（水利工程专业论文）淮河入海水道海口闸研究与实践.pdf

学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不 实，本人负全部责任。 论文作者c 签孙丝! 军 2 嘶靴月2 。曰 ( 注：手写亲笔签名) 学位论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。 论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： ( 注：手写亲笔签名) i i l 2 0 0 5 年1 2 月2 0 日 一哔 摘要 海口枢纽海口闸作为淮河入海水道四大枢纽之一的尾闾工程，因其地处海边，环 境复杂，影响工程安全因素众多。笔者从海口闸初步设计开始，就闸的布置、定动床 模型试验、设计、沿海水工建筑物混凝土耐久性及钢结构防腐新途径进行了分析探讨， 为远景海口闸的设计打好基础。主要内容如下： i 、对于海口南北闸布置进行了三种方案比选：方案利用六垛北闸和老海口闸方 案：方案二拆除六垛北闸和老海口闸分建海1 3 闸方案：方案三拆除六垛北闸和老海口 闸合建海口闸。经过比选并根据动定床等试验结果进行修改后，取用了方案二。 2 、针对选用的方案二，即拆除六垛北闸和老海口闸分建海口闸方案，对闸的布置、 水力设计、结构设计、金属结构和启闭机械等内容进行了深入研究。 3 、沿海建筑物对混凝土和钢结构防腐耐久性提出很高要求，笔者从水泥品质上进 行了比选，以提高砼内在质量；对混凝土结构外露面，在省内首次全面采用新型无色 有机材料保护，取得了很好的效果；对钢闸门，在涂层保护基础上，尝试增设牺牲阳 极保护技术，取得了成功。 4 、海口南北二闸除承担汛期行洪任务外，平时南闹每日担负排除地区涝水和纳潮 冲淤反向运行，由于采用液压启闭系统，闸门启闭控制运用比较复杂，为此设置了较 为先进的计算机监控系统，减轻了工作人员劳动强度，提高了运行管理水平。 关键词淮河入海水道海口枢纽闸位布置 方案 结构耐久性 监控系统 a b s t r a c t h a i k o ug a t e ，a st h et e r m i n a lo n eo ft h ef o u rl a r g ep r o j e c t so fs e a s h o r e w a t e r c o u r s ep r o j e c to ft h eh u a i h er i v e r ，i sl o c a t e dn e a rt h es e a b e c a u s eo ft h e c o m p l e xe n v i r o n m e n t ，t h eg a t es a f e t yi si n f l u e n c e db ym a n yf a c t o r s i nt h e p a p e r ，d i s c u s s e da r et h eg a t el a y o u t ，m o v a b l e b e dm o d e la n df i x e db e dm o d e lt e s t o ft h ep r e l i m i n a r yd e s i g ns t a g e ，a n da n a l y s e da r ec o n c r e t ed u r a b i l i t ya n ds t e e l a s e p t i ct e c h n i q u eo fc o a s t a lh y d r a u l i cs t r u c t u r e ，w h i c hp r o v i d eg o o dc o n i t i o n f o rt h el a t e rd e s i g n t h em a i nc o n t e n t sr e s e a r c h e di nt h ep a p e ra r ea sf o ll o w s 1 t h r e e l a y o u ta l t e r n a t i v e so fh a i k o ug a t ea r ep u tf o r w a r d t h ef i r s t a l t e r n a t i v ei st om a k ef u l lu s eo ft h ee l dl i u d u on o r t hg a t ea n dh a i k o ug a t e ，t h e s e c o n di st od e m o l i s ht h ee l dl i u d u on o r t hg a t ea n dh a l k o ug a t et oc o n s t r u c t h a l k o un o r t hg a t ea n dh a i k o us o r t hc a r ed i v i d u a l l ya n dt h et h i r dist od e m