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金海:国外大型挡潮闸工程的经验借鉴

2016-06-12 09:37

  随着我国城镇化和工业化进程的加快,沿海河口地区的经济社会日益发达,对大型挡潮闸建设的需求也越来越强烈和迫切,上海、浙江、广东等经济发达地区的河口城市拟规划建设一批大型挡潮闸,这些工程规模大,技术难度高,其建设与管理面临一系列挑战。荷兰、英国、俄罗斯、美国、日本等发达国家在大型挡潮闸的规划设计、投资建设和运行管理方面积累了丰富的经验,分析和借鉴国外大型挡潮闸建设管理的经验,有助于为我国大型挡潮闸建设与管理提供参考和借鉴。 

  、国外大型挡潮闸基本情况 

  挡潮闸是防洪减灾工程体系的重要组成部分,是河流入海口(河口)地区挡潮、蓄淡、防止海水上溯、泄洪排涝的重要工程。国外大型挡潮闸中,闸门最大宽度大于20米的挡潮闸有数十座,主要分布在受风暴潮影响较为严重、经济较发达的河口三角洲地区,如大西洋北海南岸和波罗的海东岸、地中海北岸、大西洋西岸和太平洋东岸的荷兰、英国、意大利、俄罗斯、美国、日本、新加坡等国家。 

  从功能上看,防洪挡潮是挡潮闸的首要功能。在水资源短缺地区,储蓄淡水和防止海水上溯也是建闸的重要功能之一,如日本长良川河口堰和新加坡滨海堤坝。同时,挡潮闸地处河流下游入海口,一般需要满足排涝和通航要求。 

  从闸门类型看,主要有水平移动门、水平旋转门、垂直升降门、垂直旋转门、翻板门等。垂直升降门、垂直旋转门和水平移动门是设计较为简单、运用较早的挡潮闸门类型;水平旋转门和翻板门技术较为复杂、运行管理难度较大,但其满足挡潮、通航、景观等要求较好,近年采用较多。 

  从未来趋势看,随着气候变化引起的海平面上升和风暴潮等极端灾害事件发生频率增加,以及河口三角洲地区人口、财富的集聚,英国、美国、韩国、印度等不少地区酝酿建设新的大型挡潮闸,且建闸规模和数量呈上升态势。 

  二、国外大型挡潮闸建设与管理的主要经验 

  通过总结分析荷兰三角洲挡潮闸工程体系、英国泰晤士挡潮闸、俄罗斯圣彼得堡挡潮闸、意大利泻湖摩西工程体系、新加坡滨海堤坝、美国福克斯和新奥尔良挡潮闸、日本长良川河口堰等国外典型大型挡潮闸规划设计、投资建设和运行管理三个环节的做法,凝练出了建闸论证、建设规模、闸门选型、环境影响、资金筹措方式、建设管理体制、运行管理体制、运行调度和维护等8大关键问题,得出的主要经验如下。 

  (一)规划设计 

  一是挡潮防洪功能是挡潮闸立项与否的决定性因素。虽然国外大型挡潮闸呈现出向挡潮、蓄淡、防止海水上溯、泄洪排涝、通航等多功能发展的趋势,但是工程修建的主要目的和初衷都是为了挡潮防洪,降低河口三角洲地区的灾害损失。促成荷兰和英国政府修建荷兰三角洲挡潮闸工程体系、泰晤士挡潮闸的决定性因素,是19531月造成巨大人员伤亡和财产损失的历史特大风暴潮。俄罗斯圣彼得堡、意大利威尼斯和美国福克斯等修建挡潮闸的主要目的也均是抵御风暴潮。 

