季永兴[1]、2，李国林1、2，白昆生1、2

　　(1.上海市水利工程设计研究院有限公司 上海 200061; 2. 上海市水务局防汛减灾工程技术研究中心上海 200061）

　　摘  要：分析滇池海口河河口地形、工程现状和功能要求，从工程规模、控制范围、动拆迁量、工程地质、总体布置、工程施工、运行管理、总投资等论证比选了择址重建海口调控枢纽——海口闸的可行闸址与闸型方案，从泄流、调控、导漂、景观等方面比选最优闸（坝）型式和总体布置方案，并以水流数学模型分析不同闸坝组合布置方案对既有河口的影响。结果表明：1）既有老闸上游河宽最窄处在工程地质和工程规模方面是最优闸址；2）水下卧倒门启闭灵活、可控制性好，同时可通过溢流去除水面漂浮物，运行维护简单，是合适的建筑物型式；3）全闸方案对既有河口形态影响最小。

　　关键词：滇池；海口闸；闸址；闸型

　　滇池海口闸是滇池外海的唯一出口——海口河河口调控枢纽，既承担着昆明城市及沿湖四县（区）的防洪任务，也是“引清济滇”出口通道控制枢纽，更是近年滇池水环境和水资源调度通道的调控枢纽。由于年久失修，结构老化、设备破旧、闸门漏水、启闭不灵，难以正常运行，严重影响了昆明市及海口镇防洪与调水。《云南省昆明市海口闸工程水闸安全鉴定报告书》评定“海口闸为四类水闸，建议海口闸进行择址重建，彻底消除水闸安全隐患，改变海口闸与昆明市经济发展极不协调的现状面貌”。因此，为保证滇池外海水位调控和泄洪除涝安全可靠，同时为滇池水污染治理和水资源调度提供顺畅通道，为下游工农业用水和生态需水提供保障，提升海口河周边环境景观，有关部门结合滇池水污染防治及海口河治理提出了重建滇池外海水位调控枢纽（海口闸）工程[1]。笔者等根据多年海口闸运行管理经验及评价鉴定意见，分析了工程现状和功能要求，从地形、工程规模、控制范围、动拆迁量、工程地质、总体布置、工程施工、运行管理、总投资等论证比选了可行的闸址方案，并从泄流、调控、导漂、景观等功能要求比选最优闸（坝）型式和总体布置方案，以供决策部门参考。

　　图1　海口河河口现状及拟建闸址位置示意图

　　1 工程现状及功能要求

　　1.1 工程现状

　　滇池海口闸位于昆明市西山区海口镇海口河河口，是滇池流域唯一出口控制口门。海口河河口由大小中滩（小岛）分隔为南河、中河和北河。大小中滩的形成，起自明弘治十四年（1501年）的疏浚。后来，为免除每次疏挖海口河筑坝挖坝的麻烦，清道光年间（1836年），分别在南河、中河和北河建闸控制，并命名为“屡丰闸”。屡丰闸的建立带来的另一个好处是增加了蓄水的功能，对保持滇池的水位发挥了巨大的作用，至今170多年来，滇池水位一直没有大的变化。1964年、1977年和1980年分别对南河、中河、北河闸进行改造，中河闸、北河闸分别在原闸下游新选址重建，南闸在原闸上游紧邻建设钢闸门，并命名三闸总称为“海口闸”。由于年久失修，水闸破损严重。《云南省昆明市海口闸工程水闸安全评价报告》[2]认为海口闸“从上世纪60年代初至今，水闸已运行近50年，各项设施和设备均显现出老化，破损迹象明显，多数设备已远远超出使用年限，超期服役现象突出，闸门锈蚀、漏水、启闭抖动，闸室底板冲刷严重，闸房开裂、露筋等病害现象随处可见，水闸安全运行存在严重隐患。”

　　1.2 功能要求

　　海口闸作为滇池唯一出口控制建筑物，对昆明市及沿湖四县（区）的防洪重任起重要作用。同时，昆明城市发展对水资源提出了更高的要求，而滇池流域水资源紧缺，蓄、泄矛盾十分突出，非汛期利用海口闸调控滇池水位和蓄水量，从而可以有效利用滇池水系水资源总量。另外，近年来滇池水环境综合治理越来越被有关部门重视，政府与学者提出了“引清济滇”方案[3-7]，海口河是其中一条主要排水通道，其灵活调控可为滇池水环境治理提供可靠保证。因此，海口闸的主要功能为节制闸，汛期泄洪排涝，确保滇池流域防洪除涝安全；非汛期挡水蓄水，为下游河道沿线工农业生产供水和为下游河道提供生态需水。同时，根据调控实际情况，海口闸还需满足汛期大流量、非汛期流量小流量、门顶溢流导漂（浮物），控制灵活、景观效果好等要求。