o l i s h t h e 0 l dl i u d u on o r t h ( ；a t ea n dh a i k o ug a t et 0c o n s t r u c th o l is t i c l a i k o u g a t e b a s e do nt h em o v a b i eb e dm o d e la n df i x e db e dm o d e lt e s t t h es e c o n d a t e r n a t i v ei sc h o o s e nf i n a l l y 2 a n a l y s e si nd e t a ila r eg a t el a y o u t ，h y d r a u l i cc a l c u l a t i o n ，s t r u c t u r a d e s i g n ，m e t a ls t u c t u r ea n dh o i s to ft h ec h o s e n s e c o n da l t e r n a t i v e 3 c o a s t a ls t r u c t u r ed e m a n d sr a t h e rh i g hd u r a b i l i t ya n da n t i s e p t i ce f f e c t o fc o n c r e t ea n ds te e li no r d e rt oi m p r o v ec o n c r e t ei m m a n e n tp e r f o r m a n c e ，c e m e n t q u a l i t yi sp r o p e r l yc h o s e n n e wo r g a n i cm a t e r i a lisf i s r tu s e di nj i a n g s up r o v i n c e t o p r o t e c t c o n c r e t es t r u c t u r es u r f a c e ，w h i c hi s p r o v e d t ob e h i g h l y v e f f e c t i v e c o n c e r n i n gs t e e lg a t e ，o nt h eb a s eo ft h ea n t i c o r r o s i v ep i g m e n t a n o d el o s st e c h n i q u ei su s e da d d i t i o n a la n di ss u c c e s s f u l 4 h a i k o ug a t et a k e so nf l o o dd i s c h a r g i n gi nd u r i n gf l o o dp e r i o d ，a n dt h e s o u t hp a r ta d d i t i o n a l l yt a k e so nd r a i n i n gw a t e r l o g g i n ga n dd r a w i n gti d e w a t e r t of l u s ho u td e p o s i t f o rt h er e a s o no fu s i n gh y d r a u l i ch o i s t ，g a t eo p e r a t i o n i sr e l a t i v e l yc o m p l e x b yu t i l iz i n ga d v a n c e dc o m p u t e r i z e dm o n i t o r i n gs y s t e m ， l a b o u ri n t e n s i t yi sl i g h t e na n dt h el e v e lo fo p e r a t i o na n dm a n a g e m e n ta r e i m p r o v e d k e yw o r d s ： e s t u a r i n ew a t e r c o u r s ep r o j e c to ft h eh u a i h er i v e r ，h a i k o u p r o j e c t ，g a t eo r i e n t a t i o n ，a l t e r n a t i v e ，s t r u c t u r ed u r a b i l i t y ，m o n i t o r i n ga n d c o n t r o ls y s t e m 第一章绪论 1 1 我国水闸的建设成就、特点 我国修建水闸历史悠久。公元前3 4 年，西汉南阳太守召信臣在今河南省南阳地区 邓县西兴建六斗歇，阻挡急流，设立3 个闸门引水灌溉。中国古代的水闸称水门或斗 门，至唐代以后始称水闸。