  二是挡潮闸的规划方案应服从防洪工程体系建设需要挡潮闸是防洪工程体系的重要组成部分,应与加高加固堤防、建坝等其他挡潮防洪方案进行组合或比选,以充分论证其在防洪工程体系中的重要性和不可替代性。荷兰马斯朗特挡潮闸的论证过程就经历了与大规模加高加固堤防方案的比选。不影响鹿特丹港航运能力的前提下,要达到《三角洲法》规定的万年一遇防潮标准,则要加固200公里河道堤防,在当时的政府财力下需要持续建设30年,反观修建水平旋转的马斯朗特挡潮闸,不仅可以实现万年一遇的防洪标准,也可满足通航要求,且其建造和维护的总成本远远低于河道堤防全线加固的成本。英国泰晤士挡潮闸和俄罗斯圣彼得堡挡潮闸也分别纳入泰晤士河防洪工程体系和涅瓦河防洪计划,并与大规模加高加固堤防方案或修建完全封闭闸坝方案进行了比选,论证了修建挡潮闸方案的必要性。 

  三是挡潮闸论证应统筹考虑技术、投资、生态环境、利益相关者意见等因素英国泰晤士挡潮闸的闸址备选方案有5个,由于投资和技术所限,最终选取了距伦敦塔桥下游10公里处方案,而未选取距河口最近的方案。伦敦港务局最初坚持闸门最大单宽应大于152米、净高应大于53米,才能保证泰晤士河的航运能力,但恶劣的地质条件以及当时的技术条件无法满足该要求,最后英国政府和大伦敦理事会说服伦敦港务局接受主航道61米净宽的方案,该方案可通过2万吨船只,不会给航运带来太多困难。俄罗斯圣彼得堡挡潮闸更是在开工建设多年后,由于当地市民担心挡潮闸的修建产生海水污染问题而导致工程暂停了10年,后经过国内外专家论证,向市民证明闸坝完工后对环境影响微乎其微,工程才得以重新开工。 

  四是挡潮闸建设规模确定和门型选择应因地制宜,综合比选大型挡潮闸的最大闸高主要由防潮标准确定,需综合考虑历史高潮水位、海平面上升影响、地面沉降等因素。总闸宽主要由泄洪排涝标准、通航标准以及闸址处地质条件等因素确定。荷兰东斯海尔德挡潮建筑物防洪挡潮标准为4000年一遇,由洪水设计频率确定最大闸高为海拔4.8米。荷兰马斯朗特挡潮闸所在河流设计泄洪流量为1.8万立方米/秒,闸门完全开启时可满足防洪要求,也可以满足航运的需要。门型选择与挡潮闸功能、闸址、建设规模密切相关,应因地制宜,综合比选,不应忽视不同闸门类型组合的可能性。挡潮闸主要门型的参数及适用性、关键设计问题总结详见附件1 

  五是生态环境影响成为挡潮闸建设决策的重要考量国外大型挡潮闸规划与设计过程中都十分注重对生态环境的保护,尽可能采用生态友好的工程方案,尽可能降低对河流水文情势和生物生长环境的影响。荷兰东斯海尔德工程原计划将海湾全部横穿拦截,然而该地区的沙洲和低潮位裸露的滩地是重要的鸟类繁殖地,也是北海鱼类的繁殖地,修建封闭闸坝将给生态系统带来不可恢复的影响。为此,东斯海尔德挡潮闸基于生态环境要求进行了重新设计,主要包括将封闭挡潮闸坝改为敞开式挡潮闸,限制对潮汐影响较大的施工活动,尽可能使用预制件减少对河口扰动。日本长良川河口堰不仅开通了专门的鱼道,还通过合理的运行调度方式,同时满足防潮和渔业的要求。 

  (二)投资建设 

  一是大型挡潮闸建设以政府投资为主各国政府都认为挡潮闸工程具有较强的公益性特征,一般都由政府承担建设资金。投资新蒲京娱乐场777主要有两种形式,一是完全来自于财政资金,包括荷兰三角洲挡潮闸工程体系、新加坡滨海堤坝、英国泰晤士挡潮闸、美国福克斯和新奥尔良挡潮闸、日本长良川河口堰;二是财政资金为主、政府担保的贷款为辅,如俄罗斯圣彼得堡挡潮闸,中央政府投资与国际银行贷款各占80%20%,即便利用了国际银行贷款,也是由政府负责偿还。从投资分摊比例来看,中央政府投资为主、地方政府投资为辅的情况占多数。荷兰大型挡潮闸和新加坡滨海堤坝中央政府投资占100%,英国泰晤士挡潮闸中央和地方政府投资各占75%25%,美国福克斯和新奥尔良挡潮闸中央和地方政府投资各占70%30%,日本长良川河口堰中央和地方政府投资各占26%74%。日本长良川河口堰除了挡潮功能还具备供水功能,具有一定的收益,故以地方政府投资为主。 

