儒樂湖閘泄流能力計(jì)算分析

喻虎圻，肖志愿，蔣慶仁

（中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴陽(yáng) 550081）

1 工程概況

儒樂湖項(xiàng)目位于贛江新區(qū)核心區(qū)，是贛江新區(qū)儒樂湖新城的核心項(xiàng)目。儒樂湖閘是該項(xiàng)目中子項(xiàng)之一，旨在連通儒樂湖公園與贛江西河，是儒樂湖形成景觀水體、防洪和滿足儒樂湖“城之心、江之眼”概念規(guī)劃方案“打造中國(guó)最清、最綠、最酷的城市湖泊公園”整體要求的關(guān)鍵工程。工程區(qū)位圖見圖1，幸福河接入儒樂湖，儒樂湖與贛江通過儒樂湖閘連系。儒樂湖閘破瓜洲堤而建，為保證瓜洲堤堤頂公路的暢通，金水大道平行瓜洲堤布置，其中金水大橋（靠儒樂湖側(cè)）緊挨水閘閘室布置。

圖1 工程區(qū)位圖

儒樂湖閘為Ⅱ等大（2）型工程，正常水位時(shí)庫(kù)容為430萬(wàn)m3，改建后儒樂湖流域面積為176 km2，50年一遇和100年一遇洪水流量分別為850、972 m3/s。泄水閘共有11孔泄水孔（2孔平底閘孔和9孔堰式溢流孔）組成，閘頂高程24.00 m，底板高程14.00 m，單孔凈寬12.0 m。水閘在儒樂湖水位為21.79 m時(shí)、贛江水位為21.56 m時(shí)可滿足50年一遇（P=2%）洪水泄洪要求；水閘在儒樂湖水位為22.41 m時(shí)、贛江水位為22.11 m時(shí)可滿足可滿足100年一遇（P=1%）洪水泄洪要求，并且可滿足贛江水位高于儒樂湖水位時(shí)的擋水要求。

2 水文條件

儒樂湖位于南昌市昌北城區(qū)東北部，贛江西河左岸的濱湖尾閭地區(qū)，與贛江隔堤相鄰。儒樂湖流域是西河左岸的一微小流域，來(lái)水發(fā)源于塹頭高地，河長(zhǎng)約7 km，匯水面積15.7 km2，來(lái)水匯入儒樂湖經(jīng)儒樂湖閘注入贛江西河。儒樂湖為季節(jié)性湖泊，流域內(nèi)地形多為平原崗地。后期對(duì)幸福河進(jìn)行綜合整治，疏拓、改道幸福河河道，通過開挖新河道將幸福河來(lái)水引至儒樂湖，目前河道開挖已完成，引幸福河水后儒樂湖的集水面積為176 km2。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，儒樂湖入庫(kù)多年（1957—2015年）平均流量為2.70 m3/s，多年平均徑流量8520萬(wàn)m3。儒樂湖閘處贛江西河50年一遇洪水位（P=2%）為21.56 m，100年一遇洪水位（P=1%）為22.11 m[1，2]。頻率1%、2%、5%、10%時(shí)洪峰流量分別為972、850、680、557 m3/s。

3 工程布置

水閘緊靠瓜洲堤布置，采取自儒樂湖至贛江為金水大橋、水閘、堤頂公路橋的布置格局。金水大道管網(wǎng)采用集中布置方式，綜合考慮管廊結(jié)構(gòu)對(duì)水閘過流能力的影響，將管廊布置在遠(yuǎn)離溢流堰靠贛江一側(cè)，閘門全部采用平板閘門。

泄水閘共有11孔泄水孔組成，其中10#、11#孔為平底閘孔，底板高程14.00 m，厚3.0 m，孔口尺寸12.0 m×8.5 m（寬×高），工作閘門為平板門，采用固定卷?yè)P(yáng)機(jī)啟閉；兩孔共用一扇平板檢修閘門，采用臺(tái)車啟閉。1#～9#孔為堰式溢流孔，堰頂高程18 m，溢流堰采用寬頂堰型式，上游為1∶1的斜坡，下游曲線為WES曲線，曲線方程為y=0.1486x1.85，每孔設(shè)一工作閘門，閘門孔口尺寸為12.0 m×4.5 m（寬×高），閘頂設(shè)啟閉排架，采用固定卷?yè)P(yáng)機(jī)啟閉，可利用枯期檢修工作門，不需設(shè)檢修門。

