王 芳

（上海市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 上海 200233）

上海地區(qū)排澇水閘合理規(guī)模的探討

王 芳

（上海市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 上海 200233）

排澇水閘是平原河網(wǎng)地區(qū)重要的排澇設(shè)施，對(duì)于城市水安全具有重要的作用，上海地區(qū)的排澇設(shè)施一般需經(jīng)過規(guī)劃和設(shè)計(jì)兩個(gè)階段。本文通過對(duì)影響水閘規(guī)模的因素進(jìn)行分析，結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)不同階段在確定水閘規(guī)模時(shí)需注意的問題進(jìn)行探討。

排澇水閘 單寬流量 不沖流速 閘寬/河寬比

上海位于長江下游的平原河口地區(qū)，河網(wǎng)水系密布，全市共有水閘2000多座，其中沿江沿海水閘就有近70座。這些水閘是地區(qū)排澇的重要設(shè)施，對(duì)于城市水安全具有重要的作用，合理的水閘規(guī)模和布局對(duì)于城市的排澇能力至關(guān)重要。近年來，許多城市內(nèi)澇不斷，嚴(yán)重影響了城市的正常運(yùn)行和人民生命財(cái)產(chǎn)安全，因此有必要更加重視城市的排澇設(shè)施規(guī)劃和建設(shè)。

上海地區(qū)由于城市總體布局的需要和建設(shè)用地的限制，排澇設(shè)施的規(guī)模一般需經(jīng)過兩個(gè)階段論證后確定，首先由城市規(guī)劃和除澇規(guī)劃階段確定排澇設(shè)施包括水閘的布局和規(guī)模，然后工程設(shè)計(jì)階段在規(guī)劃的基礎(chǔ)上再進(jìn)行復(fù)核優(yōu)化。由于規(guī)劃階段側(cè)重于地區(qū)除澇設(shè)施的總體布局，而工程設(shè)計(jì)階段重點(diǎn)研究的是某一個(gè)單體的水閘，兩者關(guān)注的影響因素不同，如果不能很好的銜接，有可能導(dǎo)致確定的水閘規(guī)模不合理。本文將結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)影響水閘規(guī)模的一些因素和不同階段需注意的問題進(jìn)行探討，對(duì)其他城市的排澇設(shè)施規(guī)模也可起到一定的借鑒作用。

1 規(guī)劃排澇流量和設(shè)計(jì)排澇流量的關(guān)系

水閘規(guī)模一般根據(jù)排澇流量而定，平原地區(qū)水閘的流量是隨下游水位（或潮位）的變化過程而不斷變化的，受閘下水位的影響較大。除澇規(guī)劃階段，一般是在河網(wǎng)水系布局、下墊面構(gòu)成等基本確定的基礎(chǔ)上，規(guī)劃人員按照排澇標(biāo)準(zhǔn)相應(yīng)的暴雨雨型及相應(yīng)潮型，擬定多方案的排水口門布局和規(guī)模，通過河網(wǎng)水動(dòng)力模型計(jì)算，分析該地區(qū)河網(wǎng)的水位變化過程和分布，與目標(biāo)值進(jìn)行分析比較后，確定相應(yīng)的排澇布局和規(guī)模，并以各排水口門的排澇過程，取其中的最大流量作為規(guī)劃流量。

工程設(shè)計(jì)階段，水閘的規(guī)模首先應(yīng)滿足規(guī)劃排澇流量的要求，如果水閘的設(shè)計(jì)流量小于規(guī)劃所需的排澇流量，則將造成內(nèi)河水位抬高，雨水排水不暢，嚴(yán)重時(shí)將形成內(nèi)澇。

但是，在規(guī)劃階段，為確保城市安全，一般選取的閘下游河道潮型是對(duì)于排水較不利的典型工況，由此計(jì)算出的排澇流量可能偏小。而水閘在實(shí)際運(yùn)行中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)排水條件好于規(guī)劃的情況，此時(shí)為了盡快緩解澇情，應(yīng)按照盡可能多排水的原則，加大排澇流量。因此工程設(shè)計(jì)階段除了滿足規(guī)劃要求外，還應(yīng)綜合考慮河道的規(guī)模、抗沖能力、水閘消能工布置等因素，盡可能發(fā)揮水閘的排澇作用。

以不同閘址的排澇水閘為例，圖1是黃浦江某支流口門處水閘下游不同時(shí)段的潮位過程。圖

中分別是除澇規(guī)劃采用的計(jì)算潮位、?？_(tái)風(fēng)期間的實(shí)測潮位和汛期正常天氣條件下某一時(shí)段的實(shí)測潮位?？梢钥闯觯撼？_(tái)風(fēng)等極端天氣時(shí)的潮位高于規(guī)劃計(jì)算潮位外，常規(guī)天氣條件下，低潮位和平均潮位均小于規(guī)劃計(jì)算的潮位，排水條件好于規(guī)劃情況。

