海河防潮闸除险加固泄流规模分析

时间：2024-07-28

秦毅

（中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津300222）

1 基本情况

1.1 工程概况

海河防潮闸位于天津市滨海新区的海河干流入海口，建于1958年，原设计8 孔，闸孔总净宽64m，设计流量1200m3/s，主要功能是防潮、蓄水、宣泄洪涝。闸底板采用浮筏式基础，两孔一联；上游设钢筋混凝土铺盖，与干砌石海漫、抛石防冲槽相连；下游设消力池，与浆砌石海漫、干砌石海漫、抛石防冲槽相连；闸墩上游侧设公路桥，下游侧设机架桥、工作桥；闸门为双扉式平板钢闸门，固定卷扬启闭机启闭。

1976年唐山大地震使海河防潮闸遭受严重影响；1992年风暴潮时，潮水翻过闸门顶，进入海河干流；1999年为配合海河干流治理，对海河防潮闸上部结构进行了美观加固；2009年，由于存在整体下沉、结构破坏，运用指标达不到设计标准等问题，加上年久失修、工程老化，经安全鉴定，海河防潮闸被评定为三类闸，需尽快实施除险加固。

1.2 泄洪任务

海河防潮闸与天津市滨海新区海堤相连，是天津城市防洪圈东部防线上的重要建筑物，地理位置非常重要。

海河干流历史上是海河流域南运河、子牙河、大清河、永定河、北运河等五河汇流入海的尾闾河道。1963年大洪水后，先后修建了西河闸、屈家店闸，新挖了独流减河、永定新河及子牙新河等骨干入海河道，从此改变了流域各河洪水由海河干流集中入海的局面。目前，海河防潮闸主要承担分泄大清河系、永定河系洪水和天津市区涝水通过海河干流入海的任务。

大清河系中下游河道防洪标准可达10～20年一遇，结合中游洼淀的运用，可防御1963年型洪水（相当于50年一遇），尾闾总泄量4000m3/s，其中独流减河承泄3600m3/s，经子牙河至海河干流分泄400m3/s。

永定河系按100年一遇洪水标准设防，洪水进入永定河泛区调蓄后，由屈家店出流1800m3/s，其中由永定新河下泄1400m3/s，经北运河至海河干流下泄400m3/s。

根据2011年《天津市排涝总体规划（2011～2020年）》，在规划城区及建成区发生1年一遇、同时农田发生10年一遇的涝水、环城四区等其他区域涝水掉头入永定新河或独流减河的情况下，海河干流设计排涝流量为963m3/s。

综上，海河防潮闸的泄流规模为设计洪水流量800m3/s，设计涝水流量963m3/s。设计洪水与设计涝水基本不遭遇。

1.3 河道及河口治理

海河干流从天津市中心城区和滨海新区穿过，全长105.14km。1993年，由于海河口地区地面沉降及河口淤堵等因素，海河干流的泄洪规模由原设计1200m3/s 调整到800m3/s。

1999年，天津市对海河干流按泄流800～1000m3/s规模进行整治，包括海河防潮闸下4km 河口段清淤工程。

2001年，为协调防洪与河口开发的关系，提出沿海河口规划治导线布置双导堤、堤内辅以清淤措施的河口治理方案。

2006年，天津临港工业区结合河口泄洪清淤及河口综合整治规划，利用滩涂浅海造地，将海河口治导线向外海延伸并固化，并在双导堤间修建港池航道。

到2012年底，海河干流治理工程、海河口双导堤工程及港池航道工程均已全部竣工。

2 现状过流能力

2.1 闸上设计水位

海河防潮闸原设计闸上水位1.01m。1999年海河干流治理时，为满足河岸景观要求，确定闸上控制水位（最高水位）2.03m。

2.2 闸下设计潮型

海河防潮闸原设计闸下水位0.71m，采用1954年8月17日典型潮的平均值（以下简称54 潮位），海河口是开敞式的，起始位置在现状闸下。1999年海河口由开敞式演变为通道型，闸下水位采用1972年7月26日典型潮（以下简称72 潮型），最高值2.26m，最低值-1.25m，日平均值0.655m，起始位置在现状闸下4km 处。2006年以后，闸下水位仍采用72潮型，但因闸下泄洪通道加长，起始位置由闸下4km处移至17km 处。

2.3 计算方法和结果

采用感潮河道调洪演算的基本方法，利用丹麦DHI 公司开发的Mike 软件中的一维水动力模块，模拟计算海河防潮闸现状过流能力。Mike 软件中的一维水动力模块采用的基本方程为圣维南方程组，计算过程中模型可自动判别闸下为自由出流或淹没出流，瞬时采用不同的水闸计算公式。基本方程及公式如下：

