朱桂娥 孫永林 陳佳蕾

摘要：為了研究條件復(fù)雜的平原河網(wǎng)地區(qū)節(jié)制閘閘孔凈寬，運用多重理論體系，利用規(guī)范界定節(jié)制閘閘孔總凈寬范圍、利用靜態(tài)水位研究閘孔凈寬與河道過水面積關(guān)系、利用河網(wǎng)水動力數(shù)值模擬研究動態(tài)水位下閘孔凈寬與過水量關(guān)系，并考慮規(guī)劃銜接性、建設(shè)條件許可度等方面，提出了綜合確定節(jié)制閘閘孔總凈寬的一套實用方法體系，并在上海市蘇州河西閘閘孔總凈寬規(guī)模論證中得到了應(yīng)用。該論證方法體系囊括了理論支撐和實踐運用，具有較強科學(xué)論證依據(jù)，也能被各方較好接受，是一套科學(xué)全面、簡單易操作的方法體系。

關(guān)鍵詞：平原河網(wǎng)； 節(jié)制閘； 蘇州河； 上海市

中圖法分類號：TV131

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.07.010

文章編號：1006-0081（2023）07-0063-04

0 引 言

節(jié)制閘是常見水工建筑物，常用于攔洪（擋潮）、調(diào)節(jié)水位、控制下泄流量等。SL 265-2016《水閘設(shè)計規(guī)范》及其條文說明對閘孔總凈寬的確定提出了相關(guān)規(guī)定，建議根據(jù)河道平均過水寬度的0.60～0.85確定節(jié)制閘閘孔凈寬。水閘方面的諸多研究中對閘的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、安全性設(shè)計和施工組織關(guān)注度相對較高，如孫明權(quán)等［1］開展的南水北調(diào)中線倒虹吸節(jié)制閘三向耦合地震響應(yīng)模擬研究，分析了最危險方向地震和三向耦合地震激勵下的振動特性及應(yīng)力應(yīng)變情況，表明節(jié)制閘牛腿部位的抗震設(shè)計應(yīng)考慮三向耦合地震的作用。周成洋等［2］提出了水閘閘墩常見裂縫成因及處理措施。李娜等［3］針對三類、四類水閘判定中人為因素較大、直接影響除險加固效果等問題，總結(jié)了影響三、四類閘劃分的關(guān)鍵技術(shù)、經(jīng)濟、政策等因素。節(jié)制閘過流方面的分析也有所涉及，如李景剛等［4］在南水北調(diào)中線干線節(jié)制閘過流公式率定及曲線繪制中，基于量綱分析法，運用實測數(shù)據(jù)開展過流公式率定，并依此繪制節(jié)制閘不同水位差下的過閘流量與閘門開度關(guān)系曲線，認為量綱分析法簡單、高效且有較高精度；姬偉等［5］對青州市彌河閘重建必要性及規(guī)模進行了分析論證，其重點是設(shè)計水位、蓄水庫容、設(shè)計流量等方面；李杰［6］以寧波市大嵩江流域為例，通過MIKE 11水動力模型，對排澇過程進行數(shù)值模擬，通過水閘凈寬與內(nèi)河水位降低關(guān)系分析，提出了建議的水閘凈寬。已有相關(guān)研究［7-8］均從某個角度且偏向理論性方面論證了閘孔總凈寬，實際上，閘孔總凈寬不僅僅涉及過流能力，還涉及建設(shè)條件、規(guī)劃依據(jù)等多面的因素。

因此，本文以上海市蘇州河西閘總凈寬為例，針對平原河網(wǎng)往復(fù)流動明顯、功能綜合的節(jié)制閘，在規(guī)范基礎(chǔ)上，綜合考慮各方因素，理論結(jié)合實際，提出了1套確定平原河網(wǎng)地區(qū)節(jié)制閘的綜合論證方法。

1 研究區(qū)域概況

蘇州河是上海市“一江一河”的重要組成部分，其上游是太湖流域重要水利分區(qū)陽澄淀泖區(qū)，下游涉及上海市嘉寶北片、青松片、蕰南片和淀北片等重要水利分片（圖1）。

蘇州河上游通過吳淞江工程匯集了太湖和陽澄淀泖區(qū)的洪澇水。陽澄淀泖區(qū)屬太湖流域下游平原河網(wǎng)區(qū)，大部分屬江蘇省蘇州市。在流域100 a一遇設(shè)計標準洪水下，要求通過吳淞江工程進入上海市的洪澇水為5.6億m3，大部分沿吳淞江（蕰藻浜）入江，局部時段、部分水量通過蘇州河排江。

