海堤龙口合拢的水力计算及方案选定

占木兴 吴国强

【摘要】该围海工程位于湄洲湾莆田石门澳作业区，该区域吹填面积大、潮差大、围堰修筑难度大。龙口的正确设置对堰身的稳定有很大影响。为了确定龙口的宽度和底部高程，本文采用规范推荐的转化口门线法和水量平衡法分别进行计算，并对二者计算的结果进行了对比，比较两种方法的优劣性，为合理选择堵口顺序以及确定最佳合拢方案提供了一定的理论依据。

【关键词】围堰；龙口；合拢；转化口门线；水量平衡法

引言

湄州湾石门澳作业区港区后方陆域形成C标段与航道疏浚工程位于秀屿区月塘乡外侧海域，施工内容主要包括围堰、陆域形成以及区域内的疏浚工程。围垦区被9#隔堤分割成C-1和C-2两个围区。围区内原始泥面高程较高，潮差大，平均潮差达到5.11m，在低潮位的时候会发生露滩现象。在此区域内修筑围堰，受制于当地潮流、潮差、地基、气象等诸多因素，合理设置龙口的预留尺寸对工程的成败有着很大的影响，本文通过两种计算方法对该工程的C-2区龙口方案拟定提供一定的理论依据。

1、转化口门线法

本工程提防设计标准为4级，工程级别较低，按照《滩涂治理和海堤技术规范》的要求，对于4、5级海堤工程，水力计算允许简化，可用转化口门线方法直接求出龙口最大流速和选择堵口顺序。按照规范要求，龙口渡汛、堵口潮位设计标准采用重现期为5年的设计潮型。

转化口门线是水力要素最大值（例如最大流速Vmax）等值线图中各等值线的节点相连而得之曲线。此线表示堵口过程中口门尺寸（口门宽度、底槛高程）与水力要素最大值的关系。

计算公式采用下式：

式中，为设计潮型之最高潮位，由于缺乏潮汐资料，通过初步计算分析，采用海港水文规范中对于极端水位的确定方法，通过对50年一遇极端水位计算分析可取5年一遇的极端水位为7.09m。为转化口门线上任一点处最大流速。

计算参数：设计中潮位按平均的中潮位4.11m计算，平均潮差为5.11m。

围区面积约为391万㎡，全潮库容按照全潮水位5年一遇极端高水位计算为： 12194943.3m3=1.2×107m3。查相关表格可得：x= 1.014，y=2.4。

通过设置不同宽度的龙口尺寸，通过（1）和（1）式就可以得到龙口的底高程和转化线上的最大流速。具体计算结果见表1。表中的最大流速的值是龙口在指定的宽度下，最大流速将会出现在该龙口底部高程上，高于或者低于该高程，流速会减小或者变化不大。

按照《滩涂治理和海堤技术规范》的要求，控制流速一般取2-4m/s，这里从施工要求上考虑，龙口的控制流速选为4m/s。从表1中可以看出，在龙口宽度为200m，龙口底部高程为4.11m时，基本可以满足该水流条件。综合考虑最终设置龙口宽度为250m，龙口底部高程为4.2m的控制尺寸是可以满足水力条件的。

2、利用水量平衡法进行龙口水力计算。

2.1水量平衡法计算原理

式中：为计算时段内内陆流域来水平均流量。

为计算时段内水闸泄水平均流量。

为计算时段内龙口溢流平均流量。

为计算时段内龙口堆石体渗流平均流量。

为计算时段，为计算时段末围区容量，为计算时段初围区容量。

对于本工程，没有陆域来水流量，假设围区泄流和进流都通过龙口，即不考虑水闸泄流，堆石体渗流流量。

2.2 水位-库容曲线

根据围区原始地形数据，通过选择不同的围区水位可计算出围区内相应的库容量，具体计算结果见表2，水位与库容的相关曲线见图2。

从图2.2中可以看出，由于围区内地形较为平坦，在水位升到4m后，库容和水位的关系近似为一条直线，可通过线性拟合求出该段（h≥4）的水位（h）和库容（W）的关系方程：，相关系数为0.9986。