钢筋混凝土水闸，是在1 8 2 4 年英国建成后逐渐发展的。 水闸是修建在河道或渠道上利用闸门控制流量和调节水位的低水头水工建筑物，可以 行洪、挡潮或抬高上游水位，以满足灌溉、发电、航运、水产、环保、工业及生活用 水等需要，在水利工程中，应用广泛，其按作用分为进水闸、节制闸、泄水闸、挡潮 闸等，按闸室的结构形式有开敞式、胸墙式及双层式水闸。 新中国成立后，国家大量投入资金、人力及物力，积极建设水利工程，尤其是在 2 0 世纪5 0 年代后兴建了大量水闸，遍布全国各地，有些规模很大，黄河上泄放冰凌的 水闸单孔宽达3 0 米，目前，我国有大型水闸3 0 0 余座。将害河变为造福社会的利河， 解决水患，促进经济的发展和一方平安，提供了有力保障。 1 2 我省沿海水闸存在的主要问题 沿海水闸大多直接面临大海，下游河槽受上游来量多少和海潮流向的混合作用， 冲淤变化不定，因此，在闸位及底板面高程等方面选择上难度较大，尤其是两泓两闸， 其分流比尤难确定。 江苏省先后修建了像嶂山闸、三河闸等大中型水闸3 0 0 余座，其中在沿海地区修 建了如射阳河闸、六垛北闸及小洋口闸等大量水闸，用于行洪、排涝、挡潮及通航。 这些沿海水闸，随着运行时间增长，陆续暴露出原设计标准已不适应经济发展的要求， ， 有些布景不合理，造成下游河道淤积或海漫被冲席4 损坏，工程不断老化，混凝土碳化 裂缝严重，局部有破损，保护层砼平均c l 一含量超标，致使内部钢筋锈蚀，产生顺筋裂 缝，钢闸门锈蚀严重，电气设备老化，自动化水平低等问题，影响了工程安全运行和 效益的发挥。 1 3 本文主要的研究内容 海口枢纽海口闸是入海水道的出海控制口门，工程成功与否直接关系到入海水道 功效的发挥，该闸面l 艋大海，出闸水面扩散比较大，极易发生主流摇摆，甚至形成折 冲水流，沿闸下引河左右冲刷弯曲下泄。此外，闸下水流易受潮汐、潮流的影响，水 位、流态变化剧烈，低水位时，泄水冲护坦并可能淘刷两岸坡脚；在中、高水位时泄 水也将冲刷岸坡，因此闸位选定及两闸布置尤为重要，本文将分别从水流流态、挡潮、 减淤及运行管理等方面对海口南、北两闸进行布置，并通过模型试验与原型观测成果， 分析海口闸不同布置型式对水流流态等因素的影响。 海i z 闸为软土地基上的大型拦河闸，闸底板的结构型式、结构尺寸、防渗设计、 消能防冲等均为该建筑物的关键技术问题，也是本文进行研究分析的又一重点。 海边砼建筑物易受氯离子和硫酸盐侵蚀，由于常规混凝土的耐久性差，很多建成 不久的工程必须进行除险加固，对新建工程必须研究混凝土耐久性问题；同时钢闸门 防腐以往多采用均匀喷涂处理方式，无法解决水下和水上部位等寿命问题。故本文对 沿海水工建筑物混凝土耐久性和水工建筑物钢结构防腐新途径进行了探讨、研究。 海口闸地处苏北滨海平原，位于海滩地带，距大海仅6 5 0 余米，海风大，远离乡 镇，生活及工作环境差，加之采用了液压启闭机系统，控制运用比较复杂，给运行管 理增加了难度。为了减轻工作人员劳动强度，提高了运行管理水平。为此，本文对微 机监控、视频监视系统管理进行了设计，实现了闸门开启、数据采集分析及监控自动 化。 2 第二章海口闸基本情况、任务及规模 2 i 建设缘由 洪泽湖是承泄淮河上中游1 5 8 万k m 2 洪水的大型湖泊型水库，总库容1 7 6 亿甜。 洪泽湖大堤是保护淮河下游地区3 0 0 0 万亩耕地和2 0 0 0 万人口生命财产的重要屏障。 目前洪泽湖下游洪水出路不畅，最大泄洪量仅为1 3 0 0 0 - 1 6 0 0 0 m 3 s ，防洪标准为5 0 年 一遇左右。加上淮河中游怀洪新河的先期建设，加剧了洪泽湖的洪水压力。为了提高 洪泽湖及其下游地区的防洪标准，扩大淮河下游洪水出路，修建淮河入海水道势在必 行。淮河入海水道近期工程兴建以后，配合入江水道( 1 2 0 0 0 岔s ) 、分淮入沂( 3 0 0 0 m 3 s ) 、 苏北灌溉总渠( 8 0 0 m 3 s ) 等现有泄洪体系泄洪，可以使洪泽湖的防洪标准提高到1 0 0 年一遇，以泓道和堤防为主的远期工程实施后可将防洪标准提高到3 0 0 年一遇。淮河 入海水道近期工程还可结合渠北地区排涝，使渠北地区排涝标准近期提高到5 年一遇。 根据淮河入海水道近期工程可行性研究报告及国家计委批复，淮河入海水道 近期工程( 以下称“淮河入海水道”) 主要建设内容包括开挖河道与修筑堤防，新建二 河枢纽、淮安枢纽、滨海枢纽、海口枢纽、淮阜控制，以及征地拆迁和移民安置等项 目。 海口枢纽是淮河入海水道的末级枢纽，具有挡潮、减淤、泄洪、排涝、连接南北 交通的功能，由海口闸和黄海公路桥两部分组成。海口闸工程位于滨海县东北4 8 k m 滨 海平原的海滩上。 3 2 2 1 设计洪水 2 2 水文 淮河入海水道近期行洪设计流量为2 2 7 0 m 3 s ，南偏泓设计排涝流量2 1 4 m 3 s ，北偏 泓设计排涝流量2 4 3 m 3 s 。 海口闸闸上设计洪水位3 8 i 】1 ，最高排涝水位2 o m 。 海口枢纽行洪时闸下设计潮水位为5 0 年一遇高潮位3 6 m ，相应高低潮位为0 3 6 m 。 