平原河网地区节制闸规模确定方法研究

朱桂娥 孙永林 陈佳蕾

摘要：为了研究条件复杂的平原河网地区节制闸闸孔净宽，运用多重理论体系，利用规范界定节制闸闸孔总净宽范围、利用静态水位研究闸孔净宽与河道过水面积关系、利用河网水动力数值模拟研究动态水位下闸孔净宽与过水量关系，并考虑规划衔接性、建设条件许可度等方面，提出了综合确定节制闸闸孔总净宽的一套实用方法体系，并在上海市苏州河西闸闸孔总净宽规模论证中得到了应用。该论证方法体系囊括了理论支撑和实践运用，具有较强科学论证依据，也能被各方较好接受，是一套科学全面、简单易操作的方法体系。

关键词：平原河网； 节制闸； 苏州河； 上海市

中图法分类号：TV131

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2023.07.010

文章编号：1006-0081（2023）07-0063-04

0 引 言

节制闸是常见水工建筑物，常用于拦洪（挡潮）、调节水位、控制下泄流量等。SL 265-2016《水闸设计规范》及其条文说明对闸孔总净宽的确定提出了相关规定，建议根据河道平均过水宽度的0.60～0.85确定节制闸闸孔净宽。水闸方面的诸多研究中对闸的结构稳定性、安全性设计和施工组织关注度相对较高，如孙明权等［1］开展的南水北调中线倒虹吸节制闸三向耦合地震响应模拟研究，分析了最危险方向地震和三向耦合地震激励下的振动特性及应力应变情况，表明节制闸牛腿部位的抗震设计应考虑三向耦合地震的作用。周成洋等［2］提出了水閘闸墩常见裂缝成因及处理措施。李娜等［3］针对三类、四类水闸判定中人为因素较大、直接影响除险加固效果等问题，总结了影响三、四类闸划分的关键技术、经济、政策等因素。节制闸过流方面的分析也有所涉及，如李景刚等［4］在南水北调中线干线节制闸过流公式率定及曲线绘制中，基于量纲分析法，运用实测数据开展过流公式率定，并依此绘制节制闸不同水位差下的过闸流量与闸门开度关系曲线，认为量纲分析法简单、高效且有较高精度；姬伟等［5］对青州市弥河闸重建必要性及规模进行了分析论证，其重点是设计水位、蓄水库容、设计流量等方面；李杰［6］以宁波市大嵩江流域为例，通过MIKE 11水动力模型，对排涝过程进行数值模拟，通过水闸净宽与内河水位降低关系分析，提出了建议的水闸净宽。已有相关研究［7-8］均从某个角度且偏向理论性方面论证了闸孔总净宽，实际上，闸孔总净宽不仅仅涉及过流能力，还涉及建设条件、规划依据等多面的因素。

因此，本文以上海市苏州河西闸总净宽为例，针对平原河网往复流动明显、功能综合的节制闸，在规范基础上，综合考虑各方因素，理论结合实际，提出了1套确定平原河网地区节制闸的综合论证方法。

1 研究区域概况

苏州河是上海市“一江一河”的重要组成部分，其上游是太湖流域重要水利分区阳澄淀泖区，下游涉及上海市嘉宝北片、青松片、蕰南片和淀北片等重要水利分片（图1）。

苏州河上游通过吴淞江工程汇集了太湖和阳澄淀泖区的洪涝水。阳澄淀泖区属太湖流域下游平原河网区，大部分属江苏省苏州市。在流域100 a一遇设计标准洪水下，要求通过吴淞江工程进入上海市的洪涝水为5.6亿m3，大部分沿吴淞江（蕰藻浜）入江，局部时段、部分水量通过苏州河排江。

上海市沿线片区主要通过鹅蛋浦、封浜、横沥、新通波塘等河道排涝水入苏州河。现状排入苏州河的除涝泵站总流量为230 m3/s，规划两岸排涝泵站流量将增加至275 m3/s。沿线均为雨水强排系统，现有泵排流量共计344 m3/s，规划增至441 m3/s。入黄浦江处建设有苏州河河口水闸，水闸为单孔门，宽100 m，是上海市重要的防汛工程，具有防汛和水资源调度两种功能。沿线片区的治涝标准为30 a一遇。

2 研究方法

平原河网地区具有水面率大、水面比降小、流速缓慢等特点，河道水流往往呈现往复、多向等流向变化不定现象，同一河网水流常呈现顺流、滞留、逆流等多种流态。同时，受闸泵调控的人为因素干扰明显。平原河网地区通常人口比较密集，经济发展程度高，水事权益敏感，需要更高的洪涝安全保障能力，高度关注河闸泵站等调控设施的规模。

