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(西北農林科技大學 a. 水利與建筑工程學院；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式擋水閘門，用于保護沿岸城市不受風暴潮等自然災害引發(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)遭受風暴潮等自然災害頻發(fā)且加劇[3]，綜合效應的疊加導致全球海平面極值水位極高[4-5](如圖1)，嚴重威脅著低洼的沿海地區(qū)城市安全，每年直接自然災害及災害鏈導致了沿海地區(qū)巨大的人口死亡率和社會經濟損失[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、人口集中、經濟繁榮，是國家社會經濟發(fā)展的主要區(qū)域[9]。然而，隨社會經濟迅速發(fā)展，沿海地區(qū)活動人口數量增長、大面積地上地下基礎設施建設空前迅速，引起地面下沉、頂面硬化，使人類活動及設施在陽光、暴雨及風暴潮等自然災害之中更加暴露，也造成沿海地區(qū)對于風暴潮等自然災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沿海地區(qū)，相比于攔河壩、堤防，擋潮閘是控制運用功能最強且最經濟最美觀有效的選擇[12-13]。擋潮閘能夠顯著減少與風暴潮接觸的海岸線長度，能有效減少河口三角洲地區(qū)由于風暴潮等自然災害導致的洪水淹沒損失，在全球沿海城市的安全防護中發(fā)揮著有效作用。

中國沿海河口地區(qū)岸段多且地勢低洼、地形地質復雜，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濟中心載體[17]，中國快速城市化使沿海地區(qū)財產暴露急劇增加并帶來高風險的安全隱患，使沿海城市及社會脆弱性更高[18]。因此，應對氣侯變化確保沿海城市經濟社會健康發(fā)展必須提高沿海河口設防水平，積極借鑒國外在河口三角洲地區(qū)防洪控制工程的經驗[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?？凇㈤L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)定的經濟發(fā)展，加強擋潮閘建設具有重要意義。

擋潮閘建設能夠帶來較好的社會經濟效益及工程效益，提高城市防洪擋潮標準，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而推動城市經濟社會持續(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均促進了當地生態(tài)建設和城市經濟轉型發(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、生物過程、氣侯變化與水文過程及其互饋作用復雜，擋潮閘建設是綜合性工程問題。綜合考慮防洪擋潮、環(huán)境、生態(tài)、通航等因素是實現擋潮閘工程科學布局的重點。

本文對國內外已建大跨度擋潮閘工程應用進行概述，結合國內外大跨度擋潮閘門應用實例分別從大型擋潮閘結構功能特征、適用性、優(yōu)缺點及發(fā)展狀況等方面分析歸納，并對擋潮閘發(fā)展趨勢進行展望，以期為我國沿海河口地區(qū)大跨度擋潮閘建設提供參考。

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，防止風暴潮等自然災害引起河口、湖泊和上游河道地區(qū)海岸洪水災害的發(fā)生，避免城市系統(tǒng)災害鏈的產生，保護沿岸城市的生命財產安全(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

當預測極端天氣來臨時，風暴潮作用下將引起海平面上升，此時關閉擋潮閘，海水不能通過擋潮閘進入向陸側，使其保持正常水位，避免了風暴潮等災害引起的海岸洪水對沿海河口地區(qū)城市的侵襲。當極端氣候及風暴潮退去后，向海側海平面水位降低，擋潮閘開啟[21]。擋潮閘的建立能夠有效降低河口向陸側的極值水位高度，提高城市防洪擋潮標準，減少向陸側防御工事的長度和高度，降低防洪控制失效的風險及防洪控制工程的建造和維護費用。正常情況下擋潮閘處于開啟狀態(tài)，相比于傳統(tǒng)攔河壩，擋潮閘的建設并不影響河口地區(qū)潮汐海水交換、泥沙運移以及港口航道的通航、運輸功能。

綜合建閘保護地區(qū)的功能需求，擋潮閘仍會產生其他可觀的工程效益。擋潮閘建成后會在閘內形成河道型水庫，可以進行淡水資源的蓄積、徑流調節(jié)，滿足城市對于水資源的需求，充分發(fā)揮水資源的經濟效益。擋潮閘景觀建設有利于改善城市水環(huán)境，促進城市生態(tài)發(fā)展。擋潮閘建設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)文明建設的基礎上促進工農業(yè)、旅游服務業(yè)的發(fā)展，有利于推動城市經濟轉型。目前在國內外沿海城市已廣泛規(guī)劃建設擋潮閘工程，特別是經濟發(fā)達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。每個擋潮閘工程項目建設功能需求大致相同，但是擋潮閘結構設計思路差別很大，如何總結經驗教訓、剖析各類典型大跨度擋潮閘的優(yōu)缺點，揚長補短、促進我國擋潮閘設計建設技術體系完善和規(guī)范化，具有重要的現實意義。

