海堤龍口合攏的水力計算及方案選定

占木興 吳國強

【摘要】該圍海工程位于湄洲灣莆田石門澳作業(yè)區(qū)，該區(qū)域吹填面積大、潮差大、圍堰修筑難度大。龍口的正確設置對堰身的穩(wěn)定有很大影響。為了確定龍口的寬度和底部高程，本文采用規(guī)范推薦的轉(zhuǎn)化口門線法和水量平衡法分別進行計算，并對二者計算的結(jié)果進行了對比，比較兩種方法的優(yōu)劣性，為合理選擇堵口順序以及確定最佳合攏方案提供了一定的理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】圍堰；龍口；合攏；轉(zhuǎn)化口門線；水量平衡法

引言

湄州灣石門澳作業(yè)區(qū)港區(qū)后方陸域形成C標段與航道疏浚工程位于秀嶼區(qū)月塘鄉(xiāng)外側(cè)海域，施工內(nèi)容主要包括圍堰、陸域形成以及區(qū)域內(nèi)的疏浚工程。圍墾區(qū)被9#隔堤分割成C-1和C-2兩個圍區(qū)。圍區(qū)內(nèi)原始泥面高程較高，潮差大，平均潮差達到5.11m，在低潮位的時候會發(fā)生露灘現(xiàn)象。在此區(qū)域內(nèi)修筑圍堰，受制于當?shù)爻绷?、潮差、地基、氣象等諸多因素，合理設置龍口的預留尺寸對工程的成敗有著很大的影響，本文通過兩種計算方法對該工程的C-2區(qū)龍口方案擬定提供一定的理論依據(jù)。

1、轉(zhuǎn)化口門線法

本工程提防設計標準為4級，工程級別較低，按照《灘涂治理和海堤技術(shù)規(guī)范》的要求，對于4、5級海堤工程，水力計算允許簡化，可用轉(zhuǎn)化口門線方法直接求出龍口最大流速和選擇堵口順序。按照規(guī)范要求，龍口渡汛、堵口潮位設計標準采用重現(xiàn)期為5年的設計潮型。

轉(zhuǎn)化口門線是水力要素最大值（例如最大流速Vmax）等值線圖中各等值線的節(jié)點相連而得之曲線。此線表示堵口過程中口門尺寸（口門寬度、底檻高程）與水力要素最大值的關(guān)系。

計算公式采用下式：

式中，為設計潮型之最高潮位，由于缺乏潮汐資料，通過初步計算分析，采用海港水文規(guī)范中對于極端水位的確定方法，通過對50年一遇極端水位計算分析可取5年一遇的極端水位為7.09m。為轉(zhuǎn)化口門線上任一點處最大流速。

計算參數(shù)：設計中潮位按平均的中潮位4.11m計算，平均潮差為5.11m。

圍區(qū)面積約為391萬㎡，全潮庫容按照全潮水位5年一遇極端高水位計算為： 12194943.3m3=1.2×107m3。查相關(guān)表格可得：x= 1.014，y=2.4。

通過設置不同寬度的龍口尺寸，通過（1）和（1）式就可以得到龍口的底高程和轉(zhuǎn)化線上的最大流速。具體計算結(jié)果見表1。表中的最大流速的值是龍口在指定的寬度下，最大流速將會出現(xiàn)在該龍口底部高程上，高于或者低于該高程，流速會減小或者變化不大。

按照《灘涂治理和海堤技術(shù)規(guī)范》的要求，控制流速一般取2-4m/s，這里從施工要求上考慮，龍口的控制流速選為4m/s。從表1中可以看出，在龍口寬度為200m，龍口底部高程為4.11m時，基本可以滿足該水流條件。綜合考慮最終設置龍口寬度為250m，龍口底部高程為4.2m的控制尺寸是可以滿足水力條件的。

2、利用水量平衡法進行龍口水力計算。

2.1水量平衡法計算原理

式中：為計算時段內(nèi)內(nèi)陸流域來水平均流量。

為計算時段內(nèi)水閘泄水平均流量。

為計算時段內(nèi)龍口溢流平均流量。

為計算時段內(nèi)龍口堆石體滲流平均流量。

為計算時段，為計算時段末圍區(qū)容量，為計算時段初圍區(qū)容量。

對于本工程，沒有陸域來水流量，假設圍區(qū)泄流和進流都通過龍口，即不考慮水閘泄流，堆石體滲流流量。

2.2 水位-庫容曲線

根據(jù)圍區(qū)原始地形數(shù)據(jù)，通過選擇不同的圍區(qū)水位可計算出圍區(qū)內(nèi)相應的庫容量，具體計算結(jié)果見表2，水位與庫容的相關(guān)曲線見圖2。

