沿海挡潮闸消能设计研究

倪成，郭周杰，徐子轩

(1.广州市水务规划勘测设计研究院，广东 广州 510000；2.广东粵源工程咨询有限公司，广东 广州 510000)

0 引言

水闸运行过程中上下游水位、过闸流量及泄流方式(如闸门的开启程序、开启孔数和开启高度)等常常是复杂多变的，水闸闸下消能防冲设施必须在各种可能出现的水力条件下，都能满足消散动能与均匀扩散水流的要求，且要与下游河道有良好的衔接。

目前节制闸、排涝闸、分洪闸等水闸消能计算分析研究较多，而挡潮闸消能计算的研究较少，规范中对这部分也没有明确的规定与标准。通过工程实例来探讨此项设计内容，挡潮闸下游水位由潮水位控制，基本不受水闸下泄流量影响，无法像拦河闸通过均匀分级开启，控制下泄流量，缓慢提高下游水位，来减小消力池的深度和尺寸，在下游潮水位较低的情况下，只能控制水闸最大开度，控制下泄流量，并复核各不利工况下消力池尺寸。

以广州市增城区仙村水闸为例，采用规范公式，运用水力学原理，选取不同工况，对挡潮闸进行消能防冲计算和复核。

1 工程概况

1.1 水闸情况

仙村水闸位于增城市新塘镇仙村圩，东江北干流仙村涌右岸，仙村河流域范围，仙村河为东江一级支流，仙村河位于仙村镇东部，东起西福河经仙竹园涌、基裘岗涌、仙村运河、蓝山涌、仙吓涌，西南至东江北干流。仙村河现状5.30 km，集雨面积11.10 km2，河道平均宽度23.25 m，平均坡降1.1×10-3。

水闸为中型水闸，工程等别为Ⅲ等,主要建筑物为3级，次要建筑物为4级，临时建筑物为5级。水闸为仙村大围穿堤建筑物，级别不应低于堤防级别，仙村大围防洪标准为50年一遇，堤防级别为2级，故水闸级别提高一级，为2级建筑物。主要建筑物防洪标准：仙村水闸设计防洪(潮)标准为50年一遇，闸内排涝标准为10年一遇24 h暴雨不成灾。

闸孔总宽25.80 m，闸孔净宽21 m，共设3孔，每孔7.00 m，闸底板高程-1.00 m，墩顶高程6.06 m。闸门为平板钢闸门，门高5.20 m，由3台2×12.5 t固定卷扬机开启3扇闸门。中墩厚度为1.20 m，边墩厚度为1.20 m。墩长15.50 m。闸墩为钢筋混凝土结构，交通桥为钢筋混凝土桥，桥面宽8.00 m，面板为现浇混凝土板，厚500.00 mm。闸室段外江、内江侧分别由16 m和10 m长的钢筋混凝土U型槽相连接。

1.2 消能防冲布置断面

下游连接段总长度分别为42 m。水闸下游设消力池，消力池段采用钢筋混凝土结构。下游消力池深度为1.00 m，池长16.00 m，底板厚度为1.00 m。下游海漫段采用浆砌石结构，后段采用干砌石结构。外江侧海漫末端做抛石防冲槽。消能防冲布置断面见图1。

图1 消能防冲布置断面图

2 消能防冲计算

2.1 计算方法

采用《水闸设计规范》(SL265-2016)附录B中底流式消能设计计算公式。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

2.2 计算工况

挡潮闸宜以蓄水期排泄上游多余来水量需用闸门控制泄水时，上下游可能出现较大的水位差为控制消能设计的水利条件。

目前珠三角地区洪潮遭遇组合采用内涌设计洪水，遭遇外江多年平均高潮水位或5年一遇高潮水位，此种遭遇情况对于确定水闸宽度与过流是有利的，但对于消能防冲计算，洪峰遭遇由于下游潮位较高，下游水深较大，此时并不是消能防冲最不利的情况，因此本次计算除复核洪潮遭遇工况，还新增内涌常水位+外江低潮位的情况，此时上下游水位差较大。

工况一：内涌10年一遇洪峰，遭遇外江5年一遇高潮水位过程。

工况二：内涌为常水位，外江为多年平均低潮水位。

工况三：内涌为常水位，外江为多年平均年最低潮水位。(极端工况，此种工况遭遇可能性极低)