2.3计算的潮位参数

通过对当地潮位的统计分析，典型潮位过程线如图3所示，龙口方案的初步选定采用大潮汛的潮汐过程曲线。

2.4 龙口的流量

根据进出流水位与底槛高程的差别，分为淹没出流和自由出流，流速的具体公式方法如下：

根据上述公式，通过编写相应的计算程序便可以得到围区水位过程线，流量过程线，以及流速过程线。具体计算原理及步骤可见相关书籍或规范。龙口水力要素以流速尤为重要，其变化规律也具代表性，表4给出了最大流速的计算结果。 表4 最大流速计算结果

根据表4流速的计算结果，以口门宽为横座标，口门底槛高为纵座标，建立坐标系，并绘制流速等值線，见图4。

从图2.4可以看出：当口门宽度不变而抬高底槛高程（即平堵）时，最大流速开始逐渐增大，到某一高程（口门越窄，此高程越低）时达到最大值，然后随龙口底高程的抬高，最大流速逐渐减少。当龙口底高程不变而压缩口门宽度（即立堵）时，则最大流速逐渐增大，至某一口门宽度（底槛高程越低，此宽度越窄）时达到最大值，而后再压缩口门宽度，此最大值稍有减小。由上述规律可知，窄而深的口门其流速较大，不利于堵口合拢，这在图2.4中可以明显看出来，也为其他研究者所验证[4]。

从流速等值线中可以明显看出在龙口宽度为250m时，龙口的最大流速在3.5m/s（控制的安全流速可取4m/s）以下，故在该龙口尺寸下采用平堵的方案，龙口的合拢实施没有多大困难。但考虑到当龙口的底高程为4.5m的时候，采用水上施工已不可行，需采用陆上进占施工，故龙口方案可选定为预留250m的龙口宽度，采用水上平堵施工，待龙口底高程达到4.5m后，可采用陆上立堵方案进占施工，最终争取在小潮汛的时候一次合拢成功。

3、两种计算方法的对比

上述两种计算方法最终拟定的龙口宽度及底高程是一致的，即龙口宽度为350m，底高程为4.5m。但由于计算方法的不同，导致转化口门线上的最大流速值有所不同，但对最后龙口的方案拟定并不产生影响。虽然方法一计算简便，但是只对于4、5级海堤工程可以采用该方法，并且需要通过查询复杂的表格计算相关参数，方法二只需要编写相应的计算程序，不受海堤工程级别限制，也不用查询复杂的表格，并且计算的结果为二维结果，可以清晰的看到在不同龙口尺寸组合下的流速变化趋势，其计算结果采用的控制流速也比方法一的要小，计算结果也更准确。故推荐采用方法二进行龙口方案的选定，方法一可作为方案的初步选定，也可以对方法二的计算结果进行校核。

4、结论及建议

本文通过转化口门线法和水量平衡法进行龙口方案的拟定，水量平衡法由于计算原理简单，并能编写通用的计算程序，且计算精度能满足工程的需要，故推荐采用水量平衡法进行方案的拟定，即龙口的宽度设置为250m，合拢时的底高程为4.5m。实际施工过程中，需根据围堤的结构、地形合理选定龙口位置，必要时设置副龙口分担水流落差，并重视抛石护底及堤头防护措施。为了能更加有效的控制龙口的水流状态，建议对龙口的水流状态能实时监测，保证龙口能一次性顺利合拢。

参考文献：

[1] 陈吉余.中国围海工程[M].北京：中国水利水电出版社，2000.

[2] 中华人民共和国水利部.滩涂治理和海堤工程技术规范，2007.

[3] 李家星，陈立德.水力学[M].南京：河海大学出版社，1996.

[4] 陈德春，吴继伟，李宇，张闽生.围海工程堵口合拢技术研究[J].河海大学学报（自然科学版），2002（30）：67-70.

作者简介：占木兴（1969-），男，本科，主要从事施工项目管理工作。