2.2 擋潮閘發(fā)展現狀及規(guī)模

隨著氣侯變化與經濟發(fā)展，全球范圍內擋潮閘的建設數量也在逐漸增加，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。當前全世界范圍內的大跨度擋潮閘有20余座，閘門的主要結構特征取決于其功能需求，結構型式多樣[22-23]。閘門啟閉可以沿著水平和豎直方向上進行，運行方式上可以為平行移動和轉動，同時擋潮閘結構幾何形式也有較大不同，包括平面、弧形、扇形等等，綜合閘門啟閉運行方式和幾何形狀方面的結構特征，構成了閘門不同的結構型式，當前國內外已應用大跨度擋潮閘的結構型式如圖3。結構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 已建擋潮閘結構型式[22]Fig.3 Structural patterns of constructed storm surge barriers[22]

表1中列舉了全球范圍內各類擋潮閘的應用實例概況，自20世紀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行擋潮閘建設，其中1953年荷蘭提出并開始建設的三角洲工程為擋潮閘建設代表。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、意大利等)為保護國家及沿海城市安全，均開始了擋潮閘工程建設。近年來隨著全球極端氣候變化，風暴潮等自然災害頻發(fā)，為避免海岸洪水的侵襲，全球沿海國家在河口地區(qū)均在籌劃建設大跨度擋潮閘。未來隨著全球經濟發(fā)展，為應對氣候變化所帶來的災難性事件，擋潮閘建設設計亟待進行規(guī)劃探究。

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

圖4 擋潮閘結構類型及閘門結構尺寸選擇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準、維護城市安全，其中部分僅滿足河道流量調節(jié)及城市生態(tài)建設的水閘不在本文大跨度擋潮閘的列表范圍內。傳統(tǒng)的豎向直升式閘門在大跨度擋潮閘工程中應用較多，新型閘門結構如橫軸扇形閘門、升臥式翻板閘門的應用較少。將表1的各擋潮閘的結構類型與結構尺寸參數之間的關系繪于圖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用，區(qū)別于傳統(tǒng)水電工程中的弧形閘門調蓄結構，多采用大寬高比的閘門結構型式；護目鏡閘門為三鉸拱結構，啟閉控制方式簡單不可控，結構輕便，在已有工程中多作為水道防洪控制閘進行流量調節(jié)。

3 擋潮閘結構特性評述

擋潮閘建設既是沿海城市及河口地區(qū)經濟社會健康發(fā)展的安全保障，又是沿海地區(qū)人民生活及工農業(yè)生產與生態(tài)環(huán)境建設的水資源保障。擋潮閘建設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等方面均有一定影響。閘門結構型式的確定與工程建設維護費用、結構性能、通航需求、閘址選擇、生態(tài)環(huán)境影響等方面均密切相關。

為便于大跨度擋潮閘建設中進行閘門結構選型與設計，本節(jié)接下來將結合全球已建擋潮閘實例對其中新型擋潮閘的結構特性、閘門優(yōu)缺點等方面進行評述。

3.1 平面雙開弧門

平面雙開弧門是由2個水平轉動弧形閘門組成，同時向河道內旋轉時閘門關閉。每個弧門結構包括門體、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。關閉狀態(tài)下閘門坐落于河床閘底檻上進行攔水，阻止向陸側的河道水位上升；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擋潮閘(Maeslantkering)，閘門支臂采用三角形格構式桁架結構，門體為L型箱體結構。閘門運行方式通過壓載系統(tǒng)向門體內充水與抽水來實現浮于水中閘門門體結構的下沉與上浮，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腹式箱型結構[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使得閘門沿著底軌滑行至河道中央，啟閉運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用Fig.5 Engineering applications of floating sector gate