  二是采用一些特殊的工程管理制度保障建设的顺利进行。大型挡潮闸规模宏大、设计和建造难度大、施工技术要求高、建设周期长,决定了其建设管理不仅要满足一般基础设施的建设管理要求,还具有一定的特殊性,主要包括政府深度参与工程的建设管理、长期合同采用框架合同实现政府与企业共担风险、特型设备采用定向邀标方式等。国外大型挡潮闸的建设业主一般为政府部门或政府组建的国有企业,部分挡潮闸还成立建设领导小组,负责工程建设的重大决策,如东斯海尔德挡潮闸、泰晤士挡潮闸都成立了类似建设领导小组的机构。大型挡潮闸建设在签订合同之初就确定非常详细的合同条款几乎不可能,不少国家采用签订框架合同的方式进行管理。如荷兰三角洲挡潮闸工程体系框架合同规定承包商可以获得或承担所有支出的第一个6%的利润或损失,当利润或损失超过这一数额时,超过的部分由国家和承包商共同分享或承担。泰晤士挡潮闸的土木框架合同规定,目标成本为1.65亿英镑,如果实际成本少于或多于5%,政府和承包商要分担利润或损失。 

  三是注重施工新技术应用和风险防范,确保工程质量及功能发挥大型挡潮闸在施工中存在地基处理、闸墩建造与吊装、闸门安装等关键技术难点,存在挡潮闸坍塌、船舶碰撞、洪潮同发等特殊风险,需应用新技术、采取风险防控措施,确保工程建设质量及相关功能的正常发挥。大型挡潮闸基础处理方法主要有换填垫层法、桩基础法、沉井基础和沉箱基础法。荷兰东斯海尔德挡潮闸采用换填垫层法施工,闸墩采用异地预制的空腔式预应力混凝土结构,以降低对河口生态环境的影响;英国泰晤士河挡潮闸采用桩基础法进行地基处理,采用现场制造和预制结合的方式建造闸墩。在风险防控方面,大型挡潮闸在闸墩安装过程中通常设立施工质量检测程序,尽可能减小基础下层土的开挖和闸墩的测量与布置偏差,减少坍塌风险;编制施工期间通航方案、碰撞预案,并设立防撞设施;施工期间非常注重气象洪水预报,以便提前采取有效措施防控气象风险。 

  (三)运行管理 

  一是大型挡潮闸一般专设机构管理,由财政负担管护经费大型挡潮闸是河口三角洲防洪工程体系的核心,国外通常都在中央部委设立专门的管理机构,配备相关专业管理人员进行管理。圣彼得堡挡潮闸由俄罗斯地区发展部的圣彼得堡挡潮闸管理局负责管理,福克斯挡潮闸由美国陆军工程兵团下设的管理所负责管理,滨海堤坝由新加坡环境与水资源部下属的公用事业局负责管理。也有事业单位性质的管理机构,如泰晤士挡潮闸由英国环境署下设的挡潮闸控制中心进行管理,长良川河口堰由日本水资源局负责管理。鉴于大型挡潮闸的公益性,其管理和维护经费主要由财政负担,分为中央财政全部负担和中央、地方财政共同负担两种,以中央财政负担居多。荷兰三角洲挡潮闸工程体系、日本大型挡潮闸、英国泰晤士挡潮闸、美国福克斯挡潮闸均由中央政府负担管理和维护经费。 