闸下设计排涝水位为设计高高潮位2 2 m 与设计高低潮位一o 2 m 的平均值1 o m 。 闸下1 0 0 年一遇设计高潮位3 8 6 m ，3 0 0 年一遇校核高潮位为4 1 8 m 。闸下5 0 年 遇低潮位一1 9 7 m ，1 0 0 年一遇低潮位一2 0 4 m 。 根据六垛北闸近二十年来水位观测，六垛北闸上游年最低水位在0 1 4 0 8 3 之间， 平均在0 5 0 m 左右，故选定该水位作为闸上设计低水位。 2 2 2 潮汐 根据江苏省水文手册，灌溉总渠六垛南闸闸下共有2 1 年实测潮位资料，实测 最高潮位3 2 8 m ，实测最低潮位一1 9 6 m 。根据入海水道近期工程可研报告水文分析，多 年平均高潮位2 5 5 m ，可能最高潮位4 5 m 。潮位频率计算成果见表2 一l 。 表2 一l 入海水道海口潮位频率计算成果表 设计频率 潮位 可能最 名称 0 3 3 o 5 1 2 5 1 0 2 0 5 0 高潮位 高潮 4 54 嵋4 0 33 8 63 63 2 93 0 62 8 32 4 8 低潮 一2 0 4t 1 9 7一1 8 6一1 7 6一1 6 4一1 4 3 2 3 1 工程地质评价 2 3 工程地质情况 1 、海口闸底板底高程4 5 ，座落在2 层重粉质砂壤土顶部。该层为中密状重 粉质砂壤土，低压缩性，力学强度高，分布广，厚度较大，可作为海口闸基础的天然 地基持力层。 2 、海口闸地基持力层2 层土标准贯入击数n = 2 5 击，容许承载力矗= 2 0 0 k p a ，直 接快剪凝聚力c q = 1 2 k p a ，内摩擦角击q = 2 4 。根据水闸设计规范公式7 3 1 1 ， c o 取0 2 c q ，中。取0 9 中q ，考虑到该层为低压缩性力学强度高的重粉质砂壤土，参照 水闸设计规范表7 3 1 0 ，闸室底面与地基之间的摩擦系数f 取0 4 0 。翼墙底面与 地基土折算的综合摩擦系数为f o = 0 4 1 卜0 4 2 6 ，与闸室相同，计算摩擦系数f 取0 4 0 。 3 、排水渠中泓部位分布有1 1 层，土质软弱，力学强度低，其底高程为一5 6 0 m ， 须清除。 4 、2 层为少粘性土，颗粒细小，凝聚力低，抗冲刷和防渗能力差，应考虑进行地 基防渗及边坡护砌处理。 2 3 2 地震 查“中国地震烈度区划图”( 1 9 9 0 ) ，场地区地震基本烈度为6 度。因大型水工建 筑物对液化沉陷敏感，按地震烈度7 度考虑用标准贯入击数判别法对粘粒含量百分率 小于l o 的土层进行液化判别，结论是场地区土一般不液化，可不考虑地震液化对枢纽 建筑物的影响。 2 3 3 水文地质 场地区勘探深度范围2 层粉质砂壤土为浅部承压含水层，以上覆1 2 层壤土为其相 对隔水顶板，下伏2 层壤土为其相对隔水底板。勘探期间在j 1 3 0 4 4 孔( 抽水试验孔) 测得该承压含水层承压水位1 5 6 m ，承压水头2 8 3 m 。 抽水试验数据及计算结果表明，2 层承压含水层平均渗透系数k = 3 8 x l o c m s ， 依g b 5 0 2 8 7 9 9 水利水电工程地质勘察规范岩土渗透性分级标准，属中等透水。 2 4 工程任务 淮河入海水道工程是历次治淮规划研究综合论证所确定的扩大淮河洪水出路，提 高洪泽湖防洪标准，确保洪泽湖下游地区2 0 0 0 万人口、3 0 0 0 万亩耕地安全的战略性骨 干工程。根据批准的近期工程可行性研究报告，近期工程的主要任务是提高洪泽湖的 防洪标准，同时改善渠北地区排涝条件和水环境。 海口枢纽是淮河八海水道四大枢纽之一，其海口闸主要作用是挡潮、减淤、泄洪、 排涝，汛期连接南北交通，同时结合布置通航孔，方便附近渔船进出海。 2 5 工程规模 2 ，5 1 挡潮及减淤 1 0 0 年一遇设计挡潮水位3 8 6 m ，3 0 0 年一遇校核挡潮水位4 1 8 m 。 入海水道海口闸兴建以后，闸上河道不会淤积，闸下河道因潮汐影响，会产生淤 积。可通过调水冲淤、潮差冲淤、机船拖淤、南偏泓纳潮冲淤等措施来减少闸下减淤。 2 5 2 泄洪及排涝 入海水道近期工程建成后，配合入江水道、灌溉总渠和分淮入沂等工程，洪泽湖 防洪标准不低于1 0 0 年一遇。淮河入海水道近期工程海口枢纽设计行洪流量2 2 7 0 m 3 s 。 提高渠北地区排涝标准，使渠北地区排涝标准达5 、年一遇。南偏泓设计排涝流量 2 1 4 m 3 s ，北偏泓设计排涝流量2 4 3 m 3 s 。 2 5 3 交通及通航 当入海水道行洪期间，黄海公路南桥、北桥交通中断后，闸上交通桥临时承担沟 通南北交通，桥面净宽为7 0 + 2 1 o i l l ，荷载等级为汽- 2 0 、挂- 1 0 0 。 按最高通航水位1 5 m 考虑，海口闸北闸北侧设置一通航孔，孔口尺寸为1 0 0 x 4 5 m ( 宽x 高) ，用于零星船舶进入。 2 5 4 工程等别及建筑物级别 设计根据2 0 0 0 年发布的水利水电枢纽工程等级划分及洪水标准( s l 2 5 2 2 0 0 0 ) 规定，工程等别为i i 等，工程规模为大( 2 ) 型，南、北闸作为主要建筑物，为2 级水 工建筑物。 