沿海多功能擋潮水閘的設(shè)計構(gòu)思

彭 淵，周國民，吳文華

（1. 浙江廣川工程咨詢有限公司，浙江 杭州 310020；2. 浙江省水利河口研究院，浙江 杭州 310020）

1 現(xiàn)有技術(shù)狀況及存在的問題

我國海岸線漫長，沿海地區(qū)涉及11個?。ㄊ?、自治區(qū)，未包括香港、澳門特別行政區(qū)和臺灣?。?，海岸線長度約1.8萬km，海堤沿線上分布著大量的水閘。海堤和水閘構(gòu)成了沿海防御臺風(fēng)暴潮的安全線和生命線，對抵御洪潮侵襲，降低災(zāi)害損失，保護沿海人民的生命財產(chǎn)安全，保障經(jīng)濟社會發(fā)展起到了非常重要的作用。

沿海海堤上的水閘除了具有擋潮要求外，按照水閘的運行功能主要分為排水（澇）閘和進水（納潮）閘[1]。排水（澇）閘主要作用是排泄上游的洪水和澇水，保證上游流域的防洪安全。其運行方式是高潮擋水，低潮排水。進水閘的主要作用是將海水納入一定范圍的區(qū)域，滿足海水水產(chǎn)養(yǎng)殖和鹽場鹽業(yè)生產(chǎn)的需要。其運行方式是高潮進水，低潮排水。

隨著國家鹽業(yè)生產(chǎn)的集中化和規(guī)?；?，目前沿海進水閘主要服務(wù)于海水水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)。由于養(yǎng)殖技術(shù)的提高，養(yǎng)殖收益的增長，在沿海高程較低的灘涂上進行海水水產(chǎn)養(yǎng)殖非常普遍。目前在我國沿海一些人多地少的省份，由于土地稀缺，圍海、圍涂建設(shè)方興未艾。但這些圍墾后的灘涂地開發(fā)需要大量的時間和資金投入，初期往往先開發(fā)海水水產(chǎn)養(yǎng)殖，以盡早發(fā)揮土地價值。

因為海水水產(chǎn)養(yǎng)殖對納潮需求量大，所以需要的進水閘規(guī)模較大、數(shù)量較多。目前對規(guī)模較小的水產(chǎn)養(yǎng)殖，為減少水閘數(shù)量，往往進水閘和排水閘結(jié)合，水閘既納潮又排水。但對于規(guī)模較大的海水養(yǎng)殖區(qū)，進排水混合會造成水質(zhì)污染，養(yǎng)殖效益降低，水產(chǎn)品食品安全不能保障，需要進、排水路分開，分別設(shè)置進水閘和排水閘。

我國沿海地區(qū)分布有大量的軟土地基，在軟土上建設(shè)水閘，建閘成本較高[2]。另外水閘施工還需要在海里先修建臨時施工圍堰，這不僅使建閘成本大大增加，而且施工干擾大、風(fēng)險高，施工不方便，水閘施工受臺汛期影響，往往制約工程整體工期。同時水閘和海堤連接處易成為工程的薄弱環(huán)節(jié)，增大了工程管理的難度和風(fēng)險。因此，如何既減少水閘的數(shù)量，又能滿足工程需要，是工程技術(shù)人員非常關(guān)注的問題。

2 沿海多功能擋潮水閘的設(shè)計構(gòu)思

設(shè)計多功能水閘是解決上述問題的主要途徑。浙江廣川工程咨詢有限公司設(shè)計院在某圍墾工程水閘設(shè)計中，提出了多功能水閘的設(shè)計概念，可以較好地解決進水閘和排水閘結(jié)合的問題，減少總的水閘數(shù)量，降低工程投資。

沿海多功能擋潮閘在常規(guī)水閘的基礎(chǔ)上，通過增設(shè)水閘內(nèi)側(cè)的副閘門和隔離墩，以實現(xiàn)進排水功能的結(jié)合。與常規(guī)水閘相比，主要進行下列幾個方面的創(chuàng)新和改進。