該類型閘門結構形式新穎，形成較好的景觀特色。同時能夠利用門體的水力特性進行閘門的運行啟閉，減少了相應的運行啟閉設備。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)，這樣便于對閘門進行檢測與運行維護，同時能避免船舶的碰撞破壞。然而，該類型閘門的主要缺點在于：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面積，這對于閘門建設選址有一定的限制；同時，閘門結構形式復雜，建設成本及后期運行維護費用較高；水動力學方面，由于閘門結構剛度較小，約束較弱，使閘門結構對于動態(tài)波浪荷載及其引起的流激振動敏感性較強；在涌潮荷載作用下閘門會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；外荷載通過結構最終集中傳遞到支鉸，因此對于支鉸結構性能提出較高要求。

圖6 浮體閘門運行簡圖[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的豎軸旋轉的平板沉箱結構，運行簡圖如圖6[28]。門體運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至河道關閉位置，再通過壓載系統(tǒng)向門體內充水使其下沉至閘底檻，實現水道封閉。風暴潮過后擋潮閘兩側水位接近時，通過壓載系統(tǒng)將門體內部水抽排出閘門門體上浮，旋轉至閘首兩側閘墻的門龕內水道開放。

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現閘門的浮動及運行，減少了閘門啟閉力及操作設備安裝數量。這種類型的閘門多應用于過流流量小、水頭較低的水道中，在國外河口淺灘地區(qū)防洪控制工程中應用較多。美國新奧爾良內港通航運河擋潮閘工程(Inner Harbor Navigation Canal Lack Borgne Surge Barrier)[29]采用這種浮體閘門進行防洪控制，主要為了減少風暴潮引起的海岸洪水對新奧爾良東部脆弱性較高地區(qū)的侵害風險，該擋潮閘工程于2014年獲得美國土木工程師學會杰出土木工程成就獎。美國路易斯安娜州霍馬通航運河綜合擋潮閘(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]，具體工程實例見圖7。

圖7 浮體閘門工程應用Fig.7 Engineering applications of the swinging gate

浮體閘門門體高度限制，寬高比較大，多應用于河口淺灘濕地地區(qū)，風暴潮來臨時關閉閘門，使得河口近陸側地區(qū)形成避風港，減少風暴潮海岸洪水的危險，同時保證地區(qū)經濟的健康發(fā)展，減緩自然災害等導致的河口淺灘濕地的惡化。浮體閘門可以存放在側墻的門龕內，閘室較淺，工程建設面積較小，對于狹窄的航道仍適用。閘門運行時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為廢棄物和浮冰等易增加河道堵塞風險，閘門門體為長條形沉箱結構，并且圍繞樞軸在水面上旋轉，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水中沉浮的穩(wěn)定性是決定該類型擋潮閘可靠性的關鍵技術，結構設計時應對閘門整體進行穩(wěn)定性安全校核和評價。

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的單扇平板門，門葉的底部或頂部安設行走滾輪，可沿軌道橫向移動，多在靜水條件下操作。門體為鋼框架支撐結構與前后鋼板組成的封閉浮箱結構，閘門的上半部分為空心箱型結構，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或滑動運行。開啟狀態(tài)下，閘門停放在水道相鄰一側的閘室中，河道處于正常的通航運行狀態(tài)。當預測海岸洪水發(fā)生時，閘門進入封閉位置，水荷載通過閘門轉移至閘室兩邊側墻上，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，主要為擴大巴拿馬運河通航能力[35]。同時為保護當地免受風暴潮侵害，增加船舶通航量，促進當地經濟發(fā)展，荷蘭艾默伊登新閘(IJmuiden New Sea Lock)進行了擋潮閘工程建設，新擋潮閘[36]為橫拉式平面閘門，將為進入阿姆斯特丹港口地區(qū)提供新的通道，具體工程實例見如圖8。

