湖闸改造工程设计技术方案分析

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【摘要】应用英国Wallingford公司的InfoWorks软件中的ICM模块，根据武汉市黄陂区前川地区新的排涝标准和要求，对什仔湖闸的规模进行了论证，并就闸址的选择、节制闸的选型以及节制闸结构、建筑、电气等配套工程做出了相应的技术方案设计。

【关键词】ICM模块；节制闸规模；节制闸选型

1工程概况

什仔湖位于黄陂区城关南端，滠水西岸，是什仔湖水系中的重要调蓄湖泊。什仔湖水系分布有什仔湖、李家大湖、小蔡湖等湖泊，承雨面积126km2，水位19.64m时，湖泊面积5.8km2，相应容积5.12×106m3。非汛期由水系内的5座排涝涵闸自排入滠水，汛期雨水由1980年建成的四联垸泵站（流量Q=37m3/s）和1993年扩建的什仔湖泵站（流量Q=20m3/s）共同抽排出滠水河。什仔湖目前功能主要是灌溉、调蓄及养殖，什仔湖闸是什仔湖与滠水三闸及什仔湖泵站连通而建设的节制闸，其目的是为调节湖泊灌溉和养殖的水位，由于该闸建设年限较早，已破旧不堪，同时根据新的排涝标准和要求，什仔湖闸的过流能力已经不能满足规划要求，因此，区政府决定根据最新编制的排水防涝规划要求对什仔湖闸进行改造、扩建。

2节制闸方案设计

2.1节制闸功能

什仔湖节制闸是调节排涝与湖泊养殖、灌溉的重要水利设施。什仔湖与小蔡湖均是通过港渠与滠水三闸及什仔湖泵站连通，什仔湖与小蔡湖连通渠上均设有节制闸，主要功能是枯水季节滠水三闸开启，节制闸关闭，确保湖泊水位满足养殖和灌溉的需求，丰水季节滠水三闸关闭，节制闸开启，满足湖泊调蓄及排涝的要求。什仔湖规划控制常水位18.63m，规划控制最高水位19.63m。什仔湖节制闸的工程区位如图1所示。

2.2节制闸使用状况

什仔湖节制闸是20世纪80年代建设，尺寸为2.1m×2.0m，节制闸建设时什仔湖泵站的装机容量为2台155kW的水泵，基本可以匹配，但目前什仔湖泵站已扩建为8台280kW的装机容量后，大暴雨期间，什仔湖泵站抽排时，经常出现泵站河与什子湖之间出现1~2m的水位差，下游泵站无水可抽，上游湖泊周边涝水严重，同时节制闸结构梁有断裂的现象，设备闸也已陈旧，破乱不堪。

2.3节制闸闸址的选择

新建节制闸闸址往什仔湖方向平移20m，主要原因：1）由于节制闸旁边的道路出现多处弯道，周边居民的出行存在安全隐患，该地方出现过多起事故，利用本次节制闸改造的机会，将该道路进行取直。2）本次节制闸工程施工过程中需要进行围堰施工，将闸址迁移，正好可以利用现有的道路作为围堰进行施工，既可以解决道路取直的问题，又能减少一道围堰施工程序，从施工的操作性及工程投资的角度都是可行的。

2.4节制闸规模论证

根据《黄陂区前川地区排水(雨水)防涝综合规划》，四联垸泵站仅负责前川城区排水，汇水范围为35.13km2，扩建四联垸泵站至97m3/s，什仔湖泵站负责前川城区南侧的农排区范围的排水，同时将李家大湖、小蔡湖与什仔湖通过西河连通，什仔湖泵站汇水面积扩大为88.49km2，扩建什仔湖泵站至41.5m3/s。什仔湖系统共有李家大湖、小菜湖与什仔湖3个调蓄湖泊，主要湖泊特征值如下：什仔湖蓝线面积240.35hm2、蓝线控制长度13.4km、最高水位19.63m、常水位19.13m；小蔡湖蓝线面积93.58hm2、蓝线控制长度7.1km、最高水位19.63m、常水位19.13m；李家大蓝线面积15.86hm2、蓝线控制长度2.38km、最高水位19.8m、常水位19.5m。

2.4.1核算标准及方法本案采用英国Wallingford公司的InfoWorks软件中的ICM模块【1】。以计算机非恒定流模型为模拟平台，建立城市雨水系统及河道联合评价体系。以基础信息平台为基础，结合选定的不同降雨过程线对流域范围内雨水系统进行模拟分析【2，3】。模拟30a一遇的雨型可能会出现的内涝风险，分析相应重现期下积水超过15cm和40cm深度的积水点和积水面积，对区域渠道规模进行核算。