從圖2.2中可以看出，由于圍區(qū)內(nèi)地形較為平坦，在水位升到4m后，庫容和水位的關(guān)系近似為一條直線，可通過線性擬合求出該段（h≥4）的水位（h）和庫容（W）的關(guān)系方程：，相關(guān)系數(shù)為0.9986。

2.3計算的潮位參數(shù)

通過對當?shù)爻蔽坏慕y(tǒng)計分析，典型潮位過程線如圖3所示，龍口方案的初步選定采用大潮汛的潮汐過程曲線。

2.4 龍口的流量

根據(jù)進出流水位與底檻高程的差別，分為淹沒出流和自由出流，流速的具體公式方法如下：

根據(jù)上述公式，通過編寫相應的計算程序便可以得到圍區(qū)水位過程線，流量過程線，以及流速過程線。具體計算原理及步驟可見相關(guān)書籍或規(guī)范。龍口水力要素以流速尤為重要，其變化規(guī)律也具代表性，表4給出了最大流速的計算結(jié)果。 表4 最大流速計算結(jié)果

根據(jù)表4流速的計算結(jié)果，以口門寬為橫座標，口門底檻高為縱座標，建立坐標系，并繪制流速等值線，見圖4。

從圖2.4可以看出：當口門寬度不變而抬高底檻高程（即平堵）時，最大流速開始逐漸增大，到某一高程（口門越窄，此高程越低）時達到最大值，然后隨龍口底高程的抬高，最大流速逐漸減少。當龍口底高程不變而壓縮口門寬度（即立堵）時，則最大流速逐漸增大，至某一口門寬度（底檻高程越低，此寬度越窄）時達到最大值，而后再壓縮口門寬度，此最大值稍有減小。由上述規(guī)律可知，窄而深的口門其流速較大，不利于堵口合攏，這在圖2.4中可以明顯看出來，也為其他研究者所驗證[4]。

從流速等值線中可以明顯看出在龍口寬度為250m時，龍口的最大流速在3.5m/s（控制的安全流速可取4m/s）以下，故在該龍口尺寸下采用平堵的方案，龍口的合攏實施沒有多大困難。但考慮到當龍口的底高程為4.5m的時候，采用水上施工已不可行，需采用陸上進占施工，故龍口方案可選定為預留250m的龍口寬度，采用水上平堵施工，待龍口底高程達到4.5m后，可采用陸上立堵方案進占施工，最終爭取在小潮汛的時候一次合攏成功。

3、兩種計算方法的對比

上述兩種計算方法最終擬定的龍口寬度及底高程是一致的，即龍口寬度為350m，底高程為4.5m。但由于計算方法的不同，導致轉(zhuǎn)化口門線上的最大流速值有所不同，但對最后龍口的方案擬定并不產(chǎn)生影響。雖然方法一計算簡便，但是只對于4、5級海堤工程可以采用該方法，并且需要通過查詢復雜的表格計算相關(guān)參數(shù)，方法二只需要編寫相應的計算程序，不受海堤工程級別限制，也不用查詢復雜的表格，并且計算的結(jié)果為二維結(jié)果，可以清晰的看到在不同龍口尺寸組合下的流速變化趨勢，其計算結(jié)果采用的控制流速也比方法一的要小，計算結(jié)果也更準確。故推薦采用方法二進行龍口方案的選定，方法一可作為方案的初步選定，也可以對方法二的計算結(jié)果進行校核。

4、結(jié)論及建議

本文通過轉(zhuǎn)化口門線法和水量平衡法進行龍口方案的擬定，水量平衡法由于計算原理簡單，并能編寫通用的計算程序，且計算精度能滿足工程的需要，故推薦采用水量平衡法進行方案的擬定，即龍口的寬度設置為250m，合攏時的底高程為4.5m。實際施工過程中，需根據(jù)圍堤的結(jié)構(gòu)、地形合理選定龍口位置，必要時設置副龍口分擔水流落差，并重視拋石護底及堤頭防護措施。為了能更加有效的控制龍口的水流狀態(tài)，建議對龍口的水流狀態(tài)能實時監(jiān)測，保證龍口能一次性順利合攏。

參考文獻：

[1] 陳吉余.中國圍海工程[M].北京：中國水利水電出版社，2000.

[2] 中華人民共和國水利部.灘涂治理和海堤工程技術(shù)規(guī)范，2007.

[3] 李家星，陳立德.水力學[M].南京：河海大學出版社，1996.

[4] 陳德春，吳繼偉，李宇，張閩生.圍海工程堵口合攏技術(shù)研究[J].河海大學學報（自然科學版），2002（30）：67-70.

作者簡介：占木興（1969-），男，本科，主要從事施工項目管理工作。