本文依据SL 265-2016《水闸设计规范》，按照河道规模初步界定节制闸闸孔净宽范围：

B1=（0.60～0.85）B2

式中：B1为闸孔总净宽，m；B2为河道平均过流流量时的宽度，m。

采用长系列实测资料分析得到的静态水位（h）、水深（H）等参数，建立节制闸与河道断面面积之间关系曲线：

F=B1×H－（b+i×H）×H

式中：F是节制闸与河道过水面积的函数，m2；b为河道底宽，m；H为河道水深，m；i为河道边坡。当F渐趋于0且略大于0 时，基本能说明特定水位下，闸孔总净宽是与河道过流断面相匹配的。

由于平原河网往复特性差异，以及河道断面的不规则性，且需要兼顾到总体水量进出情况，因此，除了采用静态水位衡量闸孔净宽与河道匹配关系外，还需研究在一段时间内，动态水位下闸孔总净宽与过闸水量的关系，以谋求两者之间更协调的关系。考虑平原河网特性，采用河网水动力数值模型模拟不同闸孔总净宽下过闸水量变化规律。河网水动力数值模拟方法较多，有常用商业软件MIKE、河海大学自编的HOHY等，其采用的水动力公式基本均为圣维南方程组。

连续方程：

Qx+（α·A）t=q

动力方程：

Qt+（Q2/A）x+gAZx+gn2|U|QR4/3=0

式中：x，t分别为距离和时间，都为自变量；Z为断面水位；Q为断面流量；U为断面平均流速；A为断面过水面积；R为断面水力半径；α为动量修正系数；q为单位河长的均匀旁侧入流，包括降雨产汇流；n为河道糙率系数；g为重力加速度。

本次采用了太湖流域常用的HOHY水动力模型对流域、区域洪涝过程进行数值模拟，分析水闸净宽与排水量之间的关系，从而为确定闸孔总净宽提供依据。

在基本确定满足河道过流需要的水闸净宽情况下，由于平原河网水闸功能的复杂性，通常要考虑不同水事权益相关方的需求，对相关规划进行充分解析、剖析、沟通、协调，与规划相衔接是確保总净宽取得各方认可的重要条件。同时，建设条件也是制约规模确定的因素之一，必须通过现场调研、用地性质分析等综合确定。

3 应用实例

3.1 苏州河西闸概况

苏州河位于上海市，上接吴淞江，下入黄浦江，经过上海市静安区、普陀区等区，是上海市中心城区的重要排涝河道。在中心城区遭遇较大暴雨时，其水流以向西流动、上溯为主，承担着满足市中心排涝需求的功能；当上游遭遇较大暴雨时，其水流以向东流动为主，承担着排泄上游洪涝水的任务（图1）。

近年来，因低水位抬升、调蓄能力降低、黄浦江潮位升高等因素影响，苏州河水位屡创新高，导致苏州河两侧片内内河涝水无法及时快速外排，苏州河及两翼片区防汛排涝风险大，压力明显增加。因此，上至国家级层面规划、下至部门行业规划均提出在苏州河西侧新建苏州河西闸，以尽可能降低上游来水对苏州河低水位的影响，并与苏州河河口泵闸联合调度，降低苏州河低水位，提高调蓄能力。苏州河西闸建设后，应在能保证上海市30 a一遇降雨情况下，使市中心涝水能顺利上溯，以减轻本地区压力。同时，应在保证上海市中心城区安全前提下，不影响流域100 a一遇洪水下泄。

由于苏州河关系着上下游洪涝安全需求，又涉及水利、交通航运等多部门需求，其规模受到众多关注，且苏州河河面宽40～197 m，河道宽窄不一，仅按照规范确定规模也存在一定缺陷。

3.2 节制闸总净宽分析

3.2.1 设计规范

SL 265-2016《水闸设计规范》规定应根据泄流特点、下游河床地质条件和安全泄流的要求，结合闸孔孔径和孔数的选用，经技术经济比较后确定闸孔总净宽，水闸闸孔总净宽应根据下游闸槛型式和布置，过闸流量，上、下游水位衔接要求，泄流状态等因素计算确定。条文说明中提出闸孔总净宽的确定主要涉及单宽流量、闸室总宽度与河道总宽度的关系，要求闸室总宽度大体上与上下游河道宽度相适应。一般来说，采用的闸孔总净宽要略大于计算值，根据实践经验，闸室总宽度与河道宽度的比值一般为0.60～0.85。

节制闸净宽确定时，首先以规范为依据，综合考虑河道现状规模和规划规模，从而确定节制闸总净宽的规模范围。分析苏州河西闸上下游一定范围内的河道规模，拟建节制闸上下游1 km范围左右，河道断面均为斜坡式断面，至一定高程后，采用直立式护岸的结构型式。现状平均过水宽度约70 m，河道底高程0 m左右（图2）。规划河道工程河口宽基本维持现状，河底高程拓浚至-2.0 m，河底宽不小于30 m，河道水下疏浚边坡坡比为1∶4.5（图3）。根据规范以及工程实践经验，闸孔宽度取40～60 m为宜。

3.2.2 过流能力

要使过流能力不受影响，应从以下两个方面进行考虑：① 静态平均水位对应的河道过水断面面积和节制闸面积是否匹配；② 采用水动力模拟，从不同节制闸净宽的过水面积及过水水量角度，找到效益增速的转折点。