2.4.2核算过程及结果将什仔湖泵站扩建至41.50m3/s，什仔湖水位会超过设计最高水位19.63m，但不会超过内涝防灾水位21.10m，因此，李家大湖和什仔湖内涝防治水位为21.10m（前川城区为21.50m）。模拟30a一遇24h（273mm）降雨西河（李家大湖出口段）流量过程线，8：10时西河（李家大湖出口段）开始出流，17:10时瞬时最大流量达到109m3/s，流量持续稳定在30m3/s。模拟30a一遇24h（273mm）什仔湖泵站河流量过程线，12：00左右时什仔湖泵站河开始出流，在24:23流量达到149m3/s，流量持续稳定在25m3/s。模拟30a一遇24h（273mm）什仔湖泵站河流量过程线，12：00左右时什仔湖泵站河开始出流，在16：33时最大瞬时流量达到67m3/s，流量持续稳定在41m3/s。结论：四联垸泵站仅负责前川城区排水，汇水范围为35.13km2，扩建四联垸泵站至97m3/s，什仔湖泵站负责前川城区南侧的农排区范围的排水，同时将李家大湖、小蔡湖与什仔湖通过西河连通，什仔湖泵站汇水面积扩大为88.49km2，什仔湖泵站扩建至41.50m3/s。受什仔湖泵站流量影响，西河（李家大湖出口段）流量控制30m3/s，什仔湖节制闸流量控制25m3/s。

2.5节制闸选型

2.5.1闸门及启闭机型式的比较与选用闸门要求单向止水，同时闸门应有良好的耐久性和耐腐蚀性，在设计水位时能承受水头差并能正常启闭。目前闸门型式较多，有垂直启闭平板门、横拉门、下卧门等。启闭机主要有螺杆启闭机、转扬式启闭机、液压启闭机等。现将几种闸门型式比较如下。1）平板钢闸门优点：结构简单、闸门维修管理方便，工程费用较低。缺点：由于直升平板门完全开启时，所需净空要求较大，闸墩及人行桥较高，突出地面较多，与地形衔接不是很好。2）横拉式钢闸门优点：横拉闸门在开闸时可以将闸门整个隐藏在地下门库内，闸门开启方便，整体景观很好。缺点：只能在静水条件下启闭，门库和门槽的尺寸要求较大，特别是门底走轮和水下轨道易被泥沙杂物阻塞，维护不方便。3）下卧式钢闸门优点：下卧门预埋件简单，安装方便，门的刚性较好，可带一定水头动态启闭闸门，双向止水。门打开时景观较好，闸墩厚度较窄，净空高度要求较小，整个外观效果较好。缺点：闸门启闭过程中容易被泥沙等杂物阻塞，对运行维护管理要求较高，设备单价较高。针对工程投资、运行维护管理等方面综合考虑，本案推荐采用PGZ型拱形平面铸铁闸门，采用QL型手电两用螺杆启闭机。

2.5.2闸门规格确定本案拟采用平板闸门，闸门的流量公式为：式中，e为闸门开启高度，m；b为每孔净宽，m；n为孔数，个；H0为闸门水头（包括行近流速水头），m；g为重力加速度，m/s2，ε为垂直收缩系数（见表1）；μ为闸孔自由出流流量系数；δs为淹没系数，自由出流时δs=1。

2.6节制闸主要技术参数

单孔闸门尺寸：B（宽）×H（高）=3.0m×3.0m；闸门型式：PGZ型拱形平面铸铁闸门；闸门吊点：单吊点；启闭机型式：QL-200型手电两用螺杆启闭机；启闭速度：0.084m/min；启闭机功率：3kW；止水形式：双向止水。

3结语

什仔湖节制闸是控制什仔湖与滠水三闸及什仔湖泵站的重要水利设施，管理部门应设专人进行维护管理，并与水务行业主管部门对什仔湖水系排涝进行联合调度。

【参考文献】

【1】王诗婧.基于InfoworksICM的城市排水管网排水能力评估[J].绿色科技,2018(18):156-159.

【2】高婷,张发.基于InfoWorksICM模型的城市排水管网与内河耦合模拟[J].工业安全与环保,2018,44(6):10-13.

【3】高婷,张发.基于InfoworksICM模型的排水系统能力分析[J].三峡大学学报(自然科学版),2018,40(3):15-18.

作者：於斯 鞠天琛 李晓军 梁传浩 单位：中建三局工程设计有限公司