上海市沿線片區(qū)主要通過鵝蛋浦、封浜、橫瀝、新通波塘等河道排澇水入蘇州河?，F(xiàn)狀排入蘇州河的除澇泵站總流量為230 m3/s，規(guī)劃兩岸排澇泵站流量將增加至275 m3/s。沿線均為雨水強排系統(tǒng)，現(xiàn)有泵排流量共計344 m3/s，規(guī)劃增至441 m3/s。入黃浦江處建設(shè)有蘇州河河口水閘，水閘為單孔門，寬100 m，是上海市重要的防汛工程，具有防汛和水資源調(diào)度兩種功能。沿線片區(qū)的治澇標準為30 a一遇。

2 研究方法

平原河網(wǎng)地區(qū)具有水面率大、水面比降小、流速緩慢等特點，河道水流往往呈現(xiàn)往復(fù)、多向等流向變化不定現(xiàn)象，同一河網(wǎng)水流常呈現(xiàn)順流、滯留、逆流等多種流態(tài)。同時，受閘泵調(diào)控的人為因素干擾明顯。平原河網(wǎng)地區(qū)通常人口比較密集，經(jīng)濟發(fā)展程度高，水事權(quán)益敏感，需要更高的洪澇安全保障能力，高度關(guān)注河閘泵站等調(diào)控設(shè)施的規(guī)模。

本文依據(jù)SL 265-2016《水閘設(shè)計規(guī)范》，按照河道規(guī)模初步界定節(jié)制閘閘孔凈寬范圍：

B1=（0.60～0.85）B2

式中：B1為閘孔總凈寬，m；B2為河道平均過流流量時的寬度，m。

采用長系列實測資料分析得到的靜態(tài)水位（h）、水深（H）等參數(shù)，建立節(jié)制閘與河道斷面面積之間關(guān)系曲線：

F=B1×H－（b+i×H）×H

式中：F是節(jié)制閘與河道過水面積的函數(shù)，m2；b為河道底寬，m；H為河道水深，m；i為河道邊坡。當F漸趨于0且略大于0 時，基本能說明特定水位下，閘孔總凈寬是與河道過流斷面相匹配的。

由于平原河網(wǎng)往復(fù)特性差異，以及河道斷面的不規(guī)則性，且需要兼顧到總體水量進出情況，因此，除了采用靜態(tài)水位衡量閘孔凈寬與河道匹配關(guān)系外，還需研究在一段時間內(nèi)，動態(tài)水位下閘孔總凈寬與過閘水量的關(guān)系，以謀求兩者之間更協(xié)調(diào)的關(guān)系?？紤]平原河網(wǎng)特性，采用河網(wǎng)水動力數(shù)值模型模擬不同閘孔總凈寬下過閘水量變化規(guī)律。河網(wǎng)水動力數(shù)值模擬方法較多，有常用商業(yè)軟件MIKE、河海大學(xué)自編的HOHY等，其采用的水動力公式基本均為圣維南方程組。

連續(xù)方程：

Qx+（α·A）t=q

動力方程：

Qt+（Q2/A）x+gAZx+gn2|U|QR4/3=0

式中：x，t分別為距離和時間，都為自變量；Z為斷面水位；Q為斷面流量；U為斷面平均流速；A為斷面過水面積；R為斷面水力半徑；α為動量修正系數(shù)；q為單位河長的均勻旁側(cè)入流，包括降雨產(chǎn)匯流；n為河道糙率系數(shù)；g為重力加速度。

本次采用了太湖流域常用的HOHY水動力模型對流域、區(qū)域洪澇過程進行數(shù)值模擬，分析水閘凈寬與排水量之間的關(guān)系，從而為確定閘孔總凈寬提供依據(jù)。

在基本確定滿足河道過流需要的水閘凈寬情況下，由于平原河網(wǎng)水閘功能的復(fù)雜性，通常要考慮不同水事權(quán)益相關(guān)方的需求，對相關(guān)規(guī)劃進行充分解析、剖析、溝通、協(xié)調(diào)，與規(guī)劃相銜接是確?？們魧捜〉酶鞣秸J可的重要條件。同時，建設(shè)條件也是制約規(guī)模確定的因素之一，必須通過現(xiàn)場調(diào)研、用地性質(zhì)分析等綜合確定。