  二是工程运行调度特别强调部门间协作大型挡潮闸既是防洪挡潮的重要工程,又要满足通航、生态环境等要求,其运行调度需要与气象预报、防灾减灾、交通航运、环境保护等部门的协作配合。荷兰三角洲挡潮闸工程体系由基础设施与环境部所属的国家水务局下的挡潮闸管理基地负责运行和调度,挡潮闸的防洪调度、航运调度、预报预警和政策法规等职能都集中于基础设施与环境部,挡潮闸的运行调度和协调机制极为顺畅。英国泰晤士挡潮闸由环境食品与农村事务部所属的环境署下的泰晤士挡潮闸控制中心负责运行和调度。环境署与气象局合作设立洪水预报中心以提高预警预报水平。同时泰晤士挡潮闸控制中心与伦敦港务局挡潮闸航运指挥中心不仅建立了信息交流机制,而且在同一地点办公,有利于协调防洪挡潮与航运调度。 

  三是权威规范的工程调度规程大型挡潮闸涉及众多利益相关者,其运行调度规程需要具有较高的权威性。国外大型挡潮闸通常在设计之初,就由主管部门协调利益相关者一致同意后,确定严格的运行调度规程,一些国家还将运行调度规程以法律规章的形式颁布。荷兰、英国和美国等国大型挡潮闸的运行调度规程均由国会或议会决定,荷兰三角洲挡潮闸工程体系、泰晤士挡潮闸的运行调度规程都通过法律形式予以明确,确保了运行调度规程的权威规范。 

  四是工程运行注重信息化手段和气象洪水预报详细的监测数据、准确的预测结果、高度的自动化可极大提升决策的科学性,减少安全隐患。荷兰、英国等国家的风暴潮预报模型精度很高,最小网格为8×8km,中期预报一般在2-10天之间,当预报未来4-6天内风暴潮发生的概率在20%以上,就会发出预警信息,一般每小时发布一次短期48小时以内的预报。荷兰、俄罗斯等国的大型挡潮闸启闭均采用了计算机决策支撑系统,决策团队将在计算机系统的支撑下做出启闭决策,如果人为指令失败,将由计算机控制的自动系统根据已有规则进行启闭。 

  三、我国大型挡潮闸建设的对策建议 

  (一)进一步认识大型挡潮闸在防洪工程体系中的地位与作用 

  我国沿海地区国内生产总值一直占全国的60%以上,是人口和财富密集的经济发达地区,河口三角洲地区更是精华中的精华,但是经常遭受洪水和风暴潮的袭击。未来气候变化、海平面上升、人口和财富进一步集聚更是加剧了河口三角洲地区的灾害风险。从国外应对洪涝灾害经验来看,一些河口地区无限加高加固堤防体系的传统工程措施基本无法满足需求,修建大型挡潮闸在河口防洪工程体系中具有独特的必要性和不可替代性,主要体现在成本节省、对防洪保护区内经济社会和群众生活活动影响较小、占用土地少等。一个教训是,国外决定建设大型挡潮闸,往往是发生大灾、造成严重人员财产损失后作出的。为此,我国在编制流域防洪规划或重点城市防洪规划中,应进一步加强对大型挡潮闸工程建设的论证力度,科学比选实现区域或重要城市防洪标准达标的工程措施方案,确立大型挡潮闸建设在防洪工程体系中的地位与作用。同时,还需合理定位大型挡潮闸的功能,因功能定位决定运行调度,运行调度决定生态环境影响,从国外大型挡潮闸建设看,挡潮防洪功能是挡潮闸立项与否的决定性因素,需要我国在立项决策中特别关注。 

  (二)科学布局挡潮闸工程体系 

  经过多年的防洪工程建设,我国沿海地区的防洪已经达到防御建国以来最大洪水和最高潮水位的能力。但沿海主要江河入海口的防洪防潮水平与我国社会经济发展水平相比仍有较大差距。上海海堤防洪标准仅为200年一遇,如果采取传统的加高加固堤防工程提高防洪标准,代价很高,实施难度也非常大,因此在黄浦江入海口建设挡潮闸的需求越来越迫切。浙江宁波市、温州市、福建莆田市等沿海城市也有提高防洪防潮标准、抵御越来越频发的风暴潮的需求。因此,迫切需要对我国沿海地区的河口及其上游流域进行科学调查,统筹考虑流域防洪减灾、海洋灾害防治、海岸开发利用等需求,科学确定防洪挡潮标准,合理论证挡潮闸工程的建设需求,提出我国挡潮闸建设的总体布局,将其纳入重要河口治理专项规划。 

