泐馬河出海閘工程工程選址與總平面布置研究

韓文君

(上海友為工程設計有限公司，上海 200093)

工程選址是工程設計的重要環(huán)節(jié)，合理的工程位置可較好地節(jié)約用地、節(jié)省投資；合理的平面布置有利于自身結構安全、水流流態(tài)良好，更利于實現(xiàn)工程建設的目的[1～3]。泐馬河出海閘工程為典型的平原河網(wǎng)出海閘，本文先通過比選確定其閘址、平面布置，并利用Mike- 21進行流態(tài)數(shù)值模擬。

1 工程概況

泐馬河出海閘位于臨港新片區(qū)南部泐馬河入杭州灣出?？陂T處，內(nèi)接泐馬河，外排杭州灣，是上海市浦東水利片的重要排水口門，承擔著防洪、防潮、除澇等任務。出海閘孔凈寬50m，排澇標準為20—30年一遇[4]，外海防洪(潮)標準為200年一遇高潮位(6.01m)+12級風下限(32.7m/s)，內(nèi)河防洪(潮)標準按3.75m最高控制水位設防[5]。出海閘內(nèi)河水位變幅較小，外河水位變幅較大，水閘擋水高度近7.5m；出海閘最大設計過閘流量為510m3/s，出海閘無通航要求。

2 閘址比選

2.1 比選原則

(1)與河道兩側區(qū)域、道路規(guī)劃、景觀規(guī)劃相協(xié)調，同時兼顧考慮現(xiàn)實條件及遠期規(guī)劃條件下的正常運行。

(2)閘址盡可能布置在河道順直段，使水流平順通暢。

(3)因地制宜，充分利用工程地形、地質、水流和現(xiàn)有設施等條件。

(4)滿足規(guī)范要求和工程安全的前提下，盡量靠近海塘，縮短外河堤防長度。

(5)施工方便，節(jié)約投資，對周邊環(huán)境影響小。

(6)有利于使用、管理、施工和維護。

2.2 比選方案

方案一：后置堤身式布置。新建水閘中心線與規(guī)劃河道中心線重合，閘首主體結構內(nèi)縮約190m，布置于現(xiàn)狀海塘內(nèi)，外河海漫段及防沖槽整體位于堤內(nèi)，水閘外海側防沖槽布置距離現(xiàn)狀海塘大堤內(nèi)坡腳不小于45.0m。布置如圖1所示。

圖1 閘址選址方案一

方案二：堤身式布置。新建水閘中心線與規(guī)劃河道中心線重合，閘首主體結構位于現(xiàn)狀大堤堤身處布置，閘首上交通橋與現(xiàn)狀海塘堤頂?shù)缆讽樈?。布置如圖2所示。

表1 工程閘址比選表

圖2 閘址選址方案二

經(jīng)比較，方案一、方案二都具有可行性，相較于方案二，方案一內(nèi)退布置，水閘所受外海風浪壓力較小、閘下水流流態(tài)相對好，施工期防汛防潮壓力小、施工安全及可靠方便，且方案一基坑開挖不影響現(xiàn)狀大堤安全，同時結合已有類似工程新建樞紐構筑物的方式[6- 9]，工程閘址采用方案一。

3 工程總平面布置

泐馬河水閘建成后根據(jù)水資源調度要求每天趁潮排水，閘門操作十分頻繁；節(jié)制閘沒有通航要求；建筑物鄰近外海杭州灣。新建泐馬河水閘總凈寬為50m，閘孔孔徑和孔數(shù)根據(jù)地基條件、運用條件、閘門結構型式，以及閘門制作、運輸、安裝等綜合比選；閘室結構型式根據(jù)泄流特點和運用要求進行選擇。

3.1 閘孔寬度及孔數(shù)選擇

根據(jù)《水閘設計規(guī)范》，閘孔孔數(shù)少于8孔時宜采用單數(shù)孔，能夠供水閘對稱開啟，閘下水流對稱均勻，流態(tài)較好，有利消能防沖[10]。為此，本工程可考慮單孔、多孔徑不等孔寬、多孔徑等孔等方案。

單孔布置、多孔不等孔寬布置形式多用于有通航要求、有大跨徑需求的水閘[11- 14]。閘門跨徑越大，土建基礎結構體量、挖深大、金屬結構技術難度大；閘門制作、安裝、運輸難度大；檢修門布置難度大；啟閉機容量大；頻繁操作運行條件差；平時運行靈活性差；管理維修要求高?？讖讲坏龋瑱z修門通用性較差，啟閉機規(guī)格種類多，運行管理不便。泐馬河出海閘無通航要求，無大跨凈需求，故不采用單孔、多孔經(jīng)不等寬布置。