（1）在閘室內(nèi)側(cè)布置副閘門和隔離墩，隔離墩分隔進水、排水河道，通過主副閘門的聯(lián)合操作，實現(xiàn)進排水結(jié)合的功能。主閘門和副閘門的總凈寬按照進水閘或排水閘凈寬的大值確定，如此將原來需建設(shè)2座水閘才能具有的功能，合并成為1座水閘，大大降低水閘的工程投資。

（2）多功能水閘由主閘門和副閘門組成。主閘門除滿足進排水啟閉要求外，另一個功能是抵擋外海潮浪的襲擊。副閘門則主要是調(diào)節(jié)進出水流，起到節(jié)制閘的作用。由于沿海主閘門要承受風(fēng)暴潮的打擊，抵擋設(shè)計高潮位和波浪的雙重作用，尤其處于開敞海域的水閘，波浪作用力非常大，內(nèi)外水頭差大，運行工況條件差，因此主閘門建設(shè)的成本往往很高。而副閘門位于主閘門內(nèi)側(cè)，不必承受外海潮浪的作用，閘門運行工況好，水頭差小，閘門單跨幅度可大大增加，副閘門的成本低，其增加的投資遠遠小于新建1座水閘所需要的投資。

（3）采用移動式閘門啟閉機起吊副閘門，一般情況下在內(nèi)側(cè)只需要設(shè)置1扇副閘門，進一步降低工程投資。

（4）主閘門的閘室內(nèi)外側(cè)均設(shè)置消力池，可以同時滿足排水和進水時的消能防沖需要，使得進出水閘的水流得到控制，減少對上下游河底的沖刷。

3 主要原理和適用條件

沿海多功能擋潮閘的主要原理是，通過擋潮閘與節(jié)制閘的組合，使得在同一座水閘上實現(xiàn)進排水功能結(jié)合，滿足多功能要求，同時降低工程投資。由于擋潮閘和節(jié)制閘的運行條件完全不同，導(dǎo)致兩者建設(shè)成本存在較大差異，才使得沿海多功能擋潮閘具有較好的經(jīng)濟性及推廣應(yīng)用的價值。

因此，該方案水閘主要適用于沿海地區(qū)具有擋潮功能和有進排水需要的水閘，尤其適用建于軟土地基和外海波浪較大條件下的擋潮閘。

4 工程實例

根據(jù)上述設(shè)計思路，以某水閘設(shè)計為例[3]。水閘建筑物級別為3級，水閘按50年一遇擋潮標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，設(shè)計排澇標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇。水閘功能上需滿足上游排澇和堤內(nèi)養(yǎng)殖塘進水的要求，排澇設(shè)計流量225 m3/s，進水（納潮）設(shè)計流量 189 m3/s。

設(shè)計水位：外海設(shè)計潮位P=2%設(shè)計高潮位為4.76 m，多年平均潮位為0.21 m，納潮對應(yīng)外海最高潮位為3.42 m。內(nèi)河排澇20年一遇閘前最高洪水位4.16 m，河道正常水位2.0 m。

常規(guī)水閘方案設(shè)計排水閘為3孔×4 m，進水閘3孔×4 m。進水閘和排水閘均為擋潮閘，通過閘室上游側(cè)布置鋼筋混凝土隔水墻，實現(xiàn)分孔進、出水流，并分別與上游側(cè)河道進行銜接。

多功能水閘方案設(shè)計時，主閘門維持3孔×4 m，在水閘上游布置1扇單孔12 m的鋼結(jié)構(gòu)副閘門，分別在納潮河道和排澇河道之間，采用移動式啟閉機進行啟閉及移動副閘門，實現(xiàn)進水和排水分別控制。

