CN113204819A - 感潮水闸闸前橄榄型调蓄湖的布置方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种水利工程设计方法。技术方案是：感潮水闸闸前橄榄型调蓄湖的布置方法，所述闸前橄榄型调蓄湖的设计参数按照以下公式确定：S湖/S河＝0.0024q2‑0.1049q+2.8551；S河＝LB；θ＝sin‑1(L/2/R)；S湖＝LB+(4θπ/360‑sin2θ)R2；式中：q为单宽流量(单位宽度流量)，m3/s.m；S河为与调蓄湖同等长度的河道面积；S湖为调蓄湖面积，包含该段河道面积；R为调蓄湖岸边线圆弧半径；B为河道宽度；L为调蓄湖所在的河道长度；θ为调蓄湖两侧圆弧与半径所成夹角的一半。该方法能提高闸上河道的排涝能力，降低上游河道水位，保护闸前河道的防冲安全。

Description

感潮水闸闸前橄榄型调蓄湖的布置方法
技术领域
本发明涉及一种水利工程设计方法，具体是感潮水闸闸前橄榄型调蓄湖的布置方法。
背景技术
感潮水闸是沿海平原地区常见的水工建筑物，其下游一般为开敞式海域，当关闭闸门时，具备拦洪、挡潮、蓄水等功能，可满足上游取水、通航及防御海洋灾害等需求；当开启闸门时，具备泄洪、排涝、甚至通航等功能，是平原河网中关键的控制性建筑。一般来说，影响感潮水闸排涝能力的主要因素有工程规模和布置、上游集雨面积、降雨量、河网布局、外海侧潮水位以及调度运行方式等，成为了决定区域河网洪涝灾情及减灾能力的关键控制因素。
根据《水闸设计规范SL265-2016》要求，水闸的“轴线宜与河道中心线正交，其上游河道直线段长度不宜小于5倍水闸进口处水面宽度”；因此水闸平面布置中上游河道(即闸上河道1)一般都是顺直河道(如图1)，并通过两侧收缩导墙2与闸室3相连接(图中还有外海或下游河道4)。相对内河水闸，该类水闸具有以下几方面特点：一是河底纵向高程坡降平缓，在出口段几乎为零坡降状态，排涝时闸上河网水流的动力存在不足；二是排涝水闸闸下潮位变幅大，在平高潮位时需关闸挡潮，避免咸水入侵，低潮位时则开闸泄水，因此这类候潮排涝也叫“半夕排涝”；三是防冲压力严峻，在台风及强降雨期间，该类闸多为抢排、快排状态，闸室上下游水位落差接近或超过设计值，极易造成闸上河道及闸下防冲段冲刷严重，危及闸室及沿线堤防安全。
在以往设计及运行中，由于对平原河网及感潮水闸的排涝特性认识不足，按照规范或者经验进行设计的感潮水闸，普遍存在水闸规模和闸前河道规模不匹配的问题，即闸室规模偏大或河道规模偏小。具体表现为：当外海中低潮位时，水闸闸门全开泄洪，此时闸前水位坡降较陡，泄洪时甚至出现闸前小段河道水流几乎见底，而中上游河网中的水位却下降缓慢，甚至是毫无变化情况，该问题一方面降低了排涝闸的排涝能力，另一方面也将造成闸前河道普遍冲刷，危及两侧堤防的稳定与安全。如南台头闸在1993年至2004年间多次排涝后，闸上4km河道形成严重冲刷，河底最大冲深可达6m(河道断面冲刷状态见图2)，为避免河道冲刷进一步加重，只能采取控制过闸流量等措施，导致工程的排涝效益大大降低。又如曹娥江支流上的新三江闸，闸室规模和河道宽度几乎等同，闸门开启瞬间闸上200m左右河段的水位几乎见底，导致了闸上段河床冲刷严重，严重制约着闸站的排涝效益。
发明内容
本发明的目的是克服上述背景技术的不足，提供一种适用于感潮水闸的橄榄型调蓄湖的布置方法。该方法能提高闸上河道(网)的排涝能力，降低上游河道(网)水位，保护闸前河道的防冲安全。
本发明提供的技术方案是：感潮水闸闸前橄榄型调蓄湖的布置方法，所述闸前橄榄型调蓄湖的设计参数按照以下公式确定：
S湖/S河＝0.0024q2-0.1049q+2.8551 (1)