2.3 计算水位组合

①闸外水位。按《广东省防洪(潮)标准和治涝标准》相关规定，本次采用内涌10%设计洪水遭遇外江20%设计高潮水位作为起算水位，仙村河涌口对应值分别为3.84 m。②闸内洪水过程。闸内洪水过程采用综合单位线法计算仙村河10年一遇设计洪水过程。③调蓄计算。在内河涌涝水与外江潮位组合方面，根据排涝区10年一遇洪水过程的洪峰，遭遇外江5年一遇潮位过程，洪峰与潮峰同时遭遇，推求闸上设计洪水位，见表1所示。④确定水位组合。从过程表选取最大泄水流量和最大水位差2种水位组合，然后加上内涌为常水位+外江多年平均低潮位、内涌为常水位+外江多年平均年最低潮位2种水位组合，详见表2所示。

表1 仙村水闸调蓄计算表

表2 计算水位组合表

2.4 水闸控制运行的判定条件和确定泄水流量

由水闸消能防冲的计算原理可知，下游河道中水流一般多为缓流，其水深一般大于临界水深hk。而水闸的出口水流往往为急流，收缩断面水深常小于临界水深hk，故泄水建建筑的下游必然发生水跃。

而挡潮闸下游水位由潮水位控制，基本不受水闸下泄流量影响。当下游潮水位处于较低潮位时，如果下泄流量过大，必然造成下游水深小于临界水深，造成下游河道水流为急流，无法进行水跃消能，从而造成高速水流直接冲刷河床，影响水闸安全。为避免此种情况，当下游水位较低时，必须控制下泄流量。

水闸控制运行的判定条件：在某水位组合下，当下游水深为临界水深时，由临界水深公式反推泄水流量(以下简称临界流量Qk)，与水闸全开时的过流能力(以下简称全开流量Q)进行比较，若临界流量小于全开流量，说明无法全开闸门，下泄水流，需要控制闸门开度，控制最大下泄流量为临界流量，保持下游河道水流为缓流。若临界流量大于全开流量，说明，闸门可以全开，控制最大下泄流量为全开流量。

泄水流量：取临界流量Qk和全开流量Q两者中的较小值，计算结果见表3所示。

表3 泄水流量计算表

2.5 确定水闸开度

根据水闸设计规范附录A.0.3，当水闸为平底闸、孔流时，过流计算公式，由上下游水位、下泄流量、水闸型式和孔口等参数推求水闸开度，计算结果见表4所示。

表4 水闸开度计算表

由计算结果可知，本工程在工况二、工况三(下游低潮位)时，需控制闸门开度，工况二时，最大开度为0.64 m，工况三时，最大开度为0.05 m。

2.6 消能计算成果

由上下游水位、下泄流量、水闸型式、下游河床高程等参数计算消力池尺寸，计算结果见表5。

表5 消能计算成果表

由计算结果可知，工况一(洪潮遭遇)的计算池深和水跃长度均较小，从结果上印证了洪潮遭遇时，并不是消能最不利的情况。而工况三(内涌常水位+外江多年平均年最低潮位)由于下游水位过低，导致水闸开度和下泄流量很小，计算池深和长度也不是最大值。

最不利工况为工况二(内涌常水位+外江多年平均低潮水位)，此时闸门开度为0.64 m，下泄流量47.60 m3/s，计算消力池池深为0.49 m，水跃长度8.09 m。工程按偏安全设计，将消力池池深及池长稍放大，下游消力池深度取1.00 m，池长16.00 m，满足消能要求。

仙村水闸于2011年11月完成单位工程验收，根据现场调查和水闸安全评价报告，仙村水闸运行至今，水闸下游消力池结构完好，消能效果良好，未发现冲刷破坏现象。

3 结论

由于挡潮闸独特性，其消能设计具有其本身的特点，其工况选择、水闸控制运行的判定条件，闸门开度的确定等均与其他类型水闸有所区别。以广州市增城区仙村水闸为例，选取不同工况、水位组合，进行挡潮闸消能计算。档潮闸消能设计最不利工况是内涌常水位+外江低潮位的情况，以此确定消力池的尺寸。

同时，当外江潮位较低，要特别注意控制闸门开度和下泄流量，保障水闸的安全。闸门开度的计算方法是假定下游水深为临界水深，由临界水深公式反推泄水流量，通过泄水流量和上下游水位、水闸的基本参数来计算闸门最大开度。