苏州河西闸上下游各1 km范围内河道的平均过水面积为338.5 m2。由不同闸孔总净宽与过水面积的曲线比较图（图4）可见，当节制闸净宽50 m时，其过闸面积为285 m2，相当于河道过水面积的84.2%；当总净宽达到60 m时，过闸面积342 m2，略大于河道的平均过水面积，能满足平均水位下的河道过流面积需要，也兼顾了设计洪水位下河道过流面积增加的可能。

采用河网水动力数值模拟总净宽10，20，30，40，50，60 m和70 m过流能力的变化。分别考虑闸总净宽不影响上游洪涝水下泄和下游涝水上溯的需求。针对上游洪涝水下泄需求，节制闸敞开时不应有阻碍下泄水量的情况。据统计，最大1 h净泄量随净宽增加而有所增加，但增幅逐渐减小。闸宽达到60 m后，闸宽继续增加，最大1 h净泄量变化幅度接近0（表1），说明总净宽60 m能满足上游洪涝水下泄需求。

针对下游涝水上溯需求，下游以治涝标准作为设计条件，按照最大过闸流量来考虑闸总净宽是否影响泄流。根据模型计算，总净宽由20 m增加至80 m时，最大过闸流量逐渐增加，闸宽达到60 m后，随着闸宽继续增加，最大过闸流量变化微弱（图5），说明总净宽60 m不影响下游涝水上溯需求。

3.2.3 规划依据

平原河网地区，尤其是经济发达地区，河道大部分都具有综合利用功能，其水事权益非常敏感。苏州河为Ⅵ级航道，苏州河西闸的建设既涉及上下游防洪排涝需求，还涉及交通航运需求。因此，在规模确定过程中，需要考虑与规划、与各行业需求的协调。闸址周边情况示意见图6。

（1） 从水利角度，上海市政府批复的《上海市防洪除涝规划（2020～2035年）》和上海市水务局审查通过的《苏州河防洪除涝工程规划》均明确，苏州河西闸总净宽不小于50 m。

（2） 从交通航运角度考虑，苏州河为Ⅵ级航道，河内通航船舶载重多为500～700 t，营运组织以货船单船运输及工程船为主，运输货种主要为矿建材料、水泥，船舶流向为西进西出，日均流量约为15艘次。此外，在苏州河沿线布设有部分水上交通执法、水上公安等站点，沿线有管理部门船舶航行，除货船外，公务船舶日均流量约为10～20艘次。为满足通航需求，双线航道直线段底宽不小于36.0 m；其上游约100 m处桥梁净跨47 m。节制闸净宽设置时应尽量与现状航道等宽，避免因闸门局部束窄航道，改变现有岸线，形成碍航紊流，影响通航安全。

3.2.4 建设条件

建设场地与规模息息相关。在场地面积不充足的情况下，需要权衡减小规模与功能降低之间的关系。在无法平衡时则需另选闸址重新研究规模。

苏州河西闸的建设条件相对较好。上海市人民政府批复的《吴淞江工程（上海段）水利枢纽专项规划》对苏州河西闸陆域用地已按60 m闸宽予以控制，用地面积约0.38 hm2。在规划用地范围内可满足不大于60 m的闸宽布置。

3.3 结果分析

在上述研究基础上，提出了苏州河西闸闸孔总净宽为60 m。该方案符合规范要求，也与静水水位下的河道过水面积相衔接，同时还满足动态水位水动力效果模拟要求，规划协调性较好，建设条件许可度较高，规模确定的方法较为全面，得到了各级审批部门的一致认可。

4 结 语

针对平原河网地区节制闸建设，本文研究提出了节制闸规模确定的综合论证方法，并在苏州河西闸建设中得到成功应用，可在平原水闸建设中推广及供类似水利工程建设参考。

参考文献：

［1］ 孙明权，梁成彦，吴小飞.南水北调中线倒虹吸节制闸三向耦合地震响应模拟［J］.水电能源科学，2011，29（1）：61-63，128.

［2］ 周成洋，林立，沈明.水闸闸墩常见裂缝成因及处理措施［J］.江苏水利，2021（11）：28-31，56.

［3］ 李娜，汪自力，郭博文，等.影响三四类水闸判定的关键因素及对策［J］.人民黄河，2021，43（10）：119-122.

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［5］ 姬偉，光辉，张凯，等.青州市弥河闸重建必要性及规模分析论证［J］.小水电，2022（5）：36-41.

［6］ 李杰.基于MIKE 11水动力模块的水闸规模论证研究［J］.陕西水利，2021（11）：21-23.

［7］ 陆苗，许有鹏，高斌，等.平原河网区水利工程调控下水文连通变化［J］.地理学报，2021，76（11）：2685-2696.

［8］ 李红，王文娥，胡笑涛，等.节制闸开度对分水口流速分布的影响［J］.中国农业大学学报，2022，27（2）：155-163.

（编辑：李 晗）