圖8 橫拉式平面閘門工程應用Fig.8 Engineering applications of the rolling gate

該類型閘門結構型式簡單，技術成熟，外荷載通過閘門傳遞到閘室兩側，閘門不承受集中荷載作用，結構穩(wěn)定較好。開啟狀態(tài)下，閘門位于干閘室內，便于后期運行檢測維護，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在于，閘門的橫向拉伸運行方式將會導致閘門建設需要較大的建設空間以及閘室的深度開挖，這對于閘門建設選址提出了較高要求。同時閘底淤泥等雜物的堆積會阻礙閘門啟閉運行，對于輕質橫拉式閘門，波浪荷載作用下導致的流激振動對閘門穩(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行，多由兩側液壓啟閉機進行操作控制。閘門開啟狀態(tài)下，通過兩側的支撐塔結構將閘門提升于水面之上；關閉狀態(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用較為廣泛，但在大跨度擋潮閘上應用仍有較多技術難點，因此在工程應用中多進行了創(chuàng)新性設計。為了承受這種大跨度閘門跨中較大的彎曲應力，同時解決結構合適的剛度強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構體系作為閘門的主要承載結構，替換了傳統(tǒng)實腹梁格式閘門結構；同時將拱形結構形式應用于面板和支撐結構，將外界水荷載轉化為承重結構的軸向荷載，減小了閘門用鋼量，同時增加結構整體剛度。將由拱形支撐桁架和拱形面板組成的新型結構型式應用于大跨度鋼閘門，可以使結構受力更加合理，充分提高結構材料利用率。豎向直升式閘門在國內外大型防洪擋潮控制工程中應用較多，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，主要調節(jié)埃姆斯河入?？谒?，減少風暴潮來臨時對河口地區(qū)的侵害風險，閘門門體由拱形桁架結構和平面面板組成。為居民生活、工業(yè)發(fā)展以及農業(yè)灌溉提供豐富的水資源，提高洪水控制能力，韓國建設的洛東河擋潮閘(Nakdong River Barrier)也采用這種類型閘門，承載結構和面板均為拱形結構[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]，閘門結構由雙拱型桁架承載結構和平面面板組成，雙拱桁架承載結構用來承受向海側涌潮荷載和上游河道水荷載的雙向水頭作用，具體閘門結構如圖9。

圖9 豎向直升式閘門工程應用Fig.9 Engineering applications of vertical lifting gate

該類閘門運行過程不需要閘室結構，所需的建設面積較小。桁架承載結構與拱形結構的結合為該類型大跨度直升式閘門的主要結構特色。支撐塔結構使得閘門提升機制簡單，操作運行方便，開啟狀態(tài)下，閘門提升至水面以上便于檢測維護。同時水流和波浪荷載下閘門操作運行可控，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)下閘門受風荷載影響較大；過水運行時水流不穩(wěn)定也易導致閘門產生流激振動，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構影響性較大，易導致閘門桁架結構節(jié)點的疲勞破壞，這對于桁架結構節(jié)點的焊接技術提出較高要求。隨著新型材料技術的發(fā)展，新型閘門也可能采用纖維增強復合材料(FRP)來減緩閘門運行過程中振動等問題的發(fā)生。

3.5 橫軸弧形閘門

橫軸弧形閘門由弧形門葉結構、支臂和支鉸組成，閘門繞著水平軸旋轉。橫軸弧形閘門支臂結構形式多樣，閘門橫向框架和縱向框架上支臂數目的差異以及支臂與面板連接的布局方式等結構型式上的不同導致閘門結構性能差異。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，兩側混凝土閘墩結構承受最終荷載。閘門圍繞著中心軸向上翻轉達到開啟狀態(tài)，向下翻轉關閉擋水。當前橫軸弧形閘門多應用于水電工程中，作為閘壩工程的調蓄泄水結構，閘門運行多依靠液壓啟閉機進行。國內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，主要為了保護城市低洼地區(qū)免受颶風和風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構，與傳統(tǒng)僅擁有2個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個支臂[41]。德國北海岸附近的艾德擋潮閘(Eider Barrier)采用了這種類型閘門，主要用于防護北海風暴潮對內陸城市的影響。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構由空間桁架組成，承載大質量輕(圖10)。

圖10 橫軸弧形閘門工程應用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控結構應用較多，相關研究應用技術比較成熟。閘門圍繞支鉸運行，不需要門槽的建設，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，操作運行靈活。然而閘前堆積廢棄物和閘底淤泥對閘門正常運行影響較大，接近閉合狀態(tài)下，易導致閘門振動，支臂的靜動力穩(wěn)定性在設計中應予以重視，同時周期性波浪荷載作用下也會導致結構疲勞破壞。橫軸弧形閘門的結構尺寸也限制著船舶通航凈空高度。

