水閘安全等級評價中防洪標準的研究分析

葛平磊

中山市堤圍管理中心 廣東 中山 528400

1 工程概況

案例水閘位于中山市民三聯(lián)圍三角堤段西干堤，舊閘始建于1959年，后于1995年原址重建，是三角鎮(zhèn)外江堤防上一座重要的中型水閘，主要功能為防洪(潮)、排澇，經(jīng)歷了幾次大的臺風暴雨，案例水閘成為所在區(qū)域防洪排澇體系的重要組成部分，為三角鎮(zhèn)經(jīng)濟發(fā)展和人民生命財產(chǎn)安全提供了保障。水閘原設計按50年一遇洪水設計，設計洪水位為3.6m，設計排澇標準采用20年一遇，主要建筑物級別為3級。水閘共3孔，閘孔總凈寬17m，閘底板面高程-1.4m。水閘外江為雞鴉水道與黃沙瀝水道交匯處，經(jīng)過多年實際運行，水閘出現(xiàn)了運行安全問題[1]。

2 采用的重要水位資料

2.1 外河設計洪潮水位

外江（黃沙瀝水道）的設計洪潮水面線，直接采用《關(guān)于發(fā)送珠江三角洲主要測站設計潮位復核成果協(xié)調(diào)會會議紀要的函》（珠水規(guī)計函〔2011〕321號）的成果，如表。

表1 外江設計洪潮水位

由上表可知，外江50年一遇洪潮水位位3.39m。

2.2 案例水閘特征潮水位

根據(jù)計算需要，通過水文站數(shù)據(jù)資料，現(xiàn)已整理2000～2019共計20年的實測外江水位資料，可推算案例水閘潮位值。

表2 案例水閘潮位特征值

2.3 內(nèi)河水位以及各種工況下水位組合

根據(jù)中山市水務局文件《關(guān)于執(zhí)行各聯(lián)圍內(nèi)河最高運行水位及內(nèi)河堤加高標準的通知》（中內(nèi)河〔2015〕1號），并結(jié)合三角鎮(zhèn)地面高程情況，保證鎮(zhèn)內(nèi)低洼地澇水能順利排出，確定民三聯(lián)圍三角鎮(zhèn)內(nèi)河最高運行水位為1.50m。

各種工況下水位組合如下：

設計防洪工況：外河水位3.39m （P-2%外江潮水位）

內(nèi)河水位：1.50m (內(nèi)河最高水位）

正常運行工況：外河水位0.22m （外江多年平均潮水位）

內(nèi)河水位：0.22m（外江多年平均潮水位）

校核工況：外河水位3.79（歷史最高水位）

內(nèi)河水位1.50m （內(nèi)河最高水位）

3 防洪標準研究分析

3.1 設計洪峰流量計算

本次分別采用圈面積法、流量分配法以及水文模型法三種方法求得20年一遇洪峰流量，三種方法求得20年一遇洪峰流量分別為74.3m3/s，65.6m3/s，56m3/s。三種方法各有缺點，故結(jié)合實際情況，為安全起見，取三種方法的計算最大值即74.3m3/s作為設計洪峰流量成果。

3.2 堤頂高程復核

根據(jù)上述設計洪水工況，設計洪水位采用50年一遇洪水位3.39m，計算風速采用歷年汛期最大風速平均值的1.5倍，中山市石岐站計算的歷年汛期最大風速平均值是16m/s，計算風速為24m/s。堤頂超高以及風浪要素計算公式：

上述公式中，Y-為堤頂超高，Rp-為頻率為P時的波浪爬高，e-為設計風雍增水高度，A-為安全加高值，為平均波高，為平均波周期，V-計算風速，F(xiàn)-風區(qū)長度，K-為綜合摩阻系數(shù)，m-為斜坡坡率。根據(jù)上述計算公式和參數(shù)，堤頂高程結(jié)果如表：