圖2、圖3分別是長江和杭州灣沿岸某支流口門處的潮位過程，可以看出，?？_(tái)風(fēng)期間的實(shí)測潮位略高于規(guī)劃潮位，兩者比較接近，常規(guī)天氣條件下，低潮位和平均潮位均小于規(guī)劃計(jì)算的潮位，排水條件好于規(guī)劃情況，與圖1相似。

另外，由于三個(gè)水閘所處的位置不同，同樣標(biāo)準(zhǔn)下的規(guī)劃潮型低潮位差異較大，杭州灣的低潮位最低，長江口次之，黃浦江最高，這就導(dǎo)致三個(gè)閘的排澇條件不同，規(guī)劃確定的排澇流量差異也較大。

圖1 黃浦江某排水口門不同時(shí)期排水過程對(duì)比圖

圖2 長江沿岸某排水口門不同時(shí)期排水過程對(duì)比圖

圖3 杭州灣沿岸某排水口門不同時(shí)期排水過程對(duì)比圖

圖1所示黃浦江支流的水閘，規(guī)劃階段確定閘寬為26m，規(guī)劃計(jì)算的排澇流量為138m3/s，單寬流量僅5.31m3/s.m，這是由于下游潮位頂托、上下游水位差很小導(dǎo)致的。而水閘理論計(jì)算的最大過流能力可達(dá)421m3/s，設(shè)計(jì)階段通過對(duì)河道規(guī)模和流速、水閘布置等綜合分析，最終確定閘寬不變，設(shè)計(jì)排澇流量加大至190m3/s。同時(shí)，如實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)下游水位低、過流量大于設(shè)計(jì)流量的情況，則需調(diào)節(jié)閘門開度對(duì)過閘流量進(jìn)行控制，避免造成沖刷破壞。

圖2所示長江口支流的水閘，規(guī)劃閘寬為10m，相應(yīng)排澇流量100m3/s；圖3所示杭州灣支流的水閘，規(guī)劃閘寬為60m，相應(yīng)排澇流量650m3/s。由于這兩座水閘規(guī)劃計(jì)算的排澇流量本身就比較大，單寬流量已達(dá)到10m3/s以上，所以工程設(shè)計(jì)階段通過復(fù)核分析，設(shè)計(jì)流量與規(guī)劃流量基本相當(dāng)。

排澇流量還需要考慮與水閘的消能防沖設(shè)施相適應(yīng)。根據(jù)上海地區(qū)的部分工程實(shí)例，單寬流量為7~12m3/s時(shí)，只要避免在下游低潮位的極端工況時(shí)開啟閘門，一般工況條件下消力池結(jié)構(gòu)布置和經(jīng)濟(jì)性均較合理，此時(shí)對(duì)于地基條件和施工難度也較為適中。

綜上所述，工程設(shè)計(jì)階段既不能簡單的以規(guī)劃確定的排澇流量作為水閘的設(shè)計(jì)流量，也不能簡單地加大設(shè)計(jì)流量，而應(yīng)該在了解規(guī)劃意圖和邊界條件的基礎(chǔ)上，綜合考慮各種影響因素后合理確定。筆者認(rèn)為，上海地區(qū)的排澇水閘大致可分為兩類，一類是黃浦江中上游兩岸支流和各水利片的控制水閘，這些水閘上下游水位差較小，排水受下游水位頂托影響較大，設(shè)計(jì)流量應(yīng)在規(guī)劃的基礎(chǔ)上盡可能放大；另一類是長江、杭州灣沿岸支流的水閘，這些水閘潮差較大、低潮位較低，排澇條件較好，設(shè)計(jì)流量較規(guī)劃流量相當(dāng)或略有放大即可。

2 水閘規(guī)模與河道規(guī)模的關(guān)系

確定水閘規(guī)模需要考慮的另一個(gè)因素是要與所在河道的規(guī)模相匹配。首先，為了有利于水流流態(tài)、水閘與河道的連接布置，要考慮閘寬與河道寬度的比例，《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》條文說明中建議的比值為0.6~0.85。但除此之外，還要考慮河床在不超過地質(zhì)條件允許的不沖流速情況下的過流能力，如果水閘流量過大，則可能造成河道的流速過大，引起河床沖刷破壞，進(jìn)而影響水閘的安全。

對(duì)于以土質(zhì)河床為主的河道，允許不沖流速較小，上海地區(qū)的河道大部分允許不沖流速在0.6~0.8m/s之間。排水河道要素可以概括為：河底寬30~100m，河底高程0.0~-2.0m，邊坡1:2~1:3，最高水位3.5~3.75m。本文以上海地區(qū)常見的河道要素為例，根據(jù)不同河道寬度對(duì)應(yīng)的過流能力，對(duì)不同閘寬/河寬比與單寬流量的關(guān)系進(jìn)行對(duì)比分析，表1是按照河床流速0.8m/s，高水位3.5m時(shí)，不同河道寬度的試算結(jié)果。

從表1可以看出：不同寬度的河道，當(dāng)閘寬/河寬比一定時(shí)，過流能力對(duì)應(yīng)的水閘單寬流量變化不大；但河道越深，相應(yīng)的單寬流量越大。因此，再選取某一河道寬度進(jìn)行對(duì)比。