2 5 5 设计水位流量 入海水道近期行洪设计流量为2 2 7 0 m 3 s ，远期设计流量为7 0 0 0 r 3 s 。南偏泓设计排 涝流量2 1 4 m 3 s ，北偏泓设计排涝流量2 4 3 m 3 s 。 海口闸闸上设计洪水位3 8 m ，最高排涝水位2 o m ，设计低水位0 5 0 m 。 海口枢纽行洪时闸下设计水位为5 0 年一遇高潮位3 6 m 。排涝时闸下设计水位为设 计高潮位2 2 m 与设计高低潮位一0 2 m 的平均值1 o 。闸下5 0 年一遇低潮位为一1 9 7 m ， 1 0 0 年一遇低潮位为一2 0 4 m 。 海口闸挡潮按闸下1 0 0 年一遇高潮位3 8 6 m 设计，3 0 0 年一遇高潮位4 8 m 校核。 根据淮河入海水道近期工程可行性研究报告，入海水道远景设计行洪流量 7 0 0 0 m 3 s ，其挡潮、行洪设计水位与近期工程相同，所以远景时近期工程仍可全部利用， 再在近期工程北侧扩建设计行洪流量4 7 3 0 m 3 s 的远景海口闸即可满足远景行洪要求。 第三章海口南、北两闸布置、定动床模型试验与原型观测研究 海口枢纽海口闸是入海水道未级控制建筑物，承担挡潮、减淤、泄洪、排涝及连 接南北交通等功能，近期工程设计流量2 2 7 0 m 3 s 。由于该工程直接关系到入海水道能 否发挥行洪效益，减轻淮河流域的防洪压力，如何布置好南北两闸的相对位置，做好 防冲减淤等设计工作，故在设计时多种布置方案，并进行定、动床模型试验，以找出 最佳方案。并对2 0 0 3 年海口闸行洪期间原型观测数据进行了研究。 3 。l 利用六垛北闸和老海口闸方案( 方案一) 原六垛北闸和老海1 ：3 闸加固处理后，设计流量为4 0 0 m 3 s ，在老海口闸北侧同一轴 线位置新建孔宽l d 0 共1 3 孔海口闸，设计流量1 8 7 01 1 1 3 s 。 3 1 1 原六垛北闸、老海口闸概况 六垛北闸位于六垛镇以北桩号1 5 4 + 9 5 5 ，距海岸约8 3 k m ，是排水渠( 将来扩挖 为淮河入海水道南泓) 上挡潮建筑物。该闸共6 孔，单孔净宽8 m ，底板面高程一1 3 6 m ， 胸墙底高程1 6 5 m ，闸顶高程4 6 5 m 。采用钢质弧形门，采用2 l o o k n 绳鼓式启闭机 启闭。 六垛北闸1 9 5 3 年6 月建成后，随着运行时间增长，工程不断老化，未进行过大的 加固。下游淤积一直比较严重。为解决淤积问题，1 9 8 8 年在六垛北闸下游7 8 k m 处建 成老海口闸，用于纳潮冲淤，为低标准排涝拦淤矮闸，其挡潮标准为2 年遇，当潮 位超过2 4 8 m 时可以进水，挡潮任务仍由六垛北闸承担。该闸共6 孔，单孔净宽6 m ， 总净宽3 6 m ，底板面高程一2 o m ，闸顶高程4 5 m 。采用上下扉平面钢闸门，q p q 2 x 8 0 k n 绳鼓式双吊点启闰机控制，每孔两台，上下扉门单开。 老海口闸1 9 8 8 年9 月建成以来，减淤效果明显，基本解决闸下冲淤问题。目前老 海闸下游河道处于微冲状态，在下游北岸筑有三条3 0 m 长的防冲丁坝。 由于地处海边和排水渠排污水较多的原因，砼碳化和钢结构腐蚀均相当严重。 3 1 2 方案一枢纽布置 在老海口闸北侧同一轴线位置新建1 3 孔j l 径l o m 海口北闸，连同六垛北闸、老海 1 ：3 闸排泄淮河洪水，六垛北闸北侧新建黄海公路桥，解决新老建筑物之间交通。加固 六垛北闸和老海口闸。海口北闸中心线距老海口闸中心线距离为2 5 2 m ，桩号1 6 2 + 7 8 0 。 黄海公路桥位于六垛北闸北侧，中心线距六垛北闸中心线2 7 6 m ，桩号1 5 4 + 9 9 3 。 入海水道近期工程行洪2 2 7 0 m 3 s ，漫滩后，从六垛北闸开始入海水道洪水分两路， 一路从排水渠即南泓入海，一路由北泓入海。从六垛北闸开始至海口北闸处，入海水道 近期工程北堤中心线距排水渠北堤南肩5 9 5 m 。海口段南泓底高程一2 0 m ，底宽6 8 m ，边 坡l ：3 ；北泓底高程一3 0 m ，底宽6 8 m ，边坡1 ：3 。北偏泓底高程一3 o l n ，底宽6 8 m ， 边坡l ：3 。 图3 - 1 海口枢纽利用六垛北闸和老海口闸方案枢纽布置图 3 1 3 枢纽布置数值计算分析 为了校核原设计断面和设训水位条件下，南北泓的分流比、过流能力以及分流口的 流态，对利用六垛北闸和老海口闸方案进行了数值计算。 l 、计算范围泓道情况 从上游1 1 1 + 8 4 0 至海口北闸上游1 6 2 + 7 8 0 ，河道为复式断面，其中南泓底宽6 8 m ， 底高程一2 o m ，北泓底宽6 8 m ，底部高程一3 o m ，淮面高程约1 5 m ，边坡均为1 ：3 ，两堤 中心距区5 9 5 m 。至桩号1 5 4 + 5 0 0 处，河道过水断面分为两汊，南泓顺直，水流经六垛 北闸和老海口闸入海；北泓经分汉口弯曲段调整后，与南泓基本平行，两泓中心距约 2 7 6 m 。 