海河防潮閘除險加固泄流規(guī)模分析

秦 毅

（中水北方勘測設(shè)計研究有限責任公司，天津300222）

1 基本情況

1.1 工程概況

海河防潮閘位于天津市濱海新區(qū)的海河干流入?？?，建于1958年，原設(shè)計8 孔，閘孔總凈寬64m，設(shè)計流量1200m3/s，主要功能是防潮、蓄水、宣泄洪澇。閘底板采用浮筏式基礎(chǔ)，兩孔一聯(lián)；上游設(shè)鋼筋混凝土鋪蓋，與干砌石海漫、拋石防沖槽相連；下游設(shè)消力池，與漿砌石海漫、干砌石海漫、拋石防沖槽相連；閘墩上游側(cè)設(shè)公路橋，下游側(cè)設(shè)機架橋、工作橋；閘門為雙扉式平板鋼閘門，固定卷揚啟閉機啟閉。

1976年唐山大地震使海河防潮閘遭受嚴重影響；1992年風暴潮時，潮水翻過閘門頂，進入海河干流；1999年為配合海河干流治理，對海河防潮閘上部結(jié)構(gòu)進行了美觀加固；2009年，由于存在整體下沉、結(jié)構(gòu)破壞，運用指標達不到設(shè)計標準等問題，加上年久失修、工程老化，經(jīng)安全鑒定，海河防潮閘被評定為三類閘，需盡快實施除險加固。

1.2 泄洪任務

海河防潮閘與天津市濱海新區(qū)海堤相連，是天津城市防洪圈東部防線上的重要建筑物，地理位置非常重要。

海河干流歷史上是海河流域南運河、子牙河、大清河、永定河、北運河等五河匯流入海的尾閭河道。1963年大洪水后，先后修建了西河閘、屈家店閘，新挖了獨流減河、永定新河及子牙新河等骨干入海河道，從此改變了流域各河洪水由海河干流集中入海的局面。目前，海河防潮閘主要承擔分泄大清河系、永定河系洪水和天津市區(qū)澇水通過海河干流入海的任務。

大清河系中下游河道防洪標準可達10～20年一遇，結(jié)合中游洼淀的運用，可防御1963年型洪水（相當于50年一遇），尾閭總泄量4000m3/s，其中獨流減河承泄3600m3/s，經(jīng)子牙河至海河干流分泄400m3/s。

永定河系按100年一遇洪水標準設(shè)防，洪水進入永定河泛區(qū)調(diào)蓄后，由屈家店出流1800m3/s，其中由永定新河下泄1400m3/s，經(jīng)北運河至海河干流下泄400m3/s。

根據(jù)2011年《天津市排澇總體規(guī)劃（2011～2020年）》，在規(guī)劃城區(qū)及建成區(qū)發(fā)生1年一遇、同時農(nóng)田發(fā)生10年一遇的澇水、環(huán)城四區(qū)等其他區(qū)域澇水掉頭入永定新河或獨流減河的情況下，海河干流設(shè)計排澇流量為963m3/s。

綜上，海河防潮閘的泄流規(guī)模為設(shè)計洪水流量800m3/s，設(shè)計澇水流量963m3/s。設(shè)計洪水與設(shè)計澇水基本不遭遇。

1.3 河道及河口治理

海河干流從天津市中心城區(qū)和濱海新區(qū)穿過，全長105.14km。1993年，由于海河口地區(qū)地面沉降及河口淤堵等因素，海河干流的泄洪規(guī)模由原設(shè)計1200m3/s 調(diào)整到800m3/s。

1999年，天津市對海河干流按泄流800～1000m3/s規(guī)模進行整治，包括海河防潮閘下4km 河口段清淤工程。

2001年，為協(xié)調(diào)防洪與河口開發(fā)的關(guān)系，提出沿海河口規(guī)劃治導線布置雙導堤、堤內(nèi)輔以清淤措施的河口治理方案。