3 應(yīng)用實例

3.1 蘇州河西閘概況

蘇州河位于上海市，上接吳淞江，下入黃浦江，經(jīng)過上海市靜安區(qū)、普陀區(qū)等區(qū)，是上海市中心城區(qū)的重要排澇河道。在中心城區(qū)遭遇較大暴雨時，其水流以向西流動、上溯為主，承擔(dān)著滿足市中心排澇需求的功能；當上游遭遇較大暴雨時，其水流以向東流動為主，承擔(dān)著排泄上游洪澇水的任務(wù)（圖1）。

近年來，因低水位抬升、調(diào)蓄能力降低、黃浦江潮位升高等因素影響，蘇州河水位屢創(chuàng)新高，導(dǎo)致蘇州河兩側(cè)片內(nèi)內(nèi)河澇水無法及時快速外排，蘇州河及兩翼片區(qū)防汛排澇風(fēng)險大，壓力明顯增加。因此，上至國家級層面規(guī)劃、下至部門行業(yè)規(guī)劃均提出在蘇州河西側(cè)新建蘇州河西閘，以盡可能降低上游來水對蘇州河低水位的影響，并與蘇州河河口泵閘聯(lián)合調(diào)度，降低蘇州河低水位，提高調(diào)蓄能力。蘇州河西閘建設(shè)后，應(yīng)在能保證上海市30 a一遇降雨情況下，使市中心澇水能順利上溯，以減輕本地區(qū)壓力。同時，應(yīng)在保證上海市中心城區(qū)安全前提下，不影響流域100 a一遇洪水下泄。

由于蘇州河關(guān)系著上下游洪澇安全需求，又涉及水利、交通航運等多部門需求，其規(guī)模受到眾多關(guān)注，且蘇州河河面寬40～197 m，河道寬窄不一，僅按照規(guī)范確定規(guī)模也存在一定缺陷。

3.2 節(jié)制閘總凈寬分析

3.2.1 設(shè)計規(guī)范

SL 265-2016《水閘設(shè)計規(guī)范》規(guī)定應(yīng)根據(jù)泄流特點、下游河床地質(zhì)條件和安全泄流的要求，結(jié)合閘孔孔徑和孔數(shù)的選用，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較后確定閘孔總凈寬，水閘閘孔總凈寬應(yīng)根據(jù)下游閘檻型式和布置，過閘流量，上、下游水位銜接要求，泄流狀態(tài)等因素計算確定。條文說明中提出閘孔總凈寬的確定主要涉及單寬流量、閘室總寬度與河道總寬度的關(guān)系，要求閘室總寬度大體上與上下游河道寬度相適應(yīng)。一般來說，采用的閘孔總凈寬要略大于計算值，根據(jù)實踐經(jīng)驗，閘室總寬度與河道寬度的比值一般為0.60～0.85。

節(jié)制閘凈寬確定時，首先以規(guī)范為依據(jù)，綜合考慮河道現(xiàn)狀規(guī)模和規(guī)劃規(guī)模，從而確定節(jié)制閘總凈寬的規(guī)模范圍。分析蘇州河西閘上下游一定范圍內(nèi)的河道規(guī)模，擬建節(jié)制閘上下游1 km范圍左右，河道斷面均為斜坡式斷面，至一定高程后，采用直立式護岸的結(jié)構(gòu)型式。現(xiàn)狀平均過水寬度約70 m，河道底高程0 m左右（圖2）。規(guī)劃河道工程河口寬基本維持現(xiàn)狀，河底高程拓浚至-2.0 m，河底寬不小于30 m，河道水下疏浚邊坡坡比為1∶4.5（圖3）。根據(jù)規(guī)范以及工程實踐經(jīng)驗，閘孔寬度取40～60 m為宜。

3.2.2 過流能力

要使過流能力不受影響，應(yīng)從以下兩個方面進行考慮：① 靜態(tài)平均水位對應(yīng)的河道過水斷面面積和節(jié)制閘面積是否匹配；② 采用水動力模擬，從不同節(jié)制閘凈寬的過水面積及過水水量角度，找到效益增速的轉(zhuǎn)折點。

蘇州河西閘上下游各1 km范圍內(nèi)河道的平均過水面積為338.5 m2。由不同閘孔總凈寬與過水面積的曲線比較圖（圖4）可見，當節(jié)制閘凈寬50 m時，其過閘面積為285 m2，相當于河道過水面積的84.2%；當總凈寬達到60 m時，過閘面積342 m2，略大于河道的平均過水面積，能滿足平均水位下的河道過流面積需要，也兼顧了設(shè)計洪水位下河道過流面積增加的可能。

