湖閘改造工程設(shè)計(jì)技術(shù)方案分析

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【摘要】應(yīng)用英國Wallingford公司的InfoWorks軟件中的ICM模塊，根據(jù)武漢市黃陂區(qū)前川地區(qū)新的排澇標(biāo)準(zhǔn)和要求，對什仔湖閘的規(guī)模進(jìn)行了論證，并就閘址的選擇、節(jié)制閘的選型以及節(jié)制閘結(jié)構(gòu)、建筑、電氣等配套工程做出了相應(yīng)的技術(shù)方案設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】ICM模塊；節(jié)制閘規(guī)模；節(jié)制閘選型

1工程概況

什仔湖位于黃陂區(qū)城關(guān)南端，灄水西岸，是什仔湖水系中的重要調(diào)蓄湖泊。什仔湖水系分布有什仔湖、李家大湖、小蔡湖等湖泊，承雨面積126km2，水位19.64m時，湖泊面積5.8km2，相應(yīng)容積5.12×106m3。非汛期由水系內(nèi)的5座排澇涵閘自排入灄水，汛期雨水由1980年建成的四聯(lián)垸泵站（流量Q=37m3/s）和1993年擴(kuò)建的什仔湖泵站（流量Q=20m3/s）共同抽排出灄水河。什仔湖目前功能主要是灌溉、調(diào)蓄及養(yǎng)殖，什仔湖閘是什仔湖與灄水三閘及什仔湖泵站連通而建設(shè)的節(jié)制閘，其目的是為調(diào)節(jié)湖泊灌溉和養(yǎng)殖的水位，由于該閘建設(shè)年限較早，已破舊不堪，同時根據(jù)新的排澇標(biāo)準(zhǔn)和要求，什仔湖閘的過流能力已經(jīng)不能滿足規(guī)劃要求，因此，區(qū)政府決定根據(jù)最新編制的排水防澇規(guī)劃要求對什仔湖閘進(jìn)行改造、擴(kuò)建。

2節(jié)制閘方案設(shè)計(jì)

2.1節(jié)制閘功能

什仔湖節(jié)制閘是調(diào)節(jié)排澇與湖泊養(yǎng)殖、灌溉的重要水利設(shè)施。什仔湖與小蔡湖均是通過港渠與灄水三閘及什仔湖泵站連通，什仔湖與小蔡湖連通渠上均設(shè)有節(jié)制閘，主要功能是枯水季節(jié)灄水三閘開啟，節(jié)制閘關(guān)閉，確保湖泊水位滿足養(yǎng)殖和灌溉的需求，豐水季節(jié)灄水三閘關(guān)閉，節(jié)制閘開啟，滿足湖泊調(diào)蓄及排澇的要求。什仔湖規(guī)劃控制常水位18.63m，規(guī)劃控制最高水位19.63m。什仔湖節(jié)制閘的工程區(qū)位如圖1所示。

2.2節(jié)制閘使用狀況

什仔湖節(jié)制閘是20世紀(jì)80年代建設(shè)，尺寸為2.1m×2.0m，節(jié)制閘建設(shè)時什仔湖泵站的裝機(jī)容量為2臺155kW的水泵，基本可以匹配，但目前什仔湖泵站已擴(kuò)建為8臺280kW的裝機(jī)容量后，大暴雨期間，什仔湖泵站抽排時，經(jīng)常出現(xiàn)泵站河與什子湖之間出現(xiàn)1~2m的水位差，下游泵站無水可抽，上游湖泊周邊澇水嚴(yán)重，同時節(jié)制閘結(jié)構(gòu)梁有斷裂的現(xiàn)象，設(shè)備閘也已陳舊，破亂不堪。