  (三)进一步创新挡潮闸设计理念 

  国外大型挡潮闸设计越来越注重防洪、挡潮、航运、景观和生态等综合因素。英国泰晤士挡潮闸在满足防洪挡潮基本要求的前提下,采用垂直旋转闸门既满足了通航2万吨以上船舶的要求,又大大降低了挡潮闸建筑物的总高度,且其美轮美奂的建筑外表与周围环境完美融合。荷兰马斯朗特挡潮闸采用两扇浮动式水平旋转弧形闸门不仅满足了防洪挡潮功能,还可保证世界最大船只通航,又体现了与周边景观和谐统一的建筑风格。我国已建大型挡潮闸大多采用传统设计理念,统筹协调各种影响因素的成功案例尚不多见,与国外大型挡潮闸的设计理念相比,差距比较悬殊。应深入借鉴国内外大型挡潮闸的先进设计经验,进一步提高工程设计水平,特别是不同类型闸门的选型以及水平旋转门、翻板门等新型闸门的设计,统筹考虑防洪、挡潮、减淤、航运、景观、生态等综合需求,在满足功能要求的基础上,注重体现人与自然和谐以及建筑美学的要求和理念。 

  (四)完善挡潮闸工程建设投融资体制机制 

  各国建设实践表明,大型挡潮闸体现了防洪减灾的公益性特征,建设资金宜由中央政府承担。但是,我国目前没有专门针对大型挡潮闸工程建设的投资政策,通常按照一般水利工程建设的相关投资规定进行管理,即东部地区中央补助比例为20%,最多不超过30%。与国外相比,我国大型挡潮闸工程建设的中央投资比例总体偏低,一定程度上造成地方政府负担过重,不利于大型挡潮闸工程的顺利建设。考虑大型挡潮闸工程建设资金需求高、公益性显著等特点,宜就挡潮闸工程建设投融资体制机制展开相关研究,合理确定中央与地方的投资比例,理顺中央和地方投资分担机制,为大型挡潮闸建设提供资金保障。同时,受当前水利工程投资政策所限,景观建设投资无法纳入大型挡潮闸的总体投资当中,不利于实现人与自然和谐和建筑美学的设计理念,建议对水利工程投资政策进行调整,考虑景观建设投资需求。 

  (五)健全挡潮闸运行管理体制机制 

  大型挡潮闸运行调度复杂、技术难度大、启闭成本高,国外通常设立专门机构、配备相关专业人员、应用高新技术手段、构建部门间协调机制进行工程运行管理,管护经费多由中央财政负担。但是,我国挡潮闸运行管理归于水闸类别,操作规范、管护经费、管理人员等各方面均未充分考虑河口挡潮闸运行调度的特殊性。宜针对挡潮闸运行调度的独特性制定相应的管理规范,进一步明确大型挡潮闸的公益性定位并由中央或中央与地方共同承担管护经费,进一步理顺工程管理体制,明确管护责任,完善水利、气象、交通、环保等部门间的协调机制,提升信息化水平和气象洪水预报精度,为科学调度提供支撑。 

  (六)加强挡潮闸建设科学研究和技术标准制定 

  河口地区是陆地、海洋、大气交界地带,其物理、化学、生物过程及其相互反馈作用极其复杂。大型挡潮闸建设需要加强河口动力学、水生态、渔业等基础研究工作,扎实推动河口地区调查和长期监测工作,提高对河口动力学、海陆交互作用等的认知水平;加强大跨度、特异型挡潮闸门的联合科技攻关,提高闸门设计、制作、吊装等各环节的技术水平。同时,借鉴国外设计规范和技术标准,充分考虑挡潮闸双向挡水、淤积问题突出、运行环境恶劣等特殊性因素,研究制订我国挡潮闸,特别是大跨度挡潮闸设计、施工和管理的技术导则,为大型挡潮闸建设提供科学的技术参考。 