o n o o 媲 獬* # v 孵章怔 o b r o 卜寸 皿龆怅喊梏恩翼删椒蟹n避悄厘鲁球长匠罨鼎鞯n螬 一1 1 匝 北泓分汉后，宽仍为6 8 m ，泓底高程一3 0 m ，北侧为4 0 0 m 滩地，下游泓道设计为 1 0 0 0 m 长渐变扩宽段，底宽由6 8 m 单向扩宽至1 7 0m ，两岸堤距缩为3 4 0 m ，然后经6 0 0 m 长顺直段通过海口北闸。闸下泓底宽1 7 0 m ，底高程一4 0 m ，至海堤线约5 0 0 m ，在海堤 线附近，由1 ：5 0 倒坡过渡，与海滩面一1 o m 地形相接。泓道过坡均为1 ：3 。 淮河入海水道近期计设行洪能力2 2 7 0 m 3 s ，其中北泓过流能力1 8 7 0 m 3 s ，南泓过流 能力4 0 0i i l 3 s 2 、数学模式 由于泓道比较规则顺直，相对水深较浅，故采用沿水深平均和平面二维数学模型。 ( 1 ) 基本方程 水体连续性方程 l h _ _ h + 巫型+ 韭蚴。o d f缸 印 动量守恒方程 下0(hv)+划+蚓：盟一蚓叫粤o：_auoxo yp a xa x a y1 以 。 i 。j 型at+蚓+掣：坠一妒掣+air旧(a：u+o扩：uax p a x1a v 。 a vi a v 2j 式中x 、y 一为空间水平坐标； h 一为全水深； z 。为床面高程； u 、v 为垂线平均流速为x 、y 方向的分量： g 一重力加速度； p 水体密度； t 。“，一水底摩阻，按谢才系数假定； 睁升c 腓川 式中c ，为阻力系数；p 卜万f _ 尹 t 。r 。，一水面风摩阻 ( 2 ) 定解条件 a 、边界条件 岸边界 v n = 0 水边界h = h ( t ) b 、初始条件 h ( x ，y 、0 ) = h 。( x ，y ) u ( x ，y ，0 ) = u o ( x ，y ) v ( x ，y ，0 ) = v o ( x ，y ) c 、离散格式 采用控制体积法进行离散，在离散时，时间采用前差分，空间采用四边形交错网格， 网格大小取值为： 沿河道纵轴线方向x = 6 0 m ，沿河道断面方向y = 3 0 m 。 2 、计算资料 ( 1 ) 计算范围 自桩号1 5 1 + 5 0 0 至闸上，其中，当非恒定流计算时，由海口断面计算至闸上的水位 采用一维数字方程。 ( 2 ) 边界条件 上边界自桩号1 5 1 + 5 0 0 取自设计水位条件。 下边界由海口开始由一维数模计算得到海口闸闸上水位条件和六垛北闸的水位条 件作为二维数模的下边界水位条件。 ( 3 ) 计算参数 阻力系数c 值由曼宁公式确定，即 c 三日 n 根据设计条件，深泓糙率n = o 0 2 2 5 ，滩地糙率n = o 0 3 5 。 经数值计算与分析，有如下几点结论： a 、原设计方案( 可研确定的布置方案，分流口段北偏泓底宽6 8 m ) 在设计水位条 件下，当海口水位3 6 0 m 时，南、北偏泓的分流比达不到设计要求，南偏泓流量偏大， 而北偏泓流量偏小。设计分流比1 ：4 6 8 ，而计算分流比仅1 ：2 5 1 。原设计思想与计 算结果相差较多。欲过到设计分流比，需将北泓底宽从1 5 3 5 k 开始扩大到9 0 m 。 b 、原设计方案在设计水位组合条件下，当海口水位在3 6 0 m 时入海水道行洪流量 小于2 2 7 0 m 3 s 。若流量达到设计流量，其水位较设计水位有所提高，分流口1 5 5 k 处水 位由4 4 1 i n 提至4 9 2 m 。 c 、原设计方案，在海口水位按设计潮位变化时，其行洪流量增加，但潮周期平均 流量亦较设计流量小。 d 、计算表明，深泓内流速瞬时最大值达3 o m s ，按地质资料，泓道内流速大于河 床土起动流速，会引起边滩冲刷，危及堤身安全，应引起足够重视。 e 、分流口流态表明，南偏泓有水流越过中间隔堤流向北偏泓。 3 1 4 分流流量及水位 为满足海口枢纽六垛北闸老海口闸与新建海口北闸的分流比要求，确保行洪时六 垛北闸和老海口闸、新建海口北闸闸门不控制就能满足设计的分流比要求，根据数模 计算成果，从桩号1 5 3 + 5 0 0 开始，北泓底宽加大为9 0 m 。六垛北闸上游桩号1 5 3 + 5 0 0 处北泓中心线距排水渠中心线1 7 4 m ，六垛北闸下游桩号1 5 5 + 1 0 0 处北泓中心线距排水 渠中心线2 7 6 m 。从1 5 3 - + - 5 0 0 开始到六垛北闸1 5 4 + 9 5 5 处北泓以直线连接过渡。过渡 段中心线与原中心线偏角约4 。闸下设5 0 0 m 长顺直段，然后以l ：5 0 坡度升至高程 一l - o m 。开挖深槽出海。 当老海口闸底板面高程为一2 o m 时，过流4 0 0 m 3 s ，总净宽3 6 m ，单宽流量 1 1 1 m 3 s m ；新建海口北闸底板面高程一3 0 m 时，过流1 8 7 0 m 3 s ，总净宽1 3 0 m ，单宽 流量1 4 4 m 3 s m 。 行洪2 2 7 0 m 3 s 时，六垛北闸闸上水位4 8 0 m ，海口闸闸上水位3 8 m ，闸下水位 3 6 0 m 。