2.3節(jié)制閘閘址的選擇

新建節(jié)制閘閘址往什仔湖方向平移20m，主要原因：1）由于節(jié)制閘旁邊的道路出現(xiàn)多處彎道，周邊居民的出行存在安全隱患，該地方出現(xiàn)過多起事故，利用本次節(jié)制閘改造的機(jī)會，將該道路進(jìn)行取直。2）本次節(jié)制閘工程施工過程中需要進(jìn)行圍堰施工，將閘址遷移，正好可以利用現(xiàn)有的道路作為圍堰進(jìn)行施工，既可以解決道路取直的問題，又能減少一道圍堰施工程序，從施工的操作性及工程投資的角度都是可行的。

2.4節(jié)制閘規(guī)模論證

根據(jù)《黃陂區(qū)前川地區(qū)排水(雨水)防澇綜合規(guī)劃》，四聯(lián)垸泵站僅負(fù)責(zé)前川城區(qū)排水，匯水范圍為35.13km2，擴(kuò)建四聯(lián)垸泵站至97m3/s，什仔湖泵站負(fù)責(zé)前川城區(qū)南側(cè)的農(nóng)排區(qū)范圍的排水，同時將李家大湖、小蔡湖與什仔湖通過西河連通，什仔湖泵站匯水面積擴(kuò)大為88.49km2，擴(kuò)建什仔湖泵站至41.5m3/s。什仔湖系統(tǒng)共有李家大湖、小菜湖與什仔湖3個調(diào)蓄湖泊，主要湖泊特征值如下：什仔湖藍(lán)線面積240.35hm2、藍(lán)線控制長度13.4km、最高水位19.63m、常水位19.13m；小蔡湖藍(lán)線面積93.58hm2、藍(lán)線控制長度7.1km、最高水位19.63m、常水位19.13m；李家大藍(lán)線面積15.86hm2、藍(lán)線控制長度2.38km、最高水位19.8m、常水位19.5m。

2.4.1核算標(biāo)準(zhǔn)及方法本案采用英國Wallingford公司的InfoWorks軟件中的ICM模塊【1】。以計(jì)算機(jī)非恒定流模型為模擬平臺，建立城市雨水系統(tǒng)及河道聯(lián)合評價體系。以基礎(chǔ)信息平臺為基礎(chǔ)，結(jié)合選定的不同降雨過程線對流域范圍內(nèi)雨水系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析【2，3】。模擬30a一遇的雨型可能會出現(xiàn)的內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn)，分析相應(yīng)重現(xiàn)期下積水超過15cm和40cm深度的積水點(diǎn)和積水面積，對區(qū)域渠道規(guī)模進(jìn)行核算。

2.4.2核算過程及結(jié)果將什仔湖泵站擴(kuò)建至41.50m3/s，什仔湖水位會超過設(shè)計(jì)最高水位19.63m，但不會超過內(nèi)澇防災(zāi)水位21.10m，因此，李家大湖和什仔湖內(nèi)澇防治水位為21.10m（前川城區(qū)為21.50m）。模擬30a一遇24h（273mm）降雨西河（李家大湖出口段）流量過程線，8：10時西河（李家大湖出口段）開始出流，17:10時瞬時最大流量達(dá)到109m3/s，流量持續(xù)穩(wěn)定在30m3/s。模擬30a一遇24h（273mm）什仔湖泵站河流量過程線，12：00左右時什仔湖泵站河開始出流，在24:23流量達(dá)到149m3/s，流量持續(xù)穩(wěn)定在25m3/s。模擬30a一遇24h（273mm）什仔湖泵站河流量過程線，12：00左右時什仔湖泵站河開始出流，在16：33時最大瞬時流量達(dá)到67m3/s，流量持續(xù)穩(wěn)定在41m3/s。結(jié)論：四聯(lián)垸泵站僅負(fù)責(zé)前川城區(qū)排水，匯水范圍為35.13km2，擴(kuò)建四聯(lián)垸泵站至97m3/s，什仔湖泵站負(fù)責(zé)前川城區(qū)南側(cè)的農(nóng)排區(qū)范圍的排水，同時將李家大湖、小蔡湖與什仔湖通過西河連通，什仔湖泵站匯水面積擴(kuò)大為88.49km2，什仔湖泵站擴(kuò)建至41.50m3/s。受什仔湖泵站流量影響，西河（李家大湖出口段）流量控制30m3/s，什仔湖節(jié)制閘流量控制25m3/s。