2006年，天津臨港工業(yè)區(qū)結(jié)合河口泄洪清淤及河口綜合整治規(guī)劃，利用灘涂淺海造地，將海河口治導線向外海延伸并固化，并在雙導堤間修建港池航道。

到2012年底，海河干流治理工程、海河口雙導堤工程及港池航道工程均已全部竣工。

2 現(xiàn)狀過流能力

2.1 閘上設(shè)計水位

海河防潮閘原設(shè)計閘上水位1.01m。1999年海河干流治理時，為滿足河岸景觀要求，確定閘上控制水位（最高水位）2.03m。

2.2 閘下設(shè)計潮型

海河防潮閘原設(shè)計閘下水位0.71m，采用1954年8月17日典型潮的平均值（以下簡稱54 潮位），海河口是開敞式的，起始位置在現(xiàn)狀閘下。1999年海河口由開敞式演變?yōu)橥ǖ佬?，閘下水位采用1972年7月26日典型潮（以下簡稱72 潮型），最高值2.26m，最低值-1.25m，日平均值0.655m，起始位置在現(xiàn)狀閘下4km 處。2006年以后，閘下水位仍采用72潮型，但因閘下泄洪通道加長，起始位置由閘下4km處移至17km 處。

2.3 計算方法和結(jié)果

采用感潮河道調(diào)洪演算的基本方法，利用丹麥DHI 公司開發(fā)的Mike 軟件中的一維水動力模塊，模擬計算海河防潮閘現(xiàn)狀過流能力。Mike 軟件中的一維水動力模塊采用的基本方程為圣維南方程組，計算過程中模型可自動判別閘下為自由出流或淹沒出流，瞬時采用不同的水閘計算公式。基本方程及公式如下：

（1）河道非恒定流水面線計算公式（圣維南方程組）：

式中 Q 為流量（m3/s）；A 為過水斷面面積（m2）；q 為側(cè)向入流（m3/s），入流為正，出流為負；h 為水深（m）；C 為謝才系數(shù)；R 為水力半徑；α 為動量分布系數(shù)；g為重力加速度，采用9.81（m/s2）。

（2）水閘計算公式：計算過程中模型自動判別閘下為自由出流或淹沒出流。

當閘下為自由出流時，泄流計算公式為：

當閘下為淹沒出流時，泄流計算公式為：

式中 μ 淹沒水流系數(shù)；h1、h2閘上、閘下水位（m）；Cd、b、w 同上。

計算斷面采用1999年海河干流整治后的河道斷面，閘下4km 河口段采用2006年河口清淤設(shè)計斷面，閘下4～17km 河口段采用5 萬t 級航道設(shè)計斷面；糙率采用1999年設(shè)計糙率。

計算時，閘底板高程采用實測的現(xiàn)狀高程，當閘下河口采用72 潮型且位于17.0km 處，閘上控制水位不超過2.03m 時，現(xiàn)狀海河防潮閘日均過閘流量1150m3/s，瞬時最大過閘流量2040m3/s，不能滿足過閘1200m3/s 的原設(shè)計要求，但可以滿足過閘800m3/s的流域防洪規(guī)劃體系要求和過閘963m3/s 的天津市排澇規(guī)劃體系要求。

3 除險加固泄流規(guī)模分析

1993年，由于地面沉陷和河口淤積，海河干流泄流標準曾由1200m3/s 降到800m3/s。從復核結(jié)果看，由于河口大沽沙航道已被打通，現(xiàn)狀過流能力已達到1150m3/s，除險加固方案和規(guī)模不宜按800m3/s 確定，而應以基本維持現(xiàn)狀為宜，以有利于超標準澇水入海。

初擬有泄流能力1100m3/s 和1000m3/s 兩個方案。

3.1 方案1（1100m3/s 方案）

拆除閘底板，在現(xiàn)狀位置重新澆筑。由于閘室上下游底板加固方式是在現(xiàn)狀底板上增加厚0.5m 混凝土，因此閘室底板也應在現(xiàn)狀高程基礎(chǔ)上增加0.5m。經(jīng)計算，閘室底板高程提高0.5m 后，可滿足過閘1100m3/s 規(guī)模的要求。