水閘對比情況見表1。

表1 水閘對比情況表

常規(guī)水閘布置主要由：①主閘室（包括主閘門及啟閉機），功能為擋潮及進排水；②上下游側(cè)翼墻；③上下游側(cè)消力池；④下游側(cè)護坦或海漫；⑤上游側(cè)隔水墻，功能為分隔進出水流與上游河道銜接；⑥下游側(cè)防沖槽(巖基閘可取消)；⑦上游側(cè)鋪蓋等組成。典型常規(guī)水閘平面布置見圖1。

沿海多功能擋潮閘結(jié)構(gòu)主要由：①主閘室（包括主閘門及啟閉機），功能為擋潮及進排水；②上下游側(cè)翼墻；③上下游側(cè)消力池；④上下游側(cè)護坦或海漫；⑤上游側(cè)副閘室（包括兩側(cè)邊墩和隔離墩、副閘門及移動式啟閉機）；⑥下游側(cè)防沖槽(基巖閘可取消)等組成。典型多功能擋潮閘平面布置見圖2。

5 水閘運行方案

（1）正常運行情況下由專職調(diào)度員負責(zé)發(fā)布水閘調(diào)度指令；非常運行情況下（出梅前后期、高溫干旱蓄水期、臺風(fēng)影響期、預(yù)報強降雨期等）由專職調(diào)度員提出水閘調(diào)度建議，經(jīng)上級防汛防旱指揮部統(tǒng)一指揮，并由專職調(diào)度員發(fā)布水閘調(diào)度指令。

（2）臺汛期需要進行擋潮時，主閘室關(guān)閉主閘門進行防潮擋水。

圖2 典型多功能水閘平面布置圖

（3）進水時，將副閘門置放到排水河道閘槽內(nèi)關(guān)閉排水河道，然后外海側(cè)主閘門開啟，水流經(jīng)外海主閘門進入進水河道，輸送到養(yǎng)殖區(qū)。

（4）排水時，移動式啟閉機設(shè)備將副閘門移到進水河道閘槽內(nèi)關(guān)閉進水河道，然后打開主閘門，上游來水通過外海主閘門排入外海。

（5）實際使用時，按照進水和排水的使用頻率，確定以什么功能為主進行操作，以減少副閘門的運行操作費用。如以進水為主，則副閘門主要放在排水河道內(nèi)，一般進水時，可不用啟閉副閘門，這樣節(jié)省副閘門的啟閉費用。

6 主要特點

（1）水閘進排水結(jié)合，布置緊湊，適當(dāng)增加單座水閘的投資，可以達到2座水閘的功能，投資省。

（2）2座水閘合并成1座水閘，有效減少施工干擾，減低施工風(fēng)險，減少圍堰投資，加快施工進度。

（3）有利于近遠期結(jié)合，減少工程總投資。沿海很多進水閘主要服務(wù)于海水水產(chǎn)養(yǎng)殖。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，很大部分海水養(yǎng)殖區(qū)將逐漸開發(fā)成建設(shè)用地，到時進水閘將失去作用，造成投資的浪費。而多功能水閘的設(shè)計，使得近遠期規(guī)模能有效結(jié)合，減少工程投資與浪費。

（4）多功能水閘需聯(lián)合操作運行，管理相對復(fù)雜。

7 應(yīng)用前景

目前該成果已經(jīng)成功獲得了國家實用新型專利（專利號：中國，201120060494.4）[3]。實現(xiàn)多功能水閘的應(yīng)用，可有效減少工程建設(shè)中水閘的規(guī)模和數(shù)量，不僅可有效降低水閘的建筑成本（初步測算可減少建筑成本30%～60%），還可以減少水閘施工圍堰的投資，尤其在浙江、福建、廣東等沿海軟土地基廣泛分布的省份，效益是非?？捎^的。水閘規(guī)模的減少，還可大大減少施工難度，降低施工風(fēng)險，加快施工進度。同時，多功能水閘有利于近遠期結(jié)合，減少工程總投資，減少不必要的工程投資浪費。我國海岸線漫長，水閘數(shù)量相當(dāng)可觀，多功能水閘具有較好的應(yīng)用前景。