閘孔總凈寬132.0 m，閘墩厚2.5 m，每2孔設(shè)一結(jié)構(gòu)縫，分縫中墩厚3.0 m，總寬度164.5 m。水閘由引渠段、控制段、出口消能工段組成。引渠段位于水閘的前緣和金水大橋下部，長(zhǎng)85.0 m，引渠前邊坡開挖坡比為1∶5，采用厚80.0 cm的塊石防護(hù)；控制段長(zhǎng)20.0 m，由工作閘門、檢修閘門，啟閉機(jī)排架、啟閉機(jī)房、閘頂交通橋等組成，鋼筋混凝土底板厚3.0 m，上下游端分別設(shè)深1.0 m的齒槽。出口消能工段上接閘室段經(jīng)1∶4的底坡與消力池連接，消力池底板高程12.00 m，尾坎高程14.00 m，頂寬1.0 m，總長(zhǎng)度24.0 m，底板厚3.0 m。消力池下接海漫，海漫厚1.0 m，尾部設(shè)拋填區(qū)，總長(zhǎng)10.0 m。

4 計(jì)算方法

水閘下游緊接贛江西河，水閘過流能力將受贛江水位的頂托影響。在枯期，贛撫尾閭形成后，贛江西河水位為15.50 m；洪水期分別按50年一遇贛江水位21.56 m和100年一遇贛江水位22.11 m計(jì)算過流能力。

4.1 枯期過流能力

根據(jù)結(jié)構(gòu)布置情況，當(dāng)贛江水位為15.50 m，儒樂湖水位低于20.00 m時(shí)，洪水下泄不受管廊結(jié)構(gòu)的影響，平底閘孔和堰式溢流孔分別計(jì)算。

4.1.1 平底閘孔流量計(jì)算

采用《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265-2016）附錄A中A.0.1平底閘堰流水力計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算示意圖如圖2所示。

圖2 平底閘孔堰流水力學(xué)計(jì)算示意圖

計(jì)算公式如下：

其中，

式中：B0為閘孔總凈寬，m；Q為過閘流量，m3/s；H0為計(jì)入行近流速水頭的堰上水深m；g為重力加速度，可采用9.81 m/s2；m為堰流流量系數(shù)，可采用0.385；ε為堰流側(cè)收縮系數(shù)；b0為閘孔凈寬，m；bs為上游河道一半水深處的寬度，m；σ堰流淹沒系數(shù)；hs由堰頂算起的下游水深，m。

4.1.2 堰式溢流孔流量計(jì)算

采用堰閘泄流能力的計(jì)算，計(jì)算示意圖如圖3所示。

圖3 堰式溢流孔水力學(xué)計(jì)算示意圖

計(jì)算公式如下：

其中，

式中：Q為過閘流量，m3/s；σs為淹沒系數(shù)，下游水位不影響堰的泄流能力時(shí)，為自由溢流，取1；σc為側(cè)收縮系數(shù)；m為自由溢流的流量系數(shù)；b為每孔凈寬m；n為閘孔孔數(shù)；g為重力加速度，可采用9.81 m/s2；H0為計(jì)入行近流速水頭的堰上水深，m；P為上游堰高，m；B為上游引渠寬m；α為系數(shù)，取0.1。

公式適用條件：b/B≥0.2，P/H≤3.0。當(dāng)b/B＜0.2時(shí)，用b/B=0.2計(jì)算；當(dāng)P/H＞3.0時(shí)，用P/H=3.0計(jì)算。

4.2 洪水期過流能力

50年一遇（P=2%）、100年一遇贛江水位（P=1%）分別為21.56、22.11 m，分別以兩個(gè)外江水位計(jì)算水閘過流能力，外江水位高于20.00 m時(shí)，水閘泄洪出流受管廊結(jié)構(gòu)的影響，采用隧洞有壓流[1]的方法進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算示意圖見圖4。