多孔等孔寬布置，根據(jù)經(jīng)驗閘孔數(shù)越多，投資越大，工程布置協(xié)調難度越大。本工程閘孔總凈寬50m，單孔寬度采用8～16m較為常見。

為此，本方案對三孔等徑、五孔等徑進行比選。

方案一：三孔兩聯(lián)結構。閘孔凈寬均取16m，一聯(lián)一孔，一聯(lián)兩孔，中間分縫，閘室順水流向長32m，垂直水流向長56.12m，閘室頂高程9.5m，底板頂高程-2.0m，底板厚2.0m，中墩厚均為1.7m，邊墩厚1.6m。結構圖如圖3所示，

方案二：五孔一聯(lián)結構。五孔一聯(lián)結構閘孔凈寬均取10m，閘室順水流向長30m，垂直水流向長60.0m，閘室頂高程9.5m，底板頂高程-1.50m，底板厚1.6m，中墩厚均為1.7m，邊墩厚1.6m。結構圖如圖4所示。

圖3 方案一單孔凈寬16m

圖4 方案二單孔凈寬10m

表2 不同孔徑布置結構對比表

經(jīng)比較，①方案一啟閉同步要求相對高，檢修存放需要更大的啟閉機、橋機及廠房尺寸，底板結構內(nèi)力較大。方案二，啟閉同步要求較低，制造、安裝難度相對較小，檢修、存放較方便，結構受力較好。②方案二的管理維修更容易。③在工程投資方面，方案二的金屬結構投資大于方案一，土建投資小于方案一，工程總投資方案二優(yōu)于方案一。

同時考慮本工程為杭州灣出海閘，外海潮位變化幅度大，參照同類已建工程管理經(jīng)驗[8]，閘門口寬越大，對過閘流量的控制靈活性越差，內(nèi)河及外海的沖刷更嚴重。

綜上，閘孔比選選用方案二，即單孔10m五孔一聯(lián)的布置形式。

3.2 閘室結構型式比選

常用閘室形式有開敞式和胸墻式，適用條件見表3。

表3 閘室結構形式

本工程主要作用為防洪(潮)、排澇及水資源調度；外河側水位變幅較大，高潮位時需關閘擋水，擋水水位高于排澇運行水位，工程的內(nèi)外河水位特點是內(nèi)河最低水位1.50m，最高水位3.75m；外河多年平均低潮位0.16m，200年一遇設計高潮位6.01m，水閘無通航要求，經(jīng)比較，推薦采用胸墻式的閘室結構。胸墻底高程取為4.00m，能滿足內(nèi)河3.75m最高水位排澇時，閘門全開排澇，自由水面不會受到胸墻底部所阻擋；這樣胸墻既不影響水閘的過水能力，又可減少閘門高度和啟門力，且有利于閘室的整體剛度。胸墻式閘室結構可以有效降低閘門高度。

3.3 工程總體布置

水閘工程平面布置采用“后置堤身式”的布置方案，布置于現(xiàn)狀海塘內(nèi)側，水閘平面中心線與河道中心線重合，順水流方向總長度為462.5m，垂直水流方向總長度為60.0m。水閘橫軸線(外河交通橋中心線)距離現(xiàn)狀海塘大堤約198.0m，外河海漫段及防沖槽整體位于現(xiàn)狀海塘堤內(nèi)，防沖槽布置距離現(xiàn)狀海塘大堤內(nèi)坡腳≥45m。

水閘順水流方向總長度為462.5m，外海側考慮與現(xiàn)狀海堤及堤外現(xiàn)狀(規(guī)劃)保灘順壩順接，形成出流通道，設211.5m引河深入外海。從內(nèi)河側至外河側各部位結構分別為：內(nèi)河海漫段(66m)+內(nèi)河護坦段(20m)+閘室段(30m)+外河一級消力池(20m)+二級消力池(20m)+外河海漫段(80m)+外河防沖槽(15m)+外海側出海引河(211.5m)。

水閘閘室按5孔一聯(lián)布置，單孔凈寬10m。內(nèi)河護坦、外河消力池與閘室順接，保證過水斷面寬度漸變至規(guī)劃河底寬度64m，內(nèi)河護坦、外河消力池與內(nèi)外河海漫段均采用圓弧翼墻及放坡過渡銜接。內(nèi)河側海漫段與泐馬河規(guī)劃設計河口寬度順接，外海側海漫段與6.00m高程大堤平臺順接。工程總平面布置如圖5所示。

圖5 工程總平面布置

4 布置方案水流流態(tài)驗證

4.1 模型建立

4.1.1計算網(wǎng)格與范圍

利用Mike21 Flow Model FM建模對泐馬河出海閘工程布置方案的典型排澇工況和引清排水工況下的水流流態(tài)進行數(shù)值模擬，模型中工程區(qū)域的單元格邊長由50m逐漸過渡到1m，建模如圖6所示。