排涝时，南泓过流量为2 1 4 m 3 s ，六垛北闸闸上、下水位分别为1 7 7 m 和1 6 8 m ， 老海口闸闸上、下水位为1 1 5 m 和1 0 m ；北泓过流量为2 4 3 m 3 s 时，黄海公路桥处水 位1 4 0 m ，海口北闸闸上下水位分别为1 1 m 和1 0 。 3 1 5 六垛北闸分流口工程措施 分流口从1 5 2 + 5 0 0 开始，六垛北闸前4 6 5 m 导流堤至1 5 4 + 5 0 0 ，实际汇流长度 2 0 0 0 m 。该段地面高程在1 5 m 左右，南泓设计排涝水位1 7 7 m ，北泓设计排涝水位1 4 0 m 。 六垛北闸上游南北泓行洪流量约为7 2 7 m 3 s 和1 5 4 3 m a s ，即南泓约有( 7 2 7 - 4 0 0 = ) 3 2 7 m 1 s 汇向北泓。如按南隔堤比排涝设计水位高1 o m 计算，平均横向流速0 0 8 m s 。为降低 分流口流速，确保分流口平稳汇流，拟在河道设计时汇流段不设隔堤或尽量降低隔堤 高度。 -1- 1 。 墨 售卜 目 i 差 1铲 ii 目 争 ，l i l u lr 咕 l l岳r m t 带 囊妻 制 叫 - 。k 、吣x 3；监 一 | ! ! r 目 b， ( ) 目 jl 孵 ： ， u 1 e ) 4 ； 渤 ! s 曲譬滁 v l 乙v ll ul 雷r e卜 ) _ 田 ：e l ! 3 2 拆除六垛北闸和老海口闸分建海口闸方案( 方案二) 3 2 1 方案二枢纽布置 方案一根据数模、物模试验成果对分流口及闸前泓道宽度作了适当调整后虽然能基 本满足设计行洪流量要求，但存在南北泓分流比不太确定、六垛北闸和南泓过流能力 不匹配、分流口水流偏转、流态复杂、水位壅高、老闸加固后仍存在耐久性不足等先 天不利因素，在初设中经进一步深化，将六垛北闸、老海口闸拆除，在北泓上新建1 1 孔总净宽1 l o m 海口北闸，老海口闸拆除重建5 孑l 总净宽为5 0 m 的海口南闸，新海口南 北闸底板面高程均为一3 0 m ，厚度1 5 m 。两闸上、下游由现在的排水渠北堤分隔开。 在原六垛北闸下游处建漫水公路桥，沟通南北交通。 新建的海口南闸和北闸考虑到下游河宽比闸大，经综合考虑闸下防冲、防淤需要 和施工要求，将闸位移至桩号1 6 2 + 6 3 0 处( 内移1 5 0 m ) ，南闸中心线与现老海口闸重合， 北闸中心线与南闸中心线距离为2 2 0 m 。黄海公路南桥利用六垛北闸改建，桩号1 5 4 + 9 5 5 ，北桥位于南桥北侧的北泓上，桩号1 5 4 - - 9 9 3 。 与方案一相比，上游泓道底宽及北堤堤线布置，除桩号1 5 3 + 5 0 0 以下段北泓底宽 仍为6 8 m ，海口北闸闸前泓道底宽变为1 3 6 m ，其设计渐变扩宽段由1 0 0 0 m 长增加到2 0 0 0 m 外，其余均同方案一。海口南、北闸闸下设5 5 0 m 长顺直段，然后以1 5 0 m 长1 ：5 0 坡 度升至高程一1 o m ，开挖深槽出海。 o o 辔 孔 。时 。n u 盅 e 竿器_ 去9 i 蛀* 幸一 昀一 o o 坼牵砩 。卜寸 匝煳情涮悟舜鞯酬椒厘n豢念蹦鞯n辫1 1 匝 3 2 2 枢纽布置数值计算验证 在南北泓道设计尺寸基本不变的情况下，对拆除六垛北闸老海口闸分建海口闸方 案枢纽的过流能力、分流比、闸下导堤长度等再次进行了数值模型计算i 以了解方案 二布置情况下的水形态。计算原理和计算方法同前。经计算分析有如下几点结论： l 、经二维水流数学模型计算，恒定流时，南、北偏泓实际分流比为1 ：2 1 2 3 ，建 议把分建海口闸方案中的闸孔布置调整为北泓1 1 孔，南泓5 孔。 2 、考虑潮位变化，无论对应何种潮型，北、南偏泓的分流比均大于2 0 ( 介于 2 o 一2 2 2 之间) ，分流比与潮差成正比。考虑非恒定流情况，南、北偏泓闸孔数的调整 是合适的。 3 、非恒定流时，无论对应何种潮型，进入分流口后，南泓水位要高于北泓，临近 闸口及闸下，北泓水位高于南泓，南、北泓水位差平均值介于5 - 2 0 c m 之间，水位差与 潮差成正比。 4 、若闸下河道无淤积时( 即河道维持设计情况) ，无论恒定流，还是非恒定流时， 不同长度的导流堤末端水位差均极小( 小于0 0 0 6 m ) ；若闸下河道存在淤积情况，对应 恒定流时，导流堤末端水位差均小于o 0 2 m ，对应非恒定流时，导流堤末端水位差明显 增大，约在0 0 6 0 1 0 m 之间，但导流堤长度大于闸下消力池长度后，其长度的增大对 减小水位差的效果不大，建议导流堤长度取l o l m 左右为宜。 5 、海口水位对应中潮位过程线，南泓设计排涝流量2 1 4 m 3 s ，一天( 两涨两落) 中除有1 小时左右时间闸下水位高于闸上水位，其余时间南泓均能开闸排涝。 6 、海口水位对应中潮位过程线，上游流量为0 时，l 天( 两涨两落) 中有1 0 个小 时满足闸下水位高于闸上水位，并且闸上水位不超过2 2 m ，南泓可开门纳潮。l 天内 总纳潮量5 5 1 4 2 万i l l 3 。 