中型水閘防洪能力復(fù)核分析

郭芮 中山市堤圍管理中心

水閘是防洪保安全、水資源調(diào)控、蓄水灌溉的重要公共基礎(chǔ)設(shè)施[1]，它主要利用閘門控制流量和調(diào)節(jié)水位[2]，在汛期的時候減輕或消除水旱災(zāi)害，保障人民的生命財產(chǎn)安全。經(jīng)過多年的運行，因各水閘技術(shù)管理水平和維修經(jīng)費等問題，得不到及時的水閘的防洪能力可能達不到設(shè)計標準，如果水閘防洪能力出現(xiàn)問題，造成的影響和損失將是巨大的[3]。為了了解水閘的防洪能力是否滿足設(shè)計標準，對水閘的防洪能力進行復(fù)核。防洪標準復(fù)核應(yīng)包括洪水標準、閘頂與堤頂高程、過流能力復(fù)核等[4]。本文選取中山市拱北水閘的防洪能力復(fù)核為例作為分析研究中型水閘防洪能力復(fù)核的基礎(chǔ)，期待對其他水閘的防洪能力分析提供參考。

1.拱北水閘基本概況

拱北水閘位于橫欄鎮(zhèn)拱北河出口處，外臨磨刀門水道，是中順大圍干堤四座中型水閘之一，該水閘的主要功能是防洪（潮）、排澇，兼顧引水灌溉。該水閘主要建筑物級別為1級，次要建筑物級別為3級。水閘總凈寬56m，設(shè)8孔，單孔凈寬7m，閘室段長度16m，閘底板面高程-2.2 m，閘頂高程5.55 m。

2.防洪標準復(fù)核

2.1 設(shè)計標準

拱北水閘原設(shè)計洪水標準為50年一遇，校核洪水標準為歷史最高潮位，設(shè)計最大排水量為207m3/s，設(shè)計最大引水量為174m3/s。因拱北水閘原防洪（潮）標準低于規(guī)劃防洪要求。

綜合考慮，本次復(fù)核采用100年一遇設(shè)計，200年一遇洪（潮）水位校核；排澇標準為30年一遇最大24小時設(shè)計暴雨所產(chǎn)生的徑流量1d排干不致災(zāi)。

2.2 設(shè)計洪水

2.2.1 外江設(shè)計洪水位

拱北水閘外江水位采用相應(yīng)日多年平均水位，即1.22 m。

2.2.2 設(shè)計暴雨成果

采用圖集法，根據(jù)廣東省水文局2003年編制頒布的《廣東省暴雨參數(shù)等值線圖》查得中順大圍中心區(qū)域的各歷時暴雨參數(shù)Ht和Cv，Cs取3.5Cv，在廣東省水文局2003年編制頒布的《廣東省暴雨徑流查算圖表》使用手冊中查出各歷時暴雨P(guān)=2%、P=3.33%、P=5%、P=10%對應(yīng)的Kp值，再查出中順大圍各分區(qū)各歷時的點面換算系數(shù)αt，求得中順大圍各分區(qū)不同頻率的最大1小時、6小時、24小時和72小時的設(shè)計面暴雨值。拱北水閘所屬分區(qū)為橫欄主片區(qū)，橫欄分區(qū)設(shè)計面暴雨成果見表 1。

表1 橫欄分區(qū)設(shè)計面暴雨成果

2.2.3 設(shè)計洪水成果

參照珠江三角洲地區(qū)擬定扣損值及蓄滯水深經(jīng)驗值，中順大圍各分區(qū)的城鎮(zhèn)道路扣損值為2mm/h，經(jīng)濟作物、山地扣損值為3mm/h，魚塘、農(nóng)田蓄滯水深為100mm。根據(jù)確定的損失值、蓄滯值和各分區(qū)地類面積，分別按30、20、10年一遇最大24小時設(shè)計暴雨，通過扣損法計算得橫欄主片區(qū)的設(shè)計產(chǎn)水過程，見表2。設(shè)計洪水成果采用扣損法的計算成果，各集水區(qū)域設(shè)計洪水過程線按凈雨過程線乘以相應(yīng)地類面積再除以3600s 后累加得到。

表2 橫欄主片區(qū)設(shè)計洪水計算成果

2.3 設(shè)計水位

2.3.1 內(nèi)、外江設(shè)計潮位

拱北站內(nèi)河2010年～2019年共10年實測最高水位資料，其中實測拱北水閘閘內(nèi)最高水位0.7 m；拱北測站進行多年平均潮水位計算，由于地面沉降原因，導致了觀測水尺下沉，觀測值偏高，所以對拱北站點系列年特征水位均做了修正，即拱北站實測多年平均高潮位2.48m，年平均高潮位多年平均值0.63m。

2.3.2 外江設(shè)計水面線

外江設(shè)計水面線直接采用2003年的《中山市主要閘、涵設(shè)計洪潮水面線計算》成果。見表3。

表3 拱北水閘外江設(shè)計水面線

2.3.3 閘內(nèi)設(shè)計水位

從長遠角度考慮，結(jié)合各縣、市治澇經(jīng)驗，排澇區(qū)內(nèi)將來可能興建大型排澇泵站，將會進一步降低閘內(nèi)水位，經(jīng)多方調(diào)查認為取0.30m較合適，但本次復(fù)核仍取內(nèi)水設(shè)計水位為0.50m。

2.4 水閘過流能力復(fù)核

2.4.1 外江設(shè)計高潮位

根據(jù)遭遇分析結(jié)果，中順大圍內(nèi)河洪水與外江洪（潮）水遭遇是隨機的。依據(jù)有關(guān)文件，外江水位一般根據(jù)之前實測資料分析澇區(qū)暴雨與外江水位的遭遇情況，合理確定各有關(guān)水位，據(jù)此求出設(shè)計、最大、最小揚程；若無實測資料，潮區(qū)可采用五年一遇的最高水位為上水位、其余地區(qū)可采用外江多年平均洪峰水位為上水位。

