車陸金廠泡子防洪排水閘規(guī)模的確定分析

劉國慶

( 五大連池市水務(wù)局，黑龍江 五大連池164100)

排水閘主要特點是用以自流宣泄?jié)碀n水流。在一般的地區(qū)，它在外河高水位時是關(guān)閉的，僅在汛前外河低水位時，開閘向外搶排，預(yù)降河內(nèi)水位; 汛后外河水位降低后，向外排水，或引水灌溉。由于自流搶排時間緊，排水閘的過水能力一般較大。

0 概 況

遜克縣車陸鄉(xiāng)金廠泡子防洪排水閘為黑龍江車陸段堤防穿堤建筑物，位于遜克縣車陸鄉(xiāng)衛(wèi)東村境內(nèi)長大套子島附近，主要是排泄車陸泡子及邊境湖內(nèi)水，外江為黑龍江，閘址距遜克縣奇克鎮(zhèn)25 km。車陸防洪排水閘主要保護沿岸1個鄉(xiāng)鎮(zhèn)7個村屯，人口7 443人，8 720 hm2耕地，控制排澇面積6 667 hm2。

金廠泡子防洪排水閘布置在黑龍江堤防樁號71 +250處，水閘采用開敞式帶胸墻的型式，原設(shè)計長75.5 m，其中鋪蓋長32.0 m，包括干砌石段長20.0 m和漿砌石段長12.0 m，閘室段順?biāo)鞣较?.5 m，垂直水流方向19 m，閘分五孔，每孔凈寬3.0 m。閘底板高程為103.65 m; 閘室下游一級消力池長16.00 m，與陡坡連接，二級消能采用跌水式消力池，池長14.5 m。海漫段長15.5 m，海漫末端設(shè)有防沖槽，槽深1.0 m。

1 排水閘規(guī)模的確定

1.1 車陸金廠泡子排水閘規(guī)模的確定

排水閘閘孔尺寸的大小與閘底板高程有關(guān)，為了闡述方便，先從確定閘底板的高程開始。

1.1.1 閘底板高程主要根據(jù)排水閘的任務(wù)來確定

從滿足排空內(nèi)湖澇水或滿足運處低洼農(nóng)田降低地下水位的要求而言，閘底板高程可以與閘前排水干溝的溝底高程齊平［1］。而閘前溝底高程可由最遠(yuǎn)處低洼農(nóng)田田面高程，考慮降低地下水深度，各級溝道比降( i) 和局部水頭損失( Δz) 等逐級推算而得，閘底板高程推算見圖1。

圖1 車陸金廠泡子防洪排水閘底板高程推算示意圖

1.1.2 在最后選定閘底板高程時，還需結(jié)合閘孔寬度一并考慮

這是因為在排澇流量一定的情況下，如果底板高程定得低一些，閘前的水深就大，過水能力也大，因此閘孔寬度就可以減小; 反之，底板高程定得高一些，閘孔寬度就要大一些。此外，還要注意閘基地址情況，避免由于閘底開挖過深而導(dǎo)致施工上的困難。

1.2 閘底寬度的影響條件

車陸金廠泡子防洪排水閘有以下兩個方面的排澇任務(wù):①搶排汛期澇水，即當(dāng)汛期外江( 河) 水位短期回落，區(qū)內(nèi)澇水有可能自流外排時，應(yīng)盡量抓緊時機將澇水搶排出去;②在汛后排除澇水，在有蓄澇內(nèi)湖的情況下，應(yīng)使內(nèi)湖水位在一定時間內(nèi)降低到規(guī)定高程。閘孔寬度應(yīng)根據(jù)上述兩項排澇流量設(shè)計。

但實際上，由于汛期搶排任務(wù)時間緊，搶排任務(wù)總是大于汛后排澇任務(wù)，所以排水閘的閘孔寬度大多是按汛期搶排流量確定的。

1.3 車陸金廠泡子防洪排水閘蓄澇的情況分析

車陸金廠泡子防洪排水閘雖有蓄澇內(nèi)湖，但容積較小，滯蓄作用不大。在這種情況下，由于暴雨所產(chǎn)生的全部澇水就要求在規(guī)定時間內(nèi)( 即作物允許耐淹時間內(nèi)) 及時的排走，當(dāng)外江水位高于內(nèi)湖水位時，應(yīng)采取提水排水; 而當(dāng)汛期外江水位短期回落，內(nèi)澇積水有可能自流外排時，則應(yīng)盡量爭取搶排。排水閘的閘孔寬度，應(yīng)根據(jù)一次暴雨所產(chǎn)生的設(shè)計排水流量( 搶排流量) 和相應(yīng)的閘上、下游水位計算確定。