3 2 3 分流流量及水位 根据数模计算成果，行洪时海口段南泓过流7 2 7 m v s ，北泓过流1 5 4 3 m 3 s ，合计 2 2 7 咖3 s ，分流比为1 ：2 1 2 。 行洪2 2 7 0 m 3 s 时1 5 5 + 0 0 0 ( 原六垛北闸) 处水位4 7 8 m ，海口闸闸上水位3 8 m ， 闸下水位3 6 0 m 。排涝时，南泓过2 1 4 m 3 s1 5 5 + 0 0 0 处水位1 6 8 m ，海口南闸闸上、下 水位为1 1 m 和1 0 m ：北泓过2 4 3 m 3 s1 5 5 + 0 0 0 处水位1 4 0 m ，海口北闸闸上下水位分 别为1 1 m 和1 0 m 。 3 2 4 分流措施设计 海口南、北闸上游由现排水渠北堤完全隔开。下游隔堤长度根据闸下流态和排涝要 求确定。 隔堤长，南北泓排涝分开，可防止排涝时南泓高水压北泓低水，但由于北泓是低 水，又没有纳湖冲淤可能，调水冲淤的可能性也不大，泓道容易产生淤积，影响北泓 排涝。 隔堤短，排涝不分开，南泓由于可纳潮冲淤，排涝通道有保证，北泓涝水可较快 与南泓涝水汇合，但可能产生南泓高水压北泓低水。 经数模计算分析，闸下河道无淤积时，不同长度的导堤末端水位差极小( 小于 o ，0 0 6 m ) ；闸下河道淤积时淤积到现排水渠下游河道断面时，按恒定流计算，导堤末端 水位差均小于o 0 2 m ，按非恒定流计算，水位差0 0 6 0 1 0 m 。导堤长度大于闸下消力 池长度后，导堤长度的增大对减小水位差的效果不大，数模计算分析报告建议导堤做 到海漫末端为宜。经综合考虑，下游导堤做到海漫末端外，长度l o i m 。 3 2 5 主要建筑物设计 海口南、北闸采用筏式底板，底扳面高程一3 0 m ，厚度1 5 m 。根据分流比，确定 海1 ：3 南闸共5 孔，单孔净宽1 0 m 。海口北闸共1 1 孔，单孔净宽1 0 m ，其中一孔为通航 孔。海口南闸上游设2 0 m 长0 8 m 深消力池。详见第4 章。 3 3 拆除六垛北闸老海口闸合建海口闸方案( 方案三) 3 3 1 枢纽布置 在方案二基础上，考虑将海1 2 1 南、北闸合建为1 6 孔总净宽1 6 0 m 的单闸。在第5 、 6 孔间，上游设置导流墩，与排水渠北堤连结，作为上游隔堤，将南北泓排涝水流隔开， 下游设导流墩，改善排涝时闸下流态。同时在原六垛北闸下游处建漫水公路桥，沟通 南北交通。 方案三上游泓道及北堤堤线布置与方案二相同( 闸前过渡段除外) 。 新建的海口闸闸位与方案二一样，即闸位桩号1 6 2 + 6 3 0 。海口北闸中心线与现老 海e l 闸中心线距离为9 3 5 m 。黄海公路南桥位六垛北闸处，桩号1 5 4 + 9 5 5 ，黄海公路 北桥位于南桥北侧的北泓上，桩号1 5 4 + 9 9 3 。 为保证上游来水顺利进入海口北闸，闸上自桩号1 6 0 + 0 3 0 开始，北泓底宽由6 8 m 扩散至1 3 6 0 m ，扩散段长度2 0 0 0 m ，然后接6 0 0 m 长顺直段进海e l 闸。闸上北堤相应收 缩至闸前6 0 0 m 处。南泓底宽6 8 m ，底高程从一2 0 m 渐变n - 3 0 m ，南泓进水口收缩角 9 7 0 。闸下游出水主要利用深泓，河底宽度2 0 4 0 m ，河底高程为一4 0 m 。海1 ：3 闸闸下 设5 4 0 m 长顺直段，然后以1 5 0 m 长l ：5 0 坡度升至高程一1 o m 。下游开深槽出海。 碾 震 、 强 厂荤 0彳产 卜、 ?留 n “ o o c n l 袁 厂、 考f ! 夕 殆7 取雩 i 夕 j日 歹 墓 皿 一” 卡 f 司 辩 围 艟 l 峙 目 删 悟 * 崭 心l 尊 鞯 一 岳瞄 n ，星 营 蛙 握 堕 罟 漫 枉 h 嘤 寸 n 寸凼 r ) ， ，l 匝 、 国营 围 酉 囝 9n 3 3 2 分流流量及水位 根据数模计算成果，分流流量水位与方案二基本相同。 3 3 3 分流措施设计 海口闸上游由现排水渠北堤和6 0 0 m 长导流墙完全隔开。下游导流墙长度根据流态 和排涝要求确定。经综合考虑，与方案二类似，下游导堤做到海漫末端外，长度8 9 m 。 3 4 海口闸定、动模型试验及原型观测分析研究 新建的海口北闸，因水流条件复杂，上游受来水量和北泓地形等影响，下游受海 口潮汐涨落幅度大，潮流、潍面及闸下冲淤等因素的影响，故进行了相关定、动床模 型试验。 3 4 1 海口闸定床模型试验 定床试验重点研究方案一中新建海口北闸在设计行洪条件下过流能力以及闸上游 渐变过渡段等布置。 l 、模型设计比尺 为了准确模拟海口北闸泄流流态，模型设计为正态，几何比尺1 ：5 0 。 根据水流运动方程，满足模型水流与天然水流运动相似，符合下列相似准则。 重力相似 = 屯“2 阻力相似 砧；- ) l 2 3 7 在同时满足重力相似和阻力相似的条件下，则有 糙率比尺 九= 九”6 模型采用各比尺值见下表： 名称几何比尺流速比尺流量比尺糙率比尺 符号 l u九q九。 设计采用值 5 07 0 7 1 7 6 7