圖11 橫軸扇形閘門運行簡圖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構，在驅動力作用下圍繞水平橫軸旋轉。開啟狀態(tài)下，閘門平臥于于水道底部閘底檻凹槽內，與河床底部平行，不影響通航需求，如圖11(a)。風暴潮來臨時，將閘門逆時針旋轉90°進入關閉狀態(tài)，以抵御海岸洪水對沿海城市的侵襲如圖11(b)；再逆時針旋轉90°，閘門處于水面上的水平位置，便于閘門檢測維護。這種類型閘門結構型式新穎，在國內外工程應用較少，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暴潮引起的洪水對倫敦城市的侵害風險，該擋潮閘成為泰晤士河一道靚麗的風景。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，工程應用如圖12所示。

圖12 橫軸扇形閘門工程應用Fig.12 Engineering applications of the rotary segment gate

該類型閘門結構型式新穎，正常狀態(tài)下閘門處于開啟狀態(tài)，不影響水道通航、泥沙運移等自然特性?？障渖刃伍T體結構使得閘門扭轉剛度較大，啟閉機設備可以安裝在閘門一側，所需建設面積較小，操作機制比較簡單，便于閘門運行過程中的及時控制操作。根據實際設計要求，閘門可以承受雙向不同水頭的作用，扇形門葉結構使得閘門過流流態(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在于閘底檻凹槽內易于堆積河底廢棄物和淤泥，影響閘門啟閉過程，同時為保證閘門的可靠運行，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行開啟關閉。同時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致閘門發(fā)生流激振動。

3.7 護目鏡閘門

弧形上翻式閘門為三鉸拱形式， 閘門兩側鉸接， 橫跨水道兩側。 由于面板為拱形結構， 啟閉運行類似護目鏡， 形象地稱為護目鏡閘門。 護目鏡閘門支鉸位于兩側橋臺處， 向上旋轉閘門開啟， 向下旋轉則閘門進入閉合狀態(tài)。 閘門啟閉通過閘墩兩側的鋼絲繩啟閉機來進行， 控制約束較弱。 上游水荷載作用下拱結構兩端的支座會產生水平推力， 該推力作用下降低了拱截面彎矩， 使得拱結構以軸向壓力為主， 結構具有較大的剛度與承載能力， 適合于大跨度結構， 具有結構重量輕， 承載效率高的優(yōu)點。 當前國內外采用大跨度護目鏡擋潮閘應用越來越多， 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)采用護目鏡閘門， 主要作為大阪市洪水保護措施[44]。 中國南京三汊河河口閘、 青島即墨移風控制閘以及廣東花地河控制閘均采用了護目鏡閘門作為城市防洪控制閘門[23]， 主要用于水道流量調蓄， 改善城市水環(huán)境， 同時結合護目鏡閘門優(yōu)美的結構外形， 充分發(fā)揮擋潮閘景觀作用，提升了城市水文化， 具體工程閘門結構如圖13。

圖13 護目鏡擋潮閘工程應用Fig.13 Engineering applications of the visor gate

護目鏡閘門基于拱結構進行設計，需要根據主要外荷載特征確定出合理拱軸線，使得結構滿足較好受力狀態(tài)，材料利用率最大。該類型閘門的主要缺點在于，護目鏡閘門上下旋轉的運行方式使得通航船舶的凈空高度會受到限制，同時閘門檢測維護存在一定難度。由于跨度較大，閘門過水流態(tài)會存在明顯的不對稱現象，閘下左右兩側沖刷與淤積問題嚴重。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產生較強的頂托力，當閘門振動基頻與流水頻率接近時，閘門運行時會導致強烈的閘門振動問題。

3.8 翻板閘門

翻板閘門由擋水門葉結構和水平底軸組成，閘門繞固定的水平底軸旋轉。開啟狀態(tài)下，閘門平臥于閘底檻凹槽內，與水道河床齊平；關閉狀態(tài)下，閘門圍繞水平樞軸向上旋轉達到擋水功能，閘門啟閉通過底部樞軸、閘后氣囊或者活塞式液壓啟閉機來進行。常用的翻板閘門為升臥式翻版閘門、底軸驅動式翻板閘門和氣動盾形閘門等類型，考慮底軸驅動式翻板閘門對閘室地基要求較高，部分地基下陷會導致閘門啟閉失效，氣動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，其運行簡圖如圖14。