圖6 工程計算區(qū)域網(wǎng)格及水下地形示意圖

4.1.2計算參數(shù)設置

模型計算時間步長為0.01～15s；橫向渦黏系數(shù)采用Smagorinsky公式估算取值為0.28m2/s，水平水平渦黏系數(shù)則采用對數(shù)公式估算；淺灘的糙率取值0.019～0.03，內(nèi)河河道糙率取值0.022～0.033。

4.2 河道最大流速取值

本工程河道地質大部分是粉質黏土層。參照GB 50288—2018《灌溉與排水工程設計標準》附錄F表[15]，粉質黏土的允許不沖流速為0.75～1.0m/s，取下限值為0.75。因河道的水力半徑R≠1，土質允許不沖流速應乘以修正系數(shù)Rα，其α取1/4～1/5。本工程內(nèi)河水位3.75m時近閘處河道水力半徑約為5m，修正系數(shù)Rα為1.38～1.50，河道允許不沖流速1.03 ～1.12m/s；本工程內(nèi)河水位2m以上的河道水力半徑約為4m，修正系數(shù)Rα為1.32～1.41，河道允許不沖流速為0.99 ～1.05m/s。

4.3 典型工況選取

本模擬選取以下兩種典型工況：

典型排澇工況1：內(nèi)河水位取最高控制水位3.75m，外海潮位取典型大潮過程，通過控制閘門開度，在保證內(nèi)河河道不沖的情況下最大過閘流量為510m3/s。

典型排澇工況2：內(nèi)河水位取預降低水位2.0m，外海潮位取典型大潮過程，通過控制閘門開度，在保證內(nèi)河河道不沖的情況下最大過閘流量為262m3/s。

工程外海側典型大潮過程如圖7所示。

圖7 工程外海側典型大潮過程

4.4 水動力計算結果分析

兩種典型排澇工況在不同潮位組合下的樞紐上下游局部流場圖如圖8—15所示。

圖8 典型排澇工況1低潮時流場分布圖

圖9 典型排澇工況1漲潮時流場分布圖

圖10 典型排澇工況1落潮時流場分布圖

圖11 典型排澇工況2低潮時流場分布圖

圖12 典型排澇工況2漲潮時流場分布圖

圖13 典型排澇工況2落潮時流場分布圖

圖14 典型排澇工況1內(nèi)河河道流場分布圖

圖15 典型排澇工況2內(nèi)河河道流場分布圖

可以看出，水閘在不同工況下排水時，水流均比較平順、流暢，流路清晰，擴散均勻，未見回流區(qū)，總體流態(tài)較好，但在內(nèi)河段汊口處局部區(qū)域有緩流區(qū)產(chǎn)生，該緩流區(qū)由河道地形控制無法避免，條件允許可順滑該區(qū)域河道邊界。水閘處峰值流速較高，但經(jīng)過內(nèi)外河海漫段的緩沖消能以及河道過流斷面漸寬，河道流速逐漸降低，但閘下流速相對較大，閘下段防沖壓力較大，應做好閘下段的消能防沖措施。

本工程出海引河導堤西側約100m位置現(xiàn)有臨港新城污水處理廠排污口，在兩種排水工況+不同潮位組合下，未見水閘出流對排污口有直接影響，本工程建成后排污口周邊的灘地沖淤可能會有一定的影響。該排污口未來會廢棄，后期將在距離海塘約2km的外海位置重建排污口，因距離較遠，水閘排水對后期重建排污口的影響基本可以忽略不計。

在控制閘門開度的前提下，水閘內(nèi)側河道流速基本控制在1.0m/s之內(nèi)，其中人民塘隨塘河對泐馬河河道的分流作用比較明顯，泐馬河(人民塘隨塘河上游段)的流速為泐馬河(人民塘隨塘河下游段)的60%～70%。因此建議上游段河道水閘至勝利塘(第一個支河口)段進行河底護砌；水閘運行時外海潮位一般很少超過3m(為出海引河導堤堤頂高程)，兩側海塘大堤受到出海引河導堤的掩護，其灘地基本不會受到水閘出流沖刷影響，即水閘出流基本不會影響兩側海塘大堤的安全。

5 結語

(1)泐馬河出海閘閘址采用后置堤身式”的布置方案。經(jīng)比選水閘采用5孔10m的等孔寬布置，結構采用胸墻式結構。MIKE- 21對本布置數(shù)值模擬結果顯示出海閘在不同工況下排水時，總體流態(tài)較好水閘出流基本不會影響兩側海塘大堤的安全。

(2)泐馬河出海閘為典型的平原河網(wǎng)出海閘，可為同類工程布置提供參考。