儒乐湖闸泄流能力计算分析

时间：2024-07-28

喻虎圻，肖志愿，蒋庆仁

（中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵阳 550081）

1 工程概况

儒乐湖项目位于赣江新区核心区，是赣江新区儒乐湖新城的核心项目。儒乐湖闸是该项目中子项之一，旨在连通儒乐湖公园与赣江西河，是儒乐湖形成景观水体、防洪和满足儒乐湖“城之心、江之眼”概念规划方案“打造中国最清、最绿、最酷的城市湖泊公园”整体要求的关键工程。工程区位图见图1，幸福河接入儒乐湖，儒乐湖与赣江通过儒乐湖闸连系。儒乐湖闸破瓜洲堤而建，为保证瓜洲堤堤顶公路的畅通，金水大道平行瓜洲堤布置，其中金水大桥（靠儒乐湖侧）紧挨水闸闸室布置。

图1 工程区位图

儒乐湖闸为Ⅱ等大（2）型工程，正常水位时库容为430万m3，改建后儒乐湖流域面积为176 km2，50年一遇和100年一遇洪水流量分别为850、972 m3/s。泄水闸共有11孔泄水孔（2孔平底闸孔和9孔堰式溢流孔）组成，闸顶高程24.00 m，底板高程14.00 m，单孔净宽12.0 m。水闸在儒乐湖水位为21.79 m时、赣江水位为21.56 m时可满足50年一遇（P=2%）洪水泄洪要求；水闸在儒乐湖水位为22.41 m时、赣江水位为22.11 m时可满足可满足100年一遇（P=1%）洪水泄洪要求，并且可满足赣江水位高于儒乐湖水位时的挡水要求。

2 水文条件

儒乐湖位于南昌市昌北城区东北部，赣江西河左岸的滨湖尾闾地区，与赣江隔堤相邻。儒乐湖流域是西河左岸的一微小流域，来水发源于堑头高地，河长约7 km，汇水面积15.7 km2，来水汇入儒乐湖经儒乐湖闸注入赣江西河。儒乐湖为季节性湖泊，流域内地形多为平原岗地。后期对幸福河进行综合整治，疏拓、改道幸福河河道，通过开挖新河道将幸福河来水引至儒乐湖，目前河道开挖已完成，引幸福河水后儒乐湖的集水面积为176 km2。经统计，儒乐湖入库多年（1957—2015年）平均流量为2.70 m3/s，多年平均径流量8520万m3。儒乐湖闸处赣江西河50年一遇洪水位（P=2%）为21.56 m，100年一遇洪水位（P=1%）为22.11 m[1，2]。频率1%、2%、5%、10%时洪峰流量分别为972、850、680、557 m3/s。

3 工程布置

水闸紧靠瓜洲堤布置，采取自儒乐湖至赣江为金水大桥、水闸、堤顶公路桥的布置格局。金水大道管网采用集中布置方式，综合考虑管廊结构对水闸过流能力的影响，将管廊布置在远离溢流堰靠赣江一侧，闸门全部采用平板闸门。

泄水闸共有11孔泄水孔组成，其中10#、11#孔为平底闸孔，底板高程14.00 m，厚3.0 m，孔口尺寸12.0 m×8.5 m（宽×高），工作闸门为平板门，采用固定卷扬机启闭；两孔共用一扇平板检修闸门，采用台车启闭。1#～9#孔为堰式溢流孔，堰顶高程18 m，溢流堰采用宽顶堰型式，上游为1∶1的斜坡，下游曲线为WES曲线，曲线方程为y=0.1486x1.85，每孔设一工作闸门，闸门孔口尺寸为12.0 m×4.5 m（宽×高），闸顶设启闭排架，采用固定卷扬机启闭，可利用枯期检修工作门，不需设检修门。

闸孔总净宽132.0 m，闸墩厚2.5 m，每2孔设一结构缝，分缝中墩厚3.0 m，总宽度164.5 m。水闸由引渠段、控制段、出口消能工段组成。引渠段位于水闸的前缘和金水大桥下部，长85.0 m，引渠前边坡开挖坡比为1∶5，采用厚80.0 cm的块石防护；控制段长20.0 m，由工作闸门、检修闸门，启闭机排架、启闭机房、闸顶交通桥等组成，钢筋混凝土底板厚3.0 m，上下游端分别设深1.0 m的齿槽。出口消能工段上接闸室段经1∶4的底坡与消力池连接，消力池底板高程12.00 m，尾坎高程14.00 m，顶宽1.0 m，总长度24.0 m，底板厚3.0 m。消力池下接海漫，海漫厚1.0 m，尾部设抛填区，总长10.0 m。