（1）河道非恒定流水面线计算公式（圣维南方程组）：

式中 Q 为流量（m3/s）；A 为过水断面面积（m2）；q 为侧向入流（m3/s），入流为正，出流为负；h 为水深（m）；C 为谢才系数；R 为水力半径；α 为动量分布系数；g为重力加速度，采用9.81（m/s2）。

（2）水闸计算公式：计算过程中模型自动判别闸下为自由出流或淹没出流。

当闸下为自由出流时，泄流计算公式为：

当闸下为淹没出流时，泄流计算公式为：

式中 μ 淹没水流系数；h1、h2闸上、闸下水位（m）；Cd、b、w 同上。

计算断面采用1999年海河干流整治后的河道断面，闸下4km 河口段采用2006年河口清淤设计断面，闸下4～17km 河口段采用5 万t 级航道设计断面；糙率采用1999年设计糙率。

计算时，闸底板高程采用实测的现状高程，当闸下河口采用72 潮型且位于17.0km 处，闸上控制水位不超过2.03m 时，现状海河防潮闸日均过闸流量1150m3/s，瞬时最大过闸流量2040m3/s，不能满足过闸1200m3/s 的原设计要求，但可以满足过闸800m3/s的流域防洪规划体系要求和过闸963m3/s 的天津市排涝规划体系要求。

3 除险加固泄流规模分析

1993年，由于地面沉陷和河口淤积，海河干流泄流标准曾由1200m3/s 降到800m3/s。从复核结果看，由于河口大沽沙航道已被打通，现状过流能力已达到1150m3/s，除险加固方案和规模不宜按800m3/s 确定，而应以基本维持现状为宜，以有利于超标准涝水入海。

初拟有泄流能力1100m3/s 和1000m3/s 两个方案。

3.1 方案1（1100m3/s 方案）

拆除闸底板，在现状位置重新浇筑。由于闸室上下游底板加固方式是在现状底板上增加厚0.5m 混凝土，因此闸室底板也应在现状高程基础上增加0.5m。经计算，闸室底板高程提高0.5m 后，可满足过闸1100m3/s 规模的要求。

3.2 方案2（1000m3/s 方案）

在现状闸底板基础上增加厚1.7m 钢筋混凝土。经计算，闸室底板高程提高1.7m 后，可满足过闸1000m3/s 规模的要求。

3.3 方案比选

两方案都能满足水工结构要求。从施工上看，方案1 需将闸室上部结构及闸墩等同时拆除重建，方案2 需在原底板上造孔以满足灌注桩施工要求，方案2 较方案1 施工难度大。从投资上看，由于方案2不拆除闸室底板、翼墙、岸墙，且钢闸门高度相对较低，投资较方案1 节省2%～3%。

如果增加3%的投资，可提高10%的过闸流量，从有利于防洪排涝安全并适当留有余地来讲，方案1更有利于天津市中心城区及滨海新区的经济发展。

4 除险加固对闸下清淤和运行管理的影响

1998年以前，年清淤量40 万～100 万m3；1999～2006年，对闸下4km 河道清淤槽进行清淤，年清淤量110 万m3；2006年开始，沿海河口两侧的规划治导线修建导堤至闸下14km 处，但未修建港池航道，年清淤量由60 万m3减至30 万m3；2009～2010年，随着导堤向外海延伸至闸下17km 处，在闸下4km以下泄洪通道内开挖港池航道，并进行维护性清淤，清淤槽的清淤量每年20 万～30 万m3。2011年，临港工业区对闸下4km 以下航道进行加宽和浚深，由于清淤槽底高程和航道底高程相差较大，当河道泄洪和外海落潮流叠加时，落潮流速加大，在水流归槽作用下清淤槽末端将发生冲刷，槽底高程降低且有逐渐向闸前靠近的趋势；冲於平衡后清淤槽有可能继续淤积，但淤积速率变缓，回淤高度降低。近三年来，因回淤量明显减少，故没有对清淤槽进行清淤，从清淤槽内冲刷下来的泥沙大部分淤积在航道内，由港区实施维护性清除。

综上所述，若保持现状闸底板高程及河口清淤方案不变，因现状清淤槽末端处于冲刷状态，清淤槽的回於量很小，故对闸下清淤工程、运行管理没有影响；若抬高闸底板高程且维持河口清淤方案不变，根据以往的研究成果，闸底板高程与闸下河道淤积的关系不很密切，按河口清淤方案清淤后，闸下河道回淤与清淤断面的关系比较密切；在清淤槽底宽度相同的情况下，一般清淤与回淤是基本平衡的，即清淤越深、回淤就越高，清淤越大、回淤就越多；因此闸底板抬高后，对闸下清淤槽断面没有影响，不会对闸下清淤工程、运行管理造成不利影响。