2.5節(jié)制閘選型

2.5.1閘門及啟閉機(jī)型式的比較與選用閘門要求單向止水，同時閘門應(yīng)有良好的耐久性和耐腐蝕性，在設(shè)計(jì)水位時能承受水頭差并能正常啟閉。目前閘門型式較多，有垂直啟閉平板門、橫拉門、下臥門等。啟閉機(jī)主要有螺桿啟閉機(jī)、轉(zhuǎn)揚(yáng)式啟閉機(jī)、液壓啟閉機(jī)等?，F(xiàn)將幾種閘門型式比較如下。1）平板鋼閘門優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、閘門維修管理方便，工程費(fèi)用較低。缺點(diǎn)：由于直升平板門完全開啟時，所需凈空要求較大，閘墩及人行橋較高，突出地面較多，與地形銜接不是很好。2）橫拉式鋼閘門優(yōu)點(diǎn)：橫拉閘門在開閘時可以將閘門整個隱藏在地下門庫內(nèi)，閘門開啟方便，整體景觀很好。缺點(diǎn)：只能在靜水條件下啟閉，門庫和門槽的尺寸要求較大，特別是門底走輪和水下軌道易被泥沙雜物阻塞，維護(hù)不方便。3）下臥式鋼閘門優(yōu)點(diǎn)：下臥門預(yù)埋件簡單，安裝方便，門的剛性較好，可帶一定水頭動態(tài)啟閉閘門，雙向止水。門打開時景觀較好，閘墩厚度較窄，凈空高度要求較小，整個外觀效果較好。缺點(diǎn)：閘門啟閉過程中容易被泥沙等雜物阻塞，對運(yùn)行維護(hù)管理要求較高，設(shè)備單價較高。針對工程投資、運(yùn)行維護(hù)管理等方面綜合考慮，本案推薦采用PGZ型拱形平面鑄鐵閘門，采用QL型手電兩用螺桿啟閉機(jī)。

2.5.2閘門規(guī)格確定本案擬采用平板閘門，閘門的流量公式為：式中，e為閘門開啟高度，m；b為每孔凈寬，m；n為孔數(shù)，個；H0為閘門水頭（包括行近流速水頭），m；g為重力加速度，m/s2，ε為垂直收縮系數(shù)（見表1）；μ為閘孔自由出流流量系數(shù)；δs為淹沒系數(shù)，自由出流時δs=1。

2.6節(jié)制閘主要技術(shù)參數(shù)

單孔閘門尺寸：B（寬）×H（高）=3.0m×3.0m；閘門型式：PGZ型拱形平面鑄鐵閘門；閘門吊點(diǎn)：單吊點(diǎn)；啟閉機(jī)型式：QL-200型手電兩用螺桿啟閉機(jī)；啟閉速度：0.084m/min；啟閉機(jī)功率：3kW；止水形式：雙向止水。

3結(jié)語

什仔湖節(jié)制閘是控制什仔湖與灄水三閘及什仔湖泵站的重要水利設(shè)施，管理部門應(yīng)設(shè)專人進(jìn)行維護(hù)管理，并與水務(wù)行業(yè)主管部門對什仔湖水系排澇進(jìn)行聯(lián)合調(diào)度。

【參考文獻(xiàn)】

【1】王詩婧.基于InfoworksICM的城市排水管網(wǎng)排水能力評估[J].綠色科技,2018(18):156-159.

【2】高婷,張發(fā).基于InfoWorksICM模型的城市排水管網(wǎng)與內(nèi)河耦合模擬[J].工業(yè)安全與環(huán)保,2018,44(6):10-13.

【3】高婷,張發(fā).基于InfoworksICM模型的排水系統(tǒng)能力分析[J].三峽大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2018,40(3):15-18.

作者：於斯 鞠天琛 李曉軍 梁傳浩 單位：中建三局工程設(shè)計(jì)有限公司