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

升臥式翻板閘門門體為空箱型結構，正常開啟狀態(tài)下閘門門體內充水平臥在河床閘室內，如圖14(a)；預測高潮位或風暴潮來臨時，通過水平底軸的底孔向門體內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，如圖14(b)；最終閘門立于水面以上達到擋潮的作用，完成水道封閉，如圖14(c)。風暴潮退去時，通過水平底軸的底孔對閘門門體內充水，閘門平臥于河床底部[45]。大跨度擋潮閘工程往往采用多個翻板閘門，每個閘門啟閉控制是相互獨立的，但均通過風暴潮預警系統(tǒng)進行操作控制。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行方式類似，開啟狀態(tài)下閘門平臥于閘底檻凹槽內，不影響水道正常通航運行，適合作為大跨度河口深水區(qū)的防洪控制閘。運行過程中可以控制單扇或其中多扇閘門進行閘門泄水工作，操作靈活便捷。該類型閘門的主要缺點在于，由于該類閘門圍繞底軸旋轉，依靠門體浮力立于水面之上進行攔水，波浪涌潮荷載對閘門的振動影響較大；淤泥沙子等會對閘底樞軸磨損腐蝕；同時閘室和底軸地基沉降均會導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應用廣泛，但主要集中適用于低水頭、大跨度的閘壩結構以及河道上的滾水壩和節(jié)制閘，在城市河道水環(huán)境建設方面應用較多。作為沿海地帶擋潮閘的應用較少，荷蘭Ramspol擋潮閘工程(Ramspol Barrier)采用充氣式閘門[49]，主要用于保護艾賽爾西北地區(qū)免受風暴潮導致的洪災侵害，降低閘后城市地區(qū)設計洪水達到指定的保護級別。相比于傳統(tǒng)擋潮閘，充氣式擋潮閘需要較少的建設、操作和管理費用[50]，建設成本低。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行影響較大；同時閘門屬于柔性結構，振動基頻低，對于波浪荷載有很大的響應，不適合于深水。

人字閘門是大型的空間薄壁結構，由兩扇分別繞水道邊壁內的豎直門軸旋轉的門葉組成。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)下操作運行，對反向水頭作用敏感，因此常作為通航船閘運行，與具有通航限制的擋潮閘以及堤壩等結合組成河口地區(qū)風暴潮防洪控制工程。

4 結論與展望

4.1 結 論

擋潮閘工程是保護沿海河口城市免受海岸洪水侵襲的關鍵措施，特別是隨著沿海城市經濟社會的快速發(fā)展和氣侯變暖與極端氣侯頻發(fā)，擋潮閘工程建設作為沿海城市經濟社會健康持續(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，有必要結合擋潮閘的防御任務規(guī)模和閘門結構受力特征、功能及運行規(guī)律，建立一套設計標準體系與規(guī)范。本文對國內外已建大跨度擋潮閘工程進行了概述，分別對各類型閘門結構功能特征及適用性、優(yōu)缺點以及發(fā)展狀況等進行總結歸納，得到如下結論：

(1)極端氣候變化及風暴潮等自然災害綜合效應疊加引起的海岸洪水將對沿海城市安全構成較大威脅，加強沿海河口地區(qū)擋潮閘防洪控制工程建設十分必要。

(2)在傳統(tǒng)閘門結構的基礎上，已建擋潮閘多從結構合理受力、水力特性、運行方式及結構美觀性等方面進行了創(chuàng)新。將拱形結構、桁架結構等新型結構型式應用于擋潮閘，使得結構受力合理，充分利用水體浮力等閘門水力特性使得閘門結構運行靈活輕便。

(3)擋潮閘結構受力復雜，周期性波浪荷載、海岸洪水對閘門結構靜動力穩(wěn)定影響較大，新型擋潮閘結構的控制約束較弱，閘門結構對于動態(tài)波浪荷載及其引起的流激振動敏感性較強，閘門結構流激振動和疲勞破壞問題突出。

4.2 展 望

隨著全球氣候變化與經濟發(fā)展，沿海國家擋潮閘的建設規(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)安全的影響應引起關注，在極端氣侯頻發(fā)及沿海城市經濟社會地位更加突出的前提下，應對設防標準的提高進行深入研究。

(2)隨著全球沿海及河口防洪控制體系的不斷建設，結合結構合理受力及水力控制的要求來創(chuàng)新結構形式，適應我國沿海地區(qū)的擋潮閘設計規(guī)范或導則需要進一步研究制定。

(3)加強擋潮閘控制運行優(yōu)化研究，建立風暴潮預警系統(tǒng)預判海岸洪水發(fā)生和應急預案及措施制定，實時觀測和預測模型與防洪工程智能控制技術的研究。