  (七)注重挡潮闸建设的环境影响和社会公众关切 

  挡潮闸建设在河流入海口,会切断河流入海正常联系和鱼类洄游通道,可能引起湿地生态功能变化,影响周边景观影响。国外大型挡潮闸建设过程中通常制定各种预案降低对生态环境的影响,建成后仅在高潮位状态下闭合,日常状态呈开启状态,尽量降低闸门闭合对生态环境的影响。随着社会文明程度的逐步提高,社会公众对包括挡潮闸在内的水利工程建设的关注度在日益提高,表现出前所未有的环境保护参与意识。大型挡潮闸立项论证、建设施工以及运行调度过程中,需要更加重视对生态环境影响的分析和论证,注重采取科学的工程设计、合理的运行调度避免或减少影响,同时要及时公开相关信息,并注重挖掘大型水利工程的景观和学问内涵,结合工程建设开展风景区和科普教育基地建设,向公众普及挡潮闸常识,一方面消除公众不必要的疑虑,另一方面也积极汲取公众的合理意见,进行民主决策。 

    

  

  附件1  挡潮闸主要门型及相关参数表 

因素 

垂直升降门 

翻板门 

水平移动或旋转门 

垂直旋转门 

跨度>30m 

+ 

+ 

+ 

+ 

跨度>100m 

- 

+ 

+ 

- 

水深>10m 

+ 

+ 

+ 

+ 

水流与波浪 

+ 

+ 

0/+ 

0/+ 

净空高度要求 

- 

+ 

+ 

-/+ 

空间需求 

+ 

+ 

- 

+ 

景观影响 

- 

+ 

+ 

-/+ 

关闭时间 

+ 

+ 

+ 

+ 

通航影响 

+ 

+ 

0/- 

+ 

检修与维护 

+ 

- 

+ 

+ 

可靠度 

+ 

0/+ 

-/+ 

+ 

适用性 

设计和运用较为简单,但提升高度和跨度受限,多用于较小河流或非通航河流上,且对景观影响较大 

主要用于空间狭小、不允许影响周边景观的地方,但检查和维护较为困难 

水平移动门受水平移动距离所限,闸门宽度一般较小,主要用于中小河流的通航河道;水平旋转门的闸门高度和宽度不受限制,主要用于大型船舶通航河道 

跨度设计可大可小,主要用于通航河道 

设计关键因素 

1)门槽设计或桁架结构抗振设计。 

1)动力驱动系统的设计; 

2)结构复杂水流条件下的振动问题; 

3)基础沉箱的稳定性问题。 

1)整体结构的设计(尺寸庞大); 

2)压载系统的设计(浮箱尺寸设计); 

3)门体抗振系统的设计。 

1)门体、底部凹形门槽防淤积; 

2)变化潮水位条件下运行抗振问题; 

3)闸门门体结构、支臂协调性设计 

  注:(+表示可行;-表示不可行;0表示具体情况分析) 

    

  

  参考文献: 

  [1]International Navigation Association. Design of movable weirs and storm surge barriers [R]. Utrecht Netherlands, 2006. 

  [2]Ministry of Transport, Public Works and Water management,Hydraulic Engineering Division. THE MAESLANT BARRIER: Design, Construction and Operation [R]. Brussels Belgium, 2005. 

  [3]H. Gerritsen, N. Villars. Operational Management of the Saint Petersburg Flood Protection Barrier [R]. Saint Petersburg Russia, 2005. 

  [4]Jos Vrancken, Jan van den Berg and Michel dos Santos Soares. Human factors in system reliability: lessons learnt from the Maeslant storm surge barrier in the Netherlands [J]. Int. J. Critical Infrastructures, Vol.4, No.4, 2008. 

  [5]国家防汛抗旱总指挥部办公室、水利部国际合作与科技司,世界著名挡潮闸工程(荷兰、日本、英国、意大利、中国)[R].北京,201212. 

  [6]吕益民.中国第一河口大闸:曹娥江大闸建设纪实[M].北京:中国水利水电出版社,2011. 

    编辑: 金海 王建平 姜付仁 廖四辉 刘登伟 李发鹏  新蒲京娱乐场777:《中国水利》2016年第10期 

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