湖閘改造工程設計技術方案分析

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【摘要】應用英國Wallingford公司的InfoWorks軟件中的ICM模塊，根據武漢市黃陂區前川地區新的排澇標準和要求，對什仔湖閘的規模進行了論證，并就閘址的選擇、節制閘的選型以及節制閘結構、建筑、電氣等配套工程做出了相應的技術方案設計。

【關鍵詞】ICM模塊；節制閘規模；節制閘選型

1工程概況

什仔湖位于黃陂區城關南端，灄水西岸，是什仔湖水系中的重要調蓄湖泊。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，相應容積5.12×106m3。非汛期由水系內的5座排澇涵閘自排入灄水，汛期雨水由1980年建成的四聯垸泵站（流量Q=37m3/s）和1993年擴建的什仔湖泵站（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、調蓄及養殖，什仔湖閘是什仔湖與灄水三閘及什仔湖泵站連通而建設的節制閘，其目的是為調節湖泊灌溉和養殖的水位，由于該閘建設年限較早，已破舊不堪，同時根據新的排澇標準和要求，什仔湖閘的過流能力已經不能滿足規劃要求，因此，區政府決定根據最新編制的排水防澇規劃要求對什仔湖閘進行改造、擴建。

2節制閘方案設計

2.1節制閘功能

什仔湖節制閘是調節排澇與湖泊養殖、灌溉的重要水利設施。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有節制閘，主要功能是枯水季節灄水三閘開啟，節制閘關閉，確保湖泊水位滿足養殖和灌溉的需求，豐水季節灄水三閘關閉，節制閘開啟，滿足湖泊調蓄及排澇的要求。什仔湖規劃控制常水位18.63m，規劃控制最高水位19.63m。什仔湖節制閘的工程區位如圖1所示。

2.2節制閘使用狀況

什仔湖節制閘是20世紀80年代建設，尺寸為2.1m×2.0m，節制閘建設時什仔湖泵站的裝機容量為2臺155kW的水泵，基本可以匹配，但目前什仔湖泵站已擴建為8臺280kW的裝機容量后，大暴雨期間，什仔湖泵站抽排時，經常出現泵站河與什子湖之間出現1~2m的水位差，下游泵站無水可抽，上游湖泊周邊澇水嚴重，同時節制閘結構梁有斷裂的現象，設備閘也已陳舊，破亂不堪。

2.3節制閘閘址的選擇

新建節制閘閘址往什仔湖方向平移20m，主要原因：1）由于節制閘旁邊的道路出現多處彎道，周邊居民的出行存在安全隱患，該地方出現過多起事故，利用本次節制閘改造的機會，將該道路進行取直。2）本次節制閘工程施工過程中需要進行圍堰施工，將閘址遷移，正好可以利用現有的道路作為圍堰進行施工，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節制閘規模論證

根據《黃陂區前川地區排水(雨水)防澇綜合規劃》，四聯垸泵站僅負責前川城區排水，匯水范圍為35.13km2，擴建四聯垸泵站至97m3/s，什仔湖泵站負責前川城區南側的農排區范圍的排水，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大為88.49km2，擴建什仔湖泵站至41.5m3/s。什仔湖系統共有李家大湖、小菜湖與什仔湖3個調蓄湖泊，主要湖泊特征值如下：什仔湖藍線面積240.35hm2、藍線控制長度13.4km、最高水位19.63m、常水位19.13m；小蔡湖藍線面積93.58hm2、藍線控制長度7.1km、最高水位19.63m、常水位19.13m；李家大藍線面積15.86hm2、藍線控制長度2.38km、最高水位19.8m、常水位19.5m。

2.4.1核算標準及方法本案采用英國Wallingford公司的InfoWorks軟件中的ICM模塊【1】。以計算機非恒定流模型為模擬平臺，建立城市雨水系統及河道聯合評價體系。以基礎信息平臺為基礎，結合選定的不同降雨過程線對流域范圍內雨水系統進行模擬分析【2，3】。模擬30a一遇的雨型可能會出現的內澇風險，分析相應重現期下積水超過15cm和40cm深度的積水點和積水面積，對區域渠道規模進行核算。

2.4.2核算過程及結果將什仔湖泵站擴建至41.50m3/s，什仔湖水位會超過設計最高水位19.63m，但不會超過內澇防災水位21.10m，因此，李家大湖和什仔湖內澇防治水位為21.10m（前川城區為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時瞬時最大流量達到109m3/s，流量持續穩定在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流量達到149m3/s，流量持續穩定在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時最大瞬時流量達到67m3/s，流量持續穩定在41m3/s。結論：四聯垸泵站僅負責前川城區排水，匯水范圍為35.13km2，擴建四聯垸泵站至97m3/s，什仔湖泵站負責前川城區南側的農排區范圍的排水，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大為88.49km2，什仔湖泵站擴建至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，什仔湖節制閘流量控制25m3/s。

2.5節制閘選型

2.5.1閘門及啟閉機型式的比較與選用閘門要求單向止水，同時閘門應有良好的耐久性和耐腐蝕性，在設計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。啟閉機主要有螺桿啟閉機、轉揚式啟閉機、液壓啟閉機等。現將幾種閘門型式比較如下。1）平板鋼閘門優點：結構簡單、閘門維修管理方便，工程費用較低。缺點：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）橫拉式鋼閘門優點：橫拉閘門在開閘時可以將閘門整個隱藏在地下門庫內，閘門開啟方便，整體景觀很好。缺點：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，維護不方便。3）下臥式鋼閘門優點：下臥門預埋件簡單，安裝方便，門的剛性較好，可帶一定水頭動態啟閉閘門，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：閘門啟閉過程中容易被泥沙等雜物阻塞，對運行維護管理要求較高，設備單價較高。針對工程投資、運行維護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。

2.5.2閘門規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，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（見表1）；μ為閘孔自由出流流量系數；δs為淹沒系數，自由出流時δs=1。

2.6節制閘主要技術參數

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：單吊點；啟閉機型式：QL-200型手電兩用螺桿啟閉機；啟閉速度：0.084m/min；啟閉機功率：3kW；止水形式：雙向止水。

3結語

什仔湖節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施，管理部門應設專人進行維護管理，并與水務行業主管部門對什仔湖水系排澇進行聯合調度。

【參考文獻】

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

【2】高婷,張發.基于InfoWorksICM模型的城市排水管網與內河耦合模擬[J].工業安全與環保,2018,44(6):10-13.

【3】高婷,張發.基于InfoworksICM模型的排水系統能力分析[J].三峽大學學報(自然科學版),2018,40(3):15-18.

作者：於斯 鞠天琛 李曉軍 梁傳浩 單位：中建三局工程設計有限公司