　　2 闸址与闸型选择

　　2.1 闸址比选

　　根据工程现场地形条件，经现场查勘，可选择的闸址方案有四个：1）闸址1，滇池入海口河河道分叉前，河宽最窄处，河道口宽约140m；2）闸址2，原闸址位置拆除重建，河道口宽分别为40m（南）、40m（中）、20m（北）；3）闸址3，老闸下游两叉河流上，河道口宽分别为80m（北）、40m（南）；4）闸址4，三河合并后的河道上，河道口宽80m。根据分析[1]，比较可行的闸址为闸址1和闸址4；从动拆迁及移民难度、景观环境效果、工程施工影响等方面分析，闸址1优于闸址4，从地质方面分析，闸址4地质结构复杂、覆盖层厚、地基土承载力及强度低，存在闸基变形、不均匀沉陷、抗震、抗渗、抗冲、抗滑不稳定等问题，所以推荐闸址1作为本工程建设闸址方案（图1）。

　　2.2 闸型选择

　　根据闸址、规模及功能要求，适宜的闸（坝）型式主要有水闸类、橡胶坝或翻板坝类。经初步分析，因推荐闸（坝）址处河口较宽，闸（坝）泄洪流量要求较易满足，而汛期和非汛期流量差异大、门（坝）顶溢流导漂（浮物），控制灵活、景观效果好等要求是闸（坝）选型的主要考虑因素。选择三种型式比选：

　　方案一：水下卧倒门水闸（图2）。采用多跨水下卧倒闸门，每两跨设一条沉降缝。每扇闸门设两个底铰与底板相连，闸门两侧分别设置液压启闭机控制闸门。液压启闭机可结合闸门挡水分别设置在闸门的下游侧或上游侧。当启闭机设在闸门下游侧时，闸门挡水时，液压缸呈放松状态，不工作，闸门直接传力至闸墩；泄水时，液压缸工作，推动闸门下卧，可灵活控制闸门位置，根据需要控制下泄流量。闸门上下游设检修门槽，上部设置检修桥。当启闭机设置在闸门上游侧时，挡水时启闭机工作或在闸门下游侧设置限位装置；泄水时闸门下卧，亦可灵活控制闸门位置，根据需要控制下泄流量，其他同上。启闭机两种位置的主要优缺点是：启闭机位于闸门上游，水位较高时液压缸端部长期浸泡于水体，若不设限位装置则启闭机长期处于工作状态，而若设置限位装置，启闭较繁琐，同时闸门梁格系统因下游侧水位较低而长期外露，景观效果不好；启闭机位于下游，因下游水位较低，液压缸长期位于水上，工作条件好并便于维护，同时闸门梁格系统淹没于上游高水位下，景观效果好。综合各优缺点，推荐将启闭机设置于闸门下游侧方案。

　　方案二：扇形门水闸（图3）。采用两扇扇形门，单孔净宽80m，门库位于两岸缩窄的河道内。两扇挡水门体内分别设两扇直径约80cm的小门，根据需要开启小门，满足小流量需求。闸门挡水结构呈弧形，由桁架式支撑臂传力至定位受力柱（或球铰）。考虑本工程下游水位较低，闸门下设轨道与底板连接，通过门体内的涡轮推动水力驱动闸门启闭。

　　方案三：橡胶坝。采用六跨橡胶坝，每两跨设一条沉降缝，每孔净宽19m，闸墩厚1.0m，缝墩厚2.02m，总宽123.04m。坝的上下游设检修门槽，上部设置检修桥（也可以考虑不设）。