采用河網(wǎng)水動力數(shù)值模擬總凈寬10，20，30，40，50，60 m和70 m過流能力的變化。分別考慮閘總凈寬不影響上游洪澇水下泄和下游澇水上溯的需求。針對上游洪澇水下泄需求，節(jié)制閘敞開時不應(yīng)有阻礙下泄水量的情況。據(jù)統(tǒng)計，最大1 h凈泄量隨凈寬增加而有所增加，但增幅逐漸減小。閘寬達到60 m后，閘寬繼續(xù)增加，最大1 h凈泄量變化幅度接近0（表1），說明總凈寬60 m能滿足上游洪澇水下泄需求。

針對下游澇水上溯需求，下游以治澇標準作為設(shè)計條件，按照最大過閘流量來考慮閘總凈寬是否影響泄流。根據(jù)模型計算，總凈寬由20 m增加至80 m時，最大過閘流量逐漸增加，閘寬達到60 m后，隨著閘寬繼續(xù)增加，最大過閘流量變化微弱（圖5），說明總凈寬60 m不影響下游澇水上溯需求。

3.2.3 規(guī)劃依據(jù)

平原河網(wǎng)地區(qū)，尤其是經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)，河道大部分都具有綜合利用功能，其水事權(quán)益非常敏感。蘇州河為Ⅵ級航道，蘇州河西閘的建設(shè)既涉及上下游防洪排澇需求，還涉及交通航運需求。因此，在規(guī)模確定過程中，需要考慮與規(guī)劃、與各行業(yè)需求的協(xié)調(diào)。閘址周邊情況示意見圖6。

（1） 從水利角度，上海市政府批復(fù)的《上海市防洪除澇規(guī)劃（2020～2035年）》和上海市水務(wù)局審查通過的《蘇州河防洪除澇工程規(guī)劃》均明確，蘇州河西閘總凈寬不小于50 m。

（2） 從交通航運角度考慮，蘇州河為Ⅵ級航道，河內(nèi)通航船舶載重多為500～700 t，營運組織以貨船單船運輸及工程船為主，運輸貨種主要為礦建材料、水泥，船舶流向為西進西出，日均流量約為15艘次。此外，在蘇州河沿線布設(shè)有部分水上交通執(zhí)法、水上公安等站點，沿線有管理部門船舶航行，除貨船外，公務(wù)船舶日均流量約為10～20艘次。為滿足通航需求，雙線航道直線段底寬不小于36.0 m；其上游約100 m處橋梁凈跨47 m。節(jié)制閘凈寬設(shè)置時應(yīng)盡量與現(xiàn)狀航道等寬，避免因閘門局部束窄航道，改變現(xiàn)有岸線，形成礙航紊流，影響通航安全。

3.2.4 建設(shè)條件

建設(shè)場地與規(guī)模息息相關(guān)。在場地面積不充足的情況下，需要權(quán)衡減小規(guī)模與功能降低之間的關(guān)系。在無法平衡時則需另選閘址重新研究規(guī)模。

蘇州河西閘的建設(shè)條件相對較好。上海市人民政府批復(fù)的《吳淞江工程（上海段）水利樞紐專項規(guī)劃》對蘇州河西閘陸域用地已按60 m閘寬予以控制，用地面積約0.38 hm2。在規(guī)劃用地范圍內(nèi)可滿足不大于60 m的閘寬布置。

3.3 結(jié)果分析

在上述研究基礎(chǔ)上，提出了蘇州河西閘閘孔總凈寬為60 m。該方案符合規(guī)范要求，也與靜水水位下的河道過水面積相銜接，同時還滿足動態(tài)水位水動力效果模擬要求，規(guī)劃協(xié)調(diào)性較好，建設(shè)條件許可度較高，規(guī)模確定的方法較為全面，得到了各級審批部門的一致認可。

4 結(jié) 語

針對平原河網(wǎng)地區(qū)節(jié)制閘建設(shè)，本文研究提出了節(jié)制閘規(guī)模確定的綜合論證方法，并在蘇州河西閘建設(shè)中得到成功應(yīng)用，可在平原水閘建設(shè)中推廣及供類似水利工程建設(shè)參考。

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（編輯：李 晗）