圖4是以河底寬50m、河底高程-2m為例，計(jì)算得出的不同抗沖流速時(shí)，閘寬/河寬比與單寬流量的關(guān)系曲線。圖中可以看出，當(dāng)河道流速0.8m/s時(shí)，河道流量為268.47.3 m3/s，此時(shí)如閘寬/河寬比取0.6，水閘的單寬流量僅為7.3 m3/s.m。

通過計(jì)算分析可以看出，在確定排澇水閘的規(guī)模時(shí)大致可分為以下幾種情況：（1）地質(zhì)條件較差，河床允許不沖流速較小，且排水條件較好的地區(qū)，閘寬/河寬比宜取較小值，水閘寬度適當(dāng)縮窄，否則為保護(hù)河道免受沖刷，需限制水閘的單寬流量在較小的范圍，既造成工程浪費(fèi)，也給今后的運(yùn)行管理帶來不便。（2）地質(zhì)條件較差，排水條件也較差的地區(qū)，水閘單寬流量不是受地質(zhì)條件所限，而是受下游排水條件控制，此時(shí)水閘寬度應(yīng)盡量放大，需取較大的閘寬/河寬比值，如前文提到的黃浦江支流水閘就是如此。（3）當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件較好、允許不沖流速較大的河道，則水閘寬度可適當(dāng)放大。

筆者認(rèn)為，針對(duì)上海地區(qū)河道地質(zhì)條件較差、水深較淺的特點(diǎn)，排澇水閘的閘寬/河寬比除參照《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》的建議值外，下限可放寬到0.4~0.5，此時(shí)通過合理布置河道與水閘的連接段解決閘寬/河寬比偏小的不足。同時(shí)在規(guī)劃階段應(yīng)根據(jù)不同排水條件，分區(qū)域確定閘寬/河寬比的取值原則，在此基礎(chǔ)上確定水閘的具體規(guī)模。

但是，對(duì)于某些特別重要的排澇口門，必需

確保水閘的排澇流量才能滿足地區(qū)的排澇安全，而排澇流量又超過河道不沖流速的情況下，則應(yīng)以充分發(fā)揮水閘功能、保證排澇安全為前提，可通過對(duì)河道護(hù)砌或擴(kuò)大河道規(guī)模等工程措施，解決抗沖能力不足的問題。

此外，有些地區(qū)為增加水動(dòng)力，需設(shè)置排澇泵站，當(dāng)泵閘合建時(shí)總的建筑物寬度將遠(yuǎn)大于單閘的寬度，此時(shí)從泵閘與河道的連接布置以及兩岸用地等方面考慮，水閘的寬度宜適當(dāng)縮窄，閘寬/河寬比可取較小值。

圖4 閘寬/河寬~單寬流量關(guān)系圖

表1 河道過流能力和水閘單寬流量計(jì)算對(duì)比表

3 閘寬和閘底高程的關(guān)系

水閘寬度和閘底高程是兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)的要素，也是確定水閘規(guī)模時(shí)必需考慮的。眾所周知，當(dāng)上下游水位相同的情況下，閘底高程越低，水閘的過流能力越大，同樣，當(dāng)設(shè)計(jì)流量一定時(shí)，閘底坎高程定的越低，則所需閘孔寬度越小。表2是某工程實(shí)例，對(duì)閘寬不變、不同閘底高程時(shí)，根據(jù)理論公式試算的過閘流量的計(jì)算結(jié)果。從表2可以看出，閘底高程降低50cm，單寬流量平均可增加約15%左右。

但閘底高程也并非越低越好。一方面，如果閘底高程定的過底，當(dāng)上下游水位差較大時(shí)，為了避免流量過大造成上下游沖刷破壞，需限制閘門開度，給運(yùn)行管理帶來不便；第二，需增加閘門高度，增加設(shè)備投資，還有可能造成閘底坎淤積；第三，將增加施工難度。

因此，在規(guī)劃階段首先要根據(jù)排水條件選取合適的閘底高程。對(duì)于上海地區(qū)的水閘同樣可分為兩類，一類是黃浦江中上游兩岸支流和各水利片的控制水閘，上下游的水位差較小、排水條件較差，閘底高程應(yīng)適當(dāng)降低，可以與河底高程相同，從而加大過閘流量；另一類是長江、杭州灣沿岸支流的水閘，排水條件較好，應(yīng)適當(dāng)抬高閘底高程，可高于河底50~80cm左右，既避免了流量過大對(duì)河道造成沖刷，又保證一定的水閘寬度，使閘寬和河寬達(dá)到適當(dāng)?shù)谋壤?，還可以減小閘門高度。

工程設(shè)計(jì)階段，在規(guī)劃確定的水閘規(guī)?；A(chǔ)上，根據(jù)場地條件、地質(zhì)、施工及工程造價(jià)等因素進(jìn)一步分析，在保證水閘排澇流量情況下，可對(duì)閘寬和閘底高程進(jìn)行適度調(diào)整。

10.3969/j.issn.1672-2469.2014.07.003

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1672-2469(2014)07-0011-04

王芳（1962年—），女，高級(jí)工程師。