2.4.2 水閘規(guī)模復(fù)核工況

水閘過流能力標準為30年一遇，水位主要受內(nèi)洪控制，綜合考慮充分發(fā)揮水閘的自排功能，采用外江年平均高潮位多年值相應(yīng)的潮位過程。

2.4.3 雨峰與洪峰遭遇

橫欄片區(qū)南、北、東均為整體片區(qū)所包，西側(cè)為外江，其水文條件與整體片區(qū)基本一致，故遭遇標準取與整體片區(qū)相同，拱北水閘為橫欄主片區(qū)規(guī)模最大水閘，故峰峰相碰取圍內(nèi)雨峰碰拱北閘外潮峰。

2.4.4 外江設(shè)計潮位過程

按照高潮位相接近的原則，選擇典型潮位過程作為排澇計算下邊界條件。經(jīng)對比，計算時選用2011年5月24日拱北水閘外江潮位過程作為典型潮位過程。

2.4.5 整體片區(qū)排澇計算方法

采用一維河網(wǎng)潮流數(shù)學模型，進行調(diào)蓄演算，調(diào)蓄演算的計算原則是：按圍內(nèi)30年一遇設(shè)計洪水過程的洪峰與外江相應(yīng)日多年平均洪（潮）水位（拱北1.22 m）的設(shè)計潮型過程的最高水位峰峰遭遇的最不利情況考慮計算。依據(jù)各分區(qū)地面高程、河涌堤頂高程和河涌安全等因素綜合確定控制水位，拱北水閘各相關(guān)特征水位為起排水位0.3m、最低水位0m、最高控制水位1.3m、外江最高水位1.22m。

2.4.6 水閘過流計算

水閘過流能力復(fù)核計算根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL265-2016）、《水力計算手冊（第二版）》等進行計算。實測閘底板高程為-2.20m，閘孔總凈寬56m。

2.4.7 水位～涌容關(guān)系

根據(jù)測量資料及區(qū)域排澇規(guī)劃成果，得到拱北河的水位～涌容關(guān)系，見表4。

表4 拱北河的水位～涌容關(guān)系

2.4.8 調(diào)蓄演算成果及水閘過流能力復(fù)核

考慮排澇規(guī)劃提出的水閘規(guī)模擴建方案實施后的前提下，對該排澇分區(qū)進行調(diào)蓄演算，30年一遇設(shè)計洪水過程，調(diào)蓄計算結(jié)果見表5，內(nèi)河最高水位為1.26m，對應(yīng)外江最高水位為1.22m。

表5 調(diào)蓄演算計算結(jié)果

排水工況，內(nèi)河最高水位為1.26 m；引水工況，在閘內(nèi)外相同水頭差的情況下，內(nèi)河水位越低，引水流量越小，按閘內(nèi)水位達到內(nèi)河最低控制水位0.0 m開始復(fù)核引水最不利，依據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL 265-2016）“平原區(qū)水閘過閘水位差可采用0.1～0.3 m”復(fù)核水閘過流能力，經(jīng)計算均為高淹沒堰流，成果見表6。

表6 拱北水閘過流能力計算成果

拱北水閘設(shè)計最大排水流量為207m3/s，當圍內(nèi)遭遇30年一遇設(shè)計洪水過程，內(nèi)河最高水位為1.26m時，在過閘水位差為0.10 m、0.20 m、0.30 m 時的過閘流量分別為258.31m3/s、348.03m3/s、406.28 m3/s，滿足設(shè)計泄流能力207m3/s的要求。拱北水閘設(shè)計最大引水量為174.8m3/s，引水工況下在過閘水位差為0.11 m、0.20 m、0.30 m時的過閘流量分別為175.28 m3/s、231.38 m3/s、318.36 m3/s，滿足設(shè)計引水流量要求。

2.5 閘頂高程復(fù)核

根據(jù)《水閘設(shè)計規(guī)范》（SL265-2016）復(fù)核閘頂高程，水閘閘頂高程根據(jù)擋水和泄洪兩種運用情況確定。波浪計算高度采用規(guī)范附錄E的公式進行計算，其中多年最大風速28m/s，風區(qū)長度取452m。

拱北水閘為1級水閘，擋水時，正常蓄水位安全超高取0.7m，最高擋水位安全超高取0.5m；泄洪時，設(shè)計洪水位安全超高值為1.5m，校核洪水位安全超高取1.0m。

拱北水閘遭遇100 年一遇（P=1%）、200年一遇（P=0.5%）時，水閘閘頂高程計算成果見表7。

表7 水閘閘頂高程計算成果表

遭遇100年一遇設(shè)計潮水位時，根據(jù)復(fù)核計算閘頂高程計算值為5.24 m，拱北水閘現(xiàn)有閘頂高程為5.55 m，能夠滿足規(guī)范要求；在排澇工況下，當圍內(nèi)遭遇30年一遇設(shè)計洪水過程，內(nèi)河最高水位為1.26m時，根據(jù)復(fù)核計算閘頂高程計算值為2.76 m，拱北水閘現(xiàn)有閘頂高程為5.55 m，可以滿足規(guī)范要求。

3.結(jié)論

通過對拱北水閘洪水標準、閘頂與堤頂高程、過流能力的復(fù)核計算，拱北水閘防洪能力滿足要求。定期對中型水閘防洪能力復(fù)核，了解水閘運行狀況，為除險加固提供有效依據(jù)，保證水閘安全。