　　图2  全闸方案及平面布置图                        图3 扇形门水闸方案及平面布置图

　　三种主要建筑型式各有优缺点，主要优缺点比较如（表1）。方案一：水下卧倒门启闭灵活、可控制性好，可根据需要控制水位和流量，同时表面可以形成溢流，去除滇池水面漂浮物，形成瀑布景观，同类门型有应用实例，运行维护简单；缺点是机械制作精度要求高。方案二：闸门整体景观效果好，可以满足水闸各流量需求，同类门型有应用实例；缺点是支撑柱（或球铰）受力大，分析设计难度大，机械制作精度要求高，维护检修期难以控制滇池水位，同时泄洪初期可能会引起闸门振动，需专题研究。方案三：投资省，可根据需要灵活控制水位和流量，同时表面可以形成溢流，去除滇池水面漂浮物，同类门型有应用实例，运行维护简单；缺点是橡胶坝袋易老化，约5年需要更换一次。综合分析比较，推荐采用水下卧倒门水闸方案作为本工程建设方案。

　　表1 主要建筑物方案比选

　　3 总体布置方案比选

　　3.1 总体方案比选

　　在推荐闸址位置，若仅为满足规划泄洪要求，可以采用较小宽度闸孔加坝方案即水闸设在中间，两侧采用土石坝(溢流坝)与两岸连接，或在中间设溢流坝，两侧设闸。据此，工程总体布置有三个方案可比选：

　　方案一：全闸方案（图2），水闸采用6孔闸，闸孔净宽6×17.4m，闸总宽123.04m，闸底板高程18850m，闸顶设置交通兼检修桥与两岸相接，上、下游设圆弧翼墙、后接直线翼墙与河岸相接；上游浆砌石护底长度23m，下游消力池长14m，浆砌石护坦长37m。闸门采用下卧式钢闸门。

　　方案二：闸+坝+闸方案（图4），两侧各布置3孔水闸，闸孔净宽6x8.4m，采用下卧式钢闸门，坝采用浆砌石溢流坝，坝顶高程1887.5m，坝长60m，闸坝总宽128m，与两岸衔接、上下游防护及消能设施同方案一。

　　方案三：坝+闸+坝方案（图5），两侧各布置60m宽的溢流坝，坝采用浆砌石溢流坝，坝顶高程1887.5m，中间布置3孔闸，闸孔净宽3x7.4m，闸坝总宽122.6m，与两岸衔接、上下游防护及消能设施同方案一。

　　三种总体布置经从水流条件、景观效果、行洪能力、投资等方面进行综合比较，因方案一具有水流条件好、水头损失小、对下游行洪有利，同时不会使下游产生较大冲淤变化、景观效果好、投资增加不多而推荐采用此方案。

　　表2 工程总体布置方案比选

　　3.2 闸孔选择

　　水闸孔数与孔径对闸门结构、启闭设备及建筑物结构影响较大。闸孔孔数多，闸门跨径小，设计简单，但启闭设备多，启闭力小；闸孔孔数少，闸门跨径大，门体厚，设计复杂，启闭设备相对少，启闭力大。因此，闸孔数量选择需根据工程规模、地基条件、运用要求、闸门型式、启闭机容量、景观效果等因素综合确定。

　　在推荐闸址1位置，若仅为满足规划泄洪要求，可以采用较小闸孔宽度加坝的方案，即水闸设在中间，两侧采用土石坝（或溢流坝）与两岸连接，或者中间设溢流坝，两侧设闸。但是，河道缩窄较多，会引起较大的水头损失，影响下游河道行洪能力或增加下游河道开挖量。同时，河道缩窄较多，总体景观效果差，与滇池景观区不协调，与将来发展趋势也不协调。所以，闸孔总宽宜大不宜小，尽量满足经济和过流要求的闸孔规模范围，即闸孔净宽应在105m左右。水闸单孔净宽主要受闸门门体厚度和结构受力、启闭容量影响。由于本工程水深浅，平常情况下水位差相对较大，所以大跨度（孔径）闸门，门体厚度大，长宽比大，所需闸底板厚，同时闸门两侧液压启闭机同步控制要求高，所需启闭机容量大，所以本工程条件下闸孔宽度不宜过大。经初步研究，闸门宽度宜小于20m。但是，闸孔净宽也不宜过小，否则闸孔孔数较多，由于推荐采用水下卧倒门，每扇闸门需要2台液压设备启闭，则启闭设备数量多。所以，适宜的闸孔净宽不但可以满足不同流量的需要，结构受力适中，同时也便于运行管理，节省投资。因此，本工程适宜的闸孔孔数选择6~8孔为宜。为避免不对称水流问题，《水闸设计规范》认为闸孔孔数少于8孔时，宜采用单数孔。但是对于本水闸，河面较宽，闸孔跨度较大，不对称水流影响较小；同时闸孔跨度较大必涉及底板及闸墩分缝问题，若采用单孔（7孔）则不便于结构分缝。另外，本闸位于地震高烈度地区，水闸宜采用对称布置，所以孔数宜为双数。因此，确定闸孔孔数量为6孔，闸门宽度约20m左右，采用两台液压启闭机启闭，可以稳定可靠运行。