在確定了閘底板高程，設(shè)計排水流量和閘上、下游水位以后，就可按水力學(xué)的方法區(qū)別過閘水流狀態(tài)，并采用相應(yīng)的計算公式計算閘孔寬度。

但在搶排情況下，閘上、下游水位差較小，如圖2所示，過閘水流狀態(tài)一般為寬頂堰淹沒出流，故閘孔凈寬度B 可用下式計算:

式中: σs為寬頂堰淹沒系數(shù); ε 為側(cè)收縮系數(shù); m 為寬頂堰流量系數(shù)。或采用下列公式計算:

式中: ε 為側(cè)收縮系數(shù); φ 為流速系數(shù); z0為閘上、下游水頭差( H0－ h) 。

根據(jù)同期排澇區(qū)的降雨推求排水溝的排水流量過程，再假設(shè)某組閘底板高程水閘和閘孔密度，對上述排水流量和外河水位進行排水模擬計算，方法與下面的排澇演算類似。若能滿足排澇要求的那一年稱為保證年，不能滿足排澇要求的稱為破壞年。最后若保證年數(shù)為m，則加速度的一組閘底板高程和閘孔寬度能達到除澇排水標(biāo)準(zhǔn)為:

式中: P 為除澇標(biāo)準(zhǔn)，P 設(shè)為設(shè)計除澇標(biāo)準(zhǔn)，%; m 為模擬結(jié)果達到排澇標(biāo)準(zhǔn)的年數(shù); n 為資料系數(shù)的年數(shù)。

必須指出，按水利計算求得的閘孔寬度，還必須根據(jù)水工建筑物的要求( 結(jié)構(gòu)及閘下消能等) 對其單寬流量進行校核，以便最后確定閘孔尺寸。

為了計算方便，在計算過閘流量時，可事先繪制內(nèi)湖水位—外江水位—流量曲線。如果內(nèi)湖臨近排水閘，則內(nèi)湖水位為閘前水位，外江水位即閘后水位。曲線應(yīng)按水流過閘狀態(tài)的不同，根據(jù)相應(yīng)的水力學(xué)計算公式推求。

表1 為車陸金廠泡子防洪排水閘排澇演算表。初選閘寬138 m，底板高程位19.6 m。外江水位根據(jù)水文分析確定。搶排時間，湖泊集雨面積上的徑流量R 可以忽略不計。

過閘流量按Q = εφBh( √2g) z0計算，在開始時刻t0時，z內(nèi)= z外=24.88m，V0=8.18 ×108m3，Q 0 =0;當(dāng)t1=( t0+Δt) 時，外江水位為24.85 m。

先假定內(nèi)湖水位為z1’=24.86 m，算得相應(yīng)的排水流量Q1=252 m3/s，并計算出時段的平均流量為126 m3/s，排除水量為0.1088 ×108m3，則減少的湖水量為0.1088 ×108m3，t1時段末的內(nèi)湖蓄水量為V1－ ΔV1=8.0712 ×108m3，再自湖泊水位與容積曲線上查得相應(yīng)于此V1值的湖水位。

若查得的水位與假定的z1'相等，則說明假定值正確，第一時段t0－ t1的計算即告結(jié)束。如此，逐時段進行演算，即可推求出開閘后排水及湖水位的變化過程。

若計算結(jié)果，湖水位過早地降至預(yù)訂的水位，則說明閘孔尺寸過大，不夠經(jīng)濟; 如果在要求時間內(nèi)不能下降至預(yù)訂水位，則說明閘孔過小，在這兩種情況下，都必須另行選定閘孔尺寸，重新演算，直到符合要求為止。

表1 車陸金廠泡子防洪排水閘排澇期間排澇演算表

1.4 閘頂高程的確定

排水閘閘頂高程應(yīng)根據(jù)排水閘所在河段的防洪標(biāo)準(zhǔn)確定，閘頂高程=設(shè)計洪水位+風(fēng)浪高+安全超高，一般不得低于兩側(cè)原有堤防的堤頂高程，有時還應(yīng)考慮河道洪水位的可能抬高值。

2 結(jié)論及建議

水閘安全泄洪對于保護堤防安全、防止淹沒耕地和排澇有著極其重要的作用，同時還能擋黑龍江高水位，防止回水倒流淹沒耕地，為了確保水閘繼續(xù)發(fā)揮防洪排澇效益，抗御可能出現(xiàn)的各種大洪水，保證國民經(jīng)濟穩(wěn)步、持續(xù)發(fā)展和全面建設(shè)小康社會的需要，對遜克縣車陸金廠泡子防洪排水閘規(guī)模的確定技術(shù)進行分析勢在必行。

［1］江蘇省水利勘測設(shè)計研究院.SL265—2001 水閘設(shè)計規(guī)范［S］. 北京:中國水利水電出版社，2001.