4 计算方法

水闸下游紧接赣江西河，水闸过流能力将受赣江水位的顶托影响。在枯期，赣抚尾闾形成后，赣江西河水位为15.50 m；洪水期分别按50年一遇赣江水位21.56 m和100年一遇赣江水位22.11 m计算过流能力。

4.1 枯期过流能力

根据结构布置情况，当赣江水位为15.50 m，儒乐湖水位低于20.00 m时，洪水下泄不受管廊结构的影响，平底闸孔和堰式溢流孔分别计算。

4.1.1 平底闸孔流量计算

采用《水闸设计规范》（SL265-2016）附录A中A.0.1平底闸堰流水力计算公式进行计算，计算示意图如图2所示。

图2 平底闸孔堰流水力学计算示意图

计算公式如下：

其中，

式中：B0为闸孔总净宽，m；Q为过闸流量，m3/s；H0为计入行近流速水头的堰上水深m；g为重力加速度，可采用9.81 m/s2；m为堰流流量系数，可采用0.385；ε为堰流侧收缩系数；b0为闸孔净宽，m；bs为上游河道一半水深处的宽度，m；σ堰流淹没系数；hs由堰顶算起的下游水深，m。

4.1.2 堰式溢流孔流量计算

采用堰闸泄流能力的计算，计算示意图如图3所示。

图3 堰式溢流孔水力学计算示意图

计算公式如下：

其中，

式中：Q为过闸流量，m3/s；σs为淹没系数，下游水位不影响堰的泄流能力时，为自由溢流，取1；σc为侧收缩系数；m为自由溢流的流量系数；b为每孔净宽m；n为闸孔孔数；g为重力加速度，可采用9.81 m/s2；H0为计入行近流速水头的堰上水深，m；P为上游堰高，m；B为上游引渠宽m；α为系数，取0.1。

公式适用条件：b/B≥0.2，P/H≤3.0。当b/B＜0.2时，用b/B=0.2计算；当P/H＞3.0时，用P/H=3.0计算。

4.2 洪水期过流能力

50年一遇（P=2%）、100年一遇赣江水位（P=1%）分别为21.56、22.11 m，分别以两个外江水位计算水闸过流能力，外江水位高于20.00 m时，水闸泄洪出流受管廊结构的影响，采用隧洞有压流[1]的方法进行计算，计算示意图见图4。

图4 隧洞有压流水力学计算示意图

计算公式如下：

其中，

式中：Q为过闸流量，m3/s；μ为流量系数；T0为上游水面与隧洞出口底板高程差T及上游行近流速水头之和，m；hp为闸孔出口断面水流的平均单位势能，出口为淹没出流，取hp=hs；a为出口断面洞高，m；ω为闸孔出口断面面积，m2；ζi为闸孔第i段上的局部能量损失系数，与之相应的流速所在的断面面积为ωi；li为闸孔第i段的长度，与之相应的断面面积、水力半径和谢才系数分别为ωi、Ri和Ci。

堰式溢流孔主要考虑综合管廊和堰的影响，管廊部分按隧洞有压流的方法进行计算，堰部分则采用堰闸泄流能力的计算方法进行计算。两种方法前后迭代调试中间的过渡水位计算确定特定水位下的过闸流量。

管廊部分隧洞有压流的计算方法按式（7）。该工况下部分宽顶堰过流属于淹没出流，按式（4）计算。

5 计算结果

5.1 特征工况时计算结果

根据以上计算方法，计算得到的外江水位分别为15.50、21.56和22.11 m时的水位流量关系（见表1）。各工况下水位流量关系曲线分别见图5～图7。

图7 外江水位22.11 m时水闸水位流量关系曲线

表1 水位流量关系表

图5 外江水位15.50 m时水闸水位流量关系曲线

图6 外江水位21.56 m时水闸水位流量关系曲线

由于平底闸孔数量居多，整体水位流量关系曲线基本符合平底闸孔泄流特征。外江低水位时，过闸流量随内湖水位升高而增大，内湖水位越高，增幅越大；外江高水位时，过闸流量随内湖水位升高而增大，但受管廊影响，内湖水位越高，增幅越小。