　　图4  闸+坝+闸方案平面布置图              图5 坝+闸+坝方案平面布置图

　　3.3 结构布置

　　根据推荐的闸址及上述分析，经总体布置，水闸采用6跨水下卧倒闸门，单扇闸门宽19m，考虑启闭设备布置，闸孔净宽17.4m，闸墩厚2.6m，6孔闸孔总净宽17.4×6=104.4m。每两跨设一条沉降缝，缝墩厚3.62m，因此水闸总宽123.04m。主要建筑物及设备包括：闸墩、闸门、底板、启闭机、下游消力池、海漫、上游护坦、检修桥及检修叠梁门等。水闸闸门门顶高程采用20年一遇高水位1887.50m，门顶不设超高，遇超标水位门顶自然溢流。

　　3.4 水流数值模拟

　　为分析不同布置方案对下游的影响，采用平面二维水动力数学模型进行流场分析，该模型已成功运用于多个枢纽布置分析中[8-10]。不同布置的流场如图6-图9，结果显示：采用全闸方案泄流时的流场与工程前基本一致；采用闸+坝+闸方案，在坝后会形成淤积，时间长久以后可能会形成淤积小岛；采用坝+闸+坝方案，河口会逐渐缩窄，中间流速加大，会对下游已存在的小岛造成冲刷。所以，推荐全闸方案对既有河口形态影响最小。

　　图6  现状河口泄水流场图                           图7  全闸方案全开泄水流场图

　　图8  闸+坝+闸方案泄水流场图                       图9 坝+闸+坝方案泄水流场图

　　4 结语

　　海口闸作为滇池外海唯一出口的口门控制建筑物，其安全运行对滇池泄洪除涝安全、水资源综合利用、水环境综合治理及下游生产生活生态需水等非常重要。因此，择址重建海口闸的闸址和总体布置需要满足工程规模小、动拆迁量小、工程地质优、对现状影响小等多种限制，新建水闸的闸型需要满足安全可靠、运行灵活、景观效果好等要求，并满足门顶溢流导漂（浮物）功能要求。

　　根据海口河河口地形、工程现状和功能要求，以及工程规模、控制范围、动拆迁量、工程地质、总体布置、工程施工、运行管理、总投资等情况分析，既有老闸上游河宽最窄处是最优闸址。从泄流、调控、导漂、景观等方面分析，水下卧倒门启闭灵活、可控制性好，同时可通过溢流去除水面漂浮物，运行维护简单，是合适的建筑物型式。从水流数学模型分析不同布置方案对既有河口的影响程度，以及根据工程投资等因素分析，全闸方案对既有河口形态影响最小。

　　参考文献:

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2. 昆明市水利勘测设计研究院.云南省昆明市海口闸工程水闸安全评价报告[R],2009,3.

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4. 周俊杰,赵斌,朱熔钢. 对滇池流域水污染防治的几点思考[J],云南环境科学, 2000,19(S1).

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6. 马巍,李锦秀,田向荣等. 滇池水污染治理及防治对策研究[J],中国水利水电科学研究院学报,2007,5(1).

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9. 季永兴,卢永金,胡欣. 强潮河口排涝闸下游双丁坝防冲减淤措施研究[J]. 中国农村水利水电,2002,04:37-39.

10. 吴卫,季永兴,王瑟澜等. 苏州河河口水闸平面二维水流数值模拟[J]. 水利水电科技进展,2007,S1:52-55.

　　通讯地址：200061 上海市华池路58弄3号 上海市水利工程设计研究院有限公司  季永兴

　　E-mail: ji_yx@126.com

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　　[1] 作者简介：季永兴(1970-)，男，江苏南通人，教授级高级工程师，主要从事水利工程设计与研究，jiyx@sh163.net。