圖4 隧洞有壓流水力學(xué)計(jì)算示意圖

計(jì)算公式如下：

其中，

式中：Q為過閘流量，m3/s；μ為流量系數(shù)；T0為上游水面與隧洞出口底板高程差T及上游行近流速水頭之和，m；hp為閘孔出口斷面水流的平均單位勢(shì)能，出口為淹沒出流，取hp=hs；a為出口斷面洞高，m；ω為閘孔出口斷面面積，m2；ζi為閘孔第i段上的局部能量損失系數(shù)，與之相應(yīng)的流速所在的斷面面積為ωi；li為閘孔第i段的長(zhǎng)度，與之相應(yīng)的斷面面積、水力半徑和謝才系數(shù)分別為ωi、Ri和Ci。

堰式溢流孔主要考慮綜合管廊和堰的影響，管廊部分按隧洞有壓流的方法進(jìn)行計(jì)算，堰部分則采用堰閘泄流能力的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。兩種方法前后迭代調(diào)試中間的過渡水位計(jì)算確定特定水位下的過閘流量。

管廊部分隧洞有壓流的計(jì)算方法按式（7）。該工況下部分寬頂堰過流屬于淹沒出流，按式（4）計(jì)算。

5 計(jì)算結(jié)果

5.1 特征工況時(shí)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)以上計(jì)算方法，計(jì)算得到的外江水位分別為15.50、21.56和22.11 m時(shí)的水位流量關(guān)系（見表1）。各工況下水位流量關(guān)系曲線分別見圖5～圖7。

圖7 外江水位22.11 m時(shí)水閘水位流量關(guān)系曲線

表1 水位流量關(guān)系表

圖5 外江水位15.50 m時(shí)水閘水位流量關(guān)系曲線

圖6 外江水位21.56 m時(shí)水閘水位流量關(guān)系曲線

由于平底閘孔數(shù)量居多，整體水位流量關(guān)系曲線基本符合平底閘孔泄流特征。外江低水位時(shí)，過閘流量隨內(nèi)湖水位升高而增大，內(nèi)湖水位越高，增幅越大；外江高水位時(shí)，過閘流量隨內(nèi)湖水位升高而增大，但受管廊影響，內(nèi)湖水位越高，增幅越小。

5.2 非特征工況下計(jì)算結(jié)果

為滿足運(yùn)行期洪水調(diào)度需要，水位差分別為0.10、0.20、0.30 m時(shí)對(duì)應(yīng)不同贛江水位進(jìn)行儒樂湖閘閘門全開過流能力計(jì)算，計(jì)算原理同上，計(jì)算結(jié)果見表2和圖8。

表2 水位差分別為0.1、0.2、0.3 m時(shí)水閘過流能力成果表

水位差0.10 m 水位差0.20 m 水位差0.30 m外江水位/m內(nèi)湖水位/m流量Q/（m3/s）外江水位/m內(nèi)湖水位/m流量Q/（m3/s）外江水位/m內(nèi)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

圖8 水位差分別為0.1、0.2、0.3 m時(shí)水位流量關(guān)系曲線

由表2和圖8可以看出，總體上兩側(cè)水位差越大，流量越大；由于管廊底高程為20.00 m，水位高于20.00 m時(shí)，過流形態(tài)急劇變化，過流能力突然減小，后期隨著水位升高過流能力逐漸增大，增幅減小。

不同贛江水位時(shí)過流能力成果見表3和圖9。

圖9 不同贛江時(shí)水位流量關(guān)系曲線

表3 不同贛江水位時(shí)過流能力成果表

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和圖9可以看出，水位在20.00 m以下時(shí)，為開敞式過流，不同外江水位情況下，隨內(nèi)湖水位升高，過流能力趨向接近；水位在20.00 m以上時(shí)，受管廊影響，過流能力主要受兩側(cè)水位差影響較大。

6 結(jié)論

（1）低水位時(shí)，整體水位流量關(guān)系曲線基本符合平底閘孔泄流特征；高水位時(shí)，水位流量關(guān)系曲線呈隧洞有壓流泄流特征。

（2）管廊對(duì)過流形態(tài)、過流能力影響顯著。隨水位升高，在管廊底高程時(shí)，過流形態(tài)突變，過流能力突然變小；高水位時(shí)，過流能力隨內(nèi)湖水位升高而增大，增幅逐漸減小，且受兩側(cè)水位差影響較大。