不符合客觀實(shí)際，計(jì)算結(jié)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(xué)研究所(DHI)開發(fā)的Mike11計(jì)算軟件建立了一維非恒定流水動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，并從“滿足區(qū)域排澇要求、考慮水閘消能防沖要求、采用經(jīng)濟(jì)合理的規(guī)模、與河道規(guī)模相匹配”等方面綜合分析，經(jīng)比選確定最終方案，取得了合理的結(jié)果。

1 工程概況

連云港市某擋潮閘于1972年建成，原設(shè)計(jì)共5孔，每孔凈寬5m，閘底板頂高程-2.5m，設(shè)計(jì)流量159 m3/s，是閘上河道唯一的排水入?？陂T，兼具擋潮排澇蓄水等功能。該閘原設(shè)計(jì)排澇標(biāo)準(zhǔn)為5a一遇，設(shè)計(jì)排澇流量159m3/s。隨著近年來城市的發(fā)展建設(shè)，該閘排水范圍內(nèi)鹽田、魚塘、農(nóng)田等相繼轉(zhuǎn)化為城市建設(shè)用地，排澇標(biāo)準(zhǔn)也提高到20a一遇，經(jīng)計(jì)算閘上20a一遇設(shè)計(jì)排澇流量為259m3/s，現(xiàn)狀該閘過流能力已嚴(yán)重不足，加之安全鑒定所呈現(xiàn)的其他工程問題，亟需對(duì)該閘進(jìn)行拆除重建。

2 水利計(jì)算模型

本次采用非定常水動(dòng)力學(xué)模型的控制方程一維非定常水動(dòng)力學(xué)模型，使用丹麥水力科學(xué)研究所(DHI)開發(fā)的Mike11計(jì)算軟件建立了水利計(jì)算模型。一維非恒定流動(dòng)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(shù)；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(dāng)x=0時(shí)，Z(x，t)=Z(0，t)；當(dāng)x=L時(shí)，Z(x，t)=Z(L，t)。

3 擋潮閘閘孔總凈寬確定因素

根據(jù)SL 265—2016《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》，擋潮閘閘孔的總凈寬應(yīng)以可能出現(xiàn)的最不利潮型作為設(shè)計(jì)潮型，并考慮上游河道調(diào)蓄能力、潮汐河口回淤對(duì)擋潮閘泄流的影響等因素按水庫調(diào)節(jié)計(jì)算確定[4]。結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)，擋潮閘閘孔總凈寬主要考慮以下幾方面的因素。

(1)滿足區(qū)域排澇要求。根據(jù)城市防洪規(guī)劃，規(guī)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(nèi)排澇最高控制水位為3.03m[5]。因此，該閘所在排水片水利計(jì)算按規(guī)劃工況下該閘閘前排澇水位不超過2.90m且排水片內(nèi)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(duì)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(duì)水閘消能防沖要求越高，同時(shí)對(duì)水閘安全泄流也不利。根據(jù)該閘所處地基條件及目前水閘建設(shè)經(jīng)驗(yàn)和相應(yīng)技術(shù)水平要求，水閘最大單寬流量宜控制在12m3/s以內(nèi)。

(3)水閘規(guī)模應(yīng)經(jīng)濟(jì)合理。水閘規(guī)模達(dá)到一定程度后，若進(jìn)一步擴(kuò)大水閘規(guī)模，閘前河網(wǎng)水位降低幅度會(huì)逐步減小，水閘規(guī)模宜選擇水位降幅曲線的拐點(diǎn)處。

(4)與河道規(guī)模相匹配。根據(jù)SL 265—2016，閘室總寬度大體上與上、下游河道寬度(即通過設(shè)計(jì)流量的平均過水寬度)相適應(yīng)[4]；根據(jù)項(xiàng)目區(qū)周邊幾座大型水閘工程的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，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(shè)青坎，青坎寬8m，青坎以下、以上邊坡分別為1∶5、1∶3；經(jīng)計(jì)算，設(shè)計(jì)排澇水位2.90m時(shí)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(jié)果

本次對(duì)該閘所在排水片進(jìn)行了一維河網(wǎng)非恒定流水利計(jì)算，擬定不同的閘總凈寬方案，經(jīng)比選確定最終方案。

根據(jù)河網(wǎng)模型計(jì)算，得到規(guī)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(guān)系如圖1所示。

表1 不同凈寬下河網(wǎng)計(jì)算成果(規(guī)劃工況)

圖1 閘寬與排水片及閘前最高水位關(guān)系圖(規(guī)劃工況)

由表1及圖1可知，規(guī)劃工況下各方案排水片內(nèi)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??；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(diǎn)處。

考慮到閘總凈寬45m方案位于水位降幅曲線的拐點(diǎn)，當(dāng)閘寬超過45m后水位降幅明顯減小，經(jīng)濟(jì)上已不合理；且該方案在規(guī)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(shè)計(jì)條件相適應(yīng)。因此，認(rèn)為該閘總凈寬45m方案基本合適?？紤]規(guī)劃適當(dāng)留有余地，并結(jié)合閘河相匹配的原則，該閘拆建閘總凈寬最終確定為50m。規(guī)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(guī)劃相關(guān)要求是相適應(yīng)的，滿足區(qū)域排澇要求。

5 結(jié)語

本文深入分析了擋潮排澇閘閘孔總凈寬確定的相關(guān)因素，主要有“滿足區(qū)域排澇要求、考慮水閘消能防沖要求、采用經(jīng)濟(jì)合理的規(guī)模、與河道規(guī)模相匹配”等方面，通過一維河網(wǎng)非恒定流水利計(jì)算，擬定不同的閘總凈寬方案，經(jīng)比選確定最終方案，取得了合理的結(jié)果，可供類似擋潮排澇閘設(shè)計(jì)工作參考。