表3 堤頂高程計算表

（續(xù)表）

案例水閘所在堤防已按30年防洪潮標準進行了達標整治。通過對水閘兩側(cè)堤防高程按50年一遇洪水水位加堤頂超高進行復核，得出堤頂高程如上表結(jié)果5.01m，而實際現(xiàn)狀案例水閘左右岸堤頂高程分別為4.61m、4.52m，現(xiàn)狀堤頂高程均不滿足要求[2]。

3.3 水閘閘頂高程復核

《水閘設計規(guī)范》（SL265-2016）第4.2.4條規(guī)定，“擋水時，閘頂高程不應低于正常蓄水位或最高擋水位加波浪計算高度與相應安全超高之和”。同上，設計工況下設計洪水位采用50年一遇洪水位3.39m，計算風速為重現(xiàn)期為50年的最大風速28m/s；校核工況下洪水位采用歷史最高潮水位3.41m，計算風速采用多年平均最大風速16m/s。有關(guān)計算公式如下：

上述公式中，Z-為閘頂高程，h0-為計算潮水位，A-為安全超高，hm-為平均波高，v0-為計算風速，D-為風區(qū)長度，Hm-為風區(qū)內(nèi)的平均水深，Tm-為平均波周期，Lm-為平均波長，H-閘前水深，hp-為相應于波列累計頻率p的波高，hz-為波浪中心超出計算水位的高度。根據(jù)上述計算公式和參數(shù)，閘頂高程結(jié)果如表：

案例水閘所在堤防為2級堤防，防洪標準為50年一遇，烏沙水閘段設計堤頂高程為5.01m，現(xiàn)狀水閘閘頂高程為4.54m，由計算可知，水閘閘頂高程在設計工況和校核工況下分別為4.27m、4.46m，根據(jù)《水閘設計規(guī)范》中“位于防洪、擋潮堤上的水閘，其閘頂高程不得低于防洪、擋潮堤頂高程”，水閘閘頂高程不滿足要求[3]。

表4 閘頂高程計算表

4 過流能力復核

根據(jù)《堤防工程設計規(guī)范》，水閘的過閘差值應該根據(jù)上游淹沒影響允許的過閘單寬流量和水閘工程造價等因素綜合比較選定，一般情況下，平原區(qū)水閘的過閘水差應采用0.1～0.3m。參考相關(guān)規(guī)范，結(jié)合本區(qū)實際情況，該水閘過流能力計算設計水位采用外江多年平均低潮水位-0.08m作為過流能力計算的邊界條件。計算公式：

對于平底閘，當為堰流時，水閘泄流能力計算根據(jù)規(guī)范中的水力計算公式：

上述公式中：Q-為過閘流量，δ-為堰流淹沒系數(shù)，ε-為側(cè)收縮系數(shù)，B0-為閘孔總凈寬，m-為堰流流量系數(shù)，hs-為由堰頂算起的下游水深，H0-為計入行近流速水頭的堰上水深對于平底閘，當堰流處于高淹沒度時，即hs/H00.9，水閘的過流能力計算公式：

表5 過閘流量計算結(jié)果

案例水閘20年一遇洪峰流量為74.3m3/s，由計算結(jié)果可知，水位差在0.1～0.3m時，水閘過流能力均小于20年一遇洪峰流量。根據(jù)《水閘安全評價導則》，結(jié)合水閘過流能力安全性、閘頂與堤頂計算分析，可定義案例水閘的防洪標準安全性等級為C級。

5 結(jié)束語

水閘安全綜合評價包括結(jié)構(gòu)安全、抗震、金屬結(jié)構(gòu)、滲流、防洪標準以及機電設備等安全評價，防洪標準復核評價只是其中部分內(nèi)容，后期可根據(jù)《水閘安全評價導則》要求進行多方面綜合分析，確定對水閘進行除險加固還是報廢重建。在采取對應措施之前，都應制定應急預案，強化工程管理，做好工程監(jiān)測和預警預報工作，確保運行安全。