3.2 方案2（1000m3/s 方案）

在現(xiàn)狀閘底板基礎(chǔ)上增加厚1.7m 鋼筋混凝土。經(jīng)計算，閘室底板高程提高1.7m 后，可滿足過閘1000m3/s 規(guī)模的要求。

3.3 方案比選

兩方案都能滿足水工結(jié)構(gòu)要求。從施工上看，方案1 需將閘室上部結(jié)構(gòu)及閘墩等同時拆除重建，方案2 需在原底板上造孔以滿足灌注樁施工要求，方案2 較方案1 施工難度大。從投資上看，由于方案2不拆除閘室底板、翼墻、岸墻，且鋼閘門高度相對較低，投資較方案1 節(jié)省2%～3%。

如果增加3%的投資，可提高10%的過閘流量，從有利于防洪排澇安全并適當留有余地來講，方案1更有利于天津市中心城區(qū)及濱海新區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展。

4 除險加固對閘下清淤和運行管理的影響

1998年以前，年清淤量40 萬～100 萬m3；1999～2006年，對閘下4km 河道清淤槽進行清淤，年清淤量110 萬m3；2006年開始，沿海河口兩側(cè)的規(guī)劃治導線修建導堤至閘下14km 處，但未修建港池航道，年清淤量由60 萬m3減至30 萬m3；2009～2010年，隨著導堤向外海延伸至閘下17km 處，在閘下4km以下泄洪通道內(nèi)開挖港池航道，并進行維護性清淤，清淤槽的清淤量每年20 萬～30 萬m3。2011年，臨港工業(yè)區(qū)對閘下4km 以下航道進行加寬和浚深，由于清淤槽底高程和航道底高程相差較大，當河道泄洪和外海落潮流疊加時，落潮流速加大，在水流歸槽作用下清淤槽末端將發(fā)生沖刷，槽底高程降低且有逐漸向閘前靠近的趨勢；沖於平衡后清淤槽有可能繼續(xù)淤積，但淤積速率變緩，回淤高度降低。近三年來，因回淤量明顯減少，故沒有對清淤槽進行清淤，從清淤槽內(nèi)沖刷下來的泥沙大部分淤積在航道內(nèi)，由港區(qū)實施維護性清除。

綜上所述，若保持現(xiàn)狀閘底板高程及河口清淤方案不變，因現(xiàn)狀清淤槽末端處于沖刷狀態(tài)，清淤槽的回於量很小，故對閘下清淤工程、運行管理沒有影響；若抬高閘底板高程且維持河口清淤方案不變，根據(jù)以往的研究成果，閘底板高程與閘下河道淤積的關(guān)系不很密切，按河口清淤方案清淤后，閘下河道回淤與清淤斷面的關(guān)系比較密切；在清淤槽底寬度相同的情況下，一般清淤與回淤是基本平衡的，即清淤越深、回淤就越高，清淤越大、回淤就越多；因此閘底板抬高后，對閘下清淤槽斷面沒有影響，不會對閘下清淤工程、運行管理造成不利影響。

5 結(jié)語

從施工難度和經(jīng)濟合理性分析，泄流1100m3/s方案比較優(yōu)越，并且該方案對閘下清淤工程、運行管理沒有影響。因此，建議推薦方案1。

［1］SL 265—2001，水閘設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］劉煒.水力計算手冊［K］.北京：中國水利水電出版社，2006.

［3］南京水利科學研究院.海河口綜合整治規(guī)劃治導線調(diào)整物理模型試驗研究報告（送審稿）［R］.2005.

［4］天津市水利勘測設(shè)計院.天津市海河干流治理工程初步設(shè)計修訂報告［R］.1999.

［5］中水北方勘測設(shè)計研究有限責任公司.海河防潮閘安全鑒定安全評價總報告［R］.2009.