5.2 非特征工况下计算结果

为满足运行期洪水调度需要，水位差分别为0.10、0.20、0.30 m时对应不同赣江水位进行儒乐湖闸闸门全开过流能力计算，计算原理同上，计算结果见表2和图8。

表2 水位差分别为0.1、0.2、0.3 m时水闸过流能力成果表

水位差0.10 m 水位差0.20 m 水位差0.30 m外江水位/m内湖水位/m流量Q/（m3/s）外江水位/m内湖水位/m流量Q/（m3/s）外江水位/m内湖水位/m流量Q/（m3/s）17.84 18.23 18.62 19.01 19.40 19.79 20.18 20.57 20.96 21.35 21.74 22.13 17.94 18.33 18.72 19.11 19.50 19.89 20.28 20.67 21.06 21.45 21.84 22.23 155.83 206.55 292.63 376.51 460.98 550.75 431.13 462.46 494.89 525.33 533.19 534.32 17.78 18.16 18.54 18.92 19.30 19.68 20.06 20.44 20.82 21.20 21.58 21.96 17.98 18.36 18.74 19.12 19.50 19.88 20.26 20.64 21.02 21.40 21.78 22.16 202.61 262.92 359.20 475.82 595.27 708.04 605.75 661.29 703.38 744.01 765.36 790.82 17.78 18.16 18.54 18.92 19.30 19.68 20.06 20.44 20.82 21.20 21.58 21.96 18.08 18.46 18.84 19.22 19.60 19.98 20.36 20.74 21.12 21.50 21.88 22.26 242.85 319.96 426.72 554.44 697.57 840.15 737.49 806.30 862.62 924.11 951.47 980.74

图8 水位差分别为0.1、0.2、0.3 m时水位流量关系曲线

由表2和图8可以看出，总体上两侧水位差越大，流量越大；由于管廊底高程为20.00 m，水位高于20.00 m时，过流形态急剧变化，过流能力突然减小，后期随着水位升高过流能力逐渐增大，增幅减小。

不同赣江水位时过流能力成果见表3和图9。

图9 不同赣江时水位流量关系曲线

表3 不同赣江水位时过流能力成果表

外江水位15.5～17.0 m湖水位/m外江水位17.5 m湖水位/m流量Q/m3/s流量Q/m3/s外江水位18.0 m湖水位/m流量Q/m3/s外江水位18.5 m湖水位/m流量Q/m3/s外江水位19.0 m湖水位/m流量Q/m3/s外江水位19.5 m湖水位/m流量Q/m3/s外江水位20.0 m湖水位/m流量Q/m3/s外江水位20.5 m湖水位/m流量Q/m3/s外江水位21.0 m湖水位/m流量Q/m3/s外江水位21.5 m湖水位/m流量Q/m3/s外江水位22.0 m湖水位/m流量Q/m3/s 19.10 19.20 19.30 19.40 19.50 19.60 19.70 19.80 645 686 728 772 817 863 910 959 19.10 19.20 19.30 19.40 19.50 19.60 19.70 19.80 645 686 728 772 817 863 910 959 19.10 19.20 19.30 19.40 19.50 19.60 19.70 19.80 645 686 728 772 817 863 910 959 19.00 19.10 19.20 19.30 19.40 19.50 19.60 19.70 536 597 658 710 761 813 862 910 19.50 19.55 19.60 19.65 19.70 19.75 19.80 19.85 729 759 793 827 862 898 930 959 19.80 19.85 19.90 19.95 20.00 20.05 20.10 766 817 860 901 942 982 1016 20.22 20.24 20.26 20.28 20.30 20.32 20.34 20.36 810 849 885 919 953 982 1006 1029 20.75 20.76 20.78 20.80 20.82 20.84 20.86 20.88 746 762 788 818 844 872 895 925 21.30 21.31 21.33 21.35 21.37 21.39 892 906 940 965 994 1018 21.71 21.72 21.74 21.76 21.78 21.80 21.82 21.84 776 796 838 873 912 947 980 1008 22.30 22.32 980 1016

由表3和图9可以看出，水位在20.00 m以下时，为开敞式过流，不同外江水位情况下，随内湖水位升高，过流能力趋向接近；水位在20.00 m以上时，受管廊影响，过流能力主要受两侧水位差影响较大。