S河＝LB (2)
θ＝sin-1(L/2/R) (3)
S湖＝LB+(4θπ/360-sin2θ)R2 (4)
式中：q为单宽流量(单位宽度流量)，m3/s.m；S河为与调蓄湖同等长度的河道面积；S湖为调蓄湖面积，包含该段河道面积；R为调蓄湖岸边线圆弧半径；B为河道宽度；L为调蓄湖所在的河道长度，可根据实际地块长度确定，L不小于5B，以在河道直线段内为佳；θ为调蓄湖两侧圆弧与半径所成夹角的一半。
调蓄湖5布置时，其上游连接翼墙6设置为圆弧(上游连接翼墙的水平面投影为圆弧)。
作为优选，上游连接翼墙6可设置反弧连接。
作为优选，调蓄湖所在的河道长度L，位于河道直线段内。
本发明的原理是：本发明中，水力学模型采用基于平面二维不可压缩雷诺(Reynolds)的纳维埃-斯托克斯(Navier-Stokes)浅水方程模型，研究在明确水闸设计流量、闸上河道宽度、河底及闸底高程等设计参数基础上开展。分析结果表明，闸前设置橄榄型调蓄湖后，上游河道内的水位能够明显降低，同时过闸的排涝流量也有所增大，闸上水位降低幅度与S湖/S河相关，呈开口向上的抛物线体型，因此，在相同单宽流量条件下，通过S湖/S河值变化及试算，可获取最低水位时的S湖/S河值(见图7)。之后，也对常规感潮水闸的单宽流量(7～25m3/s.m)进行系统分析，计算不同单宽流量下闸上最低水位对应的S湖/S河，并通过公式拟合单宽流量q与S湖/S河的相关性，联立几何运算公式，获得橄榄型湖泊布置的计算方法。其中L长度应不小于5倍以上河宽，以在直线段河道内为佳，避免不对称入流造成的回流。综上，采用该方法可利用拟定的最大排涝流量Q、河道宽度B，计算出感潮水闸闸前橄榄型湖泊的最优布置形式。
本发明的有益效果是：本发明提出了感潮水闸闸前设置橄榄型湖泊及计算方法，通过该方法得到的闸前橄榄型湖泊方案可显著提高闸上河道(网)的排涝能力，降低上游河道(网)水位，保护闸前河道的防冲安全，是区域水网规划设计的一种新思路及方法，可为水网建设中快速排涝提供关键技术支撑。
附图说明
图1为常规水闸的结构布置图。
图2为常规水闸闸上河道冲刷前后横断面图。
图3为闸前橄榄型调蓄湖工程布置示意图。
图3-1为上游连接翼墙6采用反弧连接示意图。
图4为平面布置形式公式推导流程图。
图5为模型范围示意图。
图6为单宽流量q＝15m3/s.m时闸上河道面积与调蓄湖面积比S湖/S河关系图。
图7为沿程洪水位变化方案对比图。
图8为调蓄湖段流场图。
图9为调蓄湖面积比与单宽流量关系拟合曲线图。
具体实施方式
以下结合附图进一步说明本发明。
本发明所述技术方案，经过以下步骤(流程见图4)推导获得：
步骤一，获取设计参数
根据浙江温州某水闸的布置，河道宽度B取55m，闸室净宽b为35m，河底高程为0m，闸室下游潮位ht取平均低潮位2m，闸室过流为自由出流。
步骤二，选择水力学分析模型
水力学分析可采用平面二维(三维)数学模型或水工物理模型，考虑计算的便利性，选用平面二维数学模型进行分析，模型下游边界至闸下100m范围，上游边界至闸上2.5km，符合常规计算要求，模型范围及网格布置见图5。
步骤三，确定在相同单宽流量下，最低水位对应的S湖/S河(S湖为调蓄湖面积、S河为河道面积)
本次计算先取单宽流量q＝15m3/s.m，调蓄湖长度L＝10B，计算分析S湖/S河为1.0、1.5、2.0、3.0、4.0、5.2时的闸上水位，拟合获取最低水位对应的S湖/S河，拟合曲线见图6。计算也表明，通过改变调蓄湖体型，能够改变闸上河道的沿程最高洪水位(见图7)；最低水位对应的S湖/S河布置调蓄湖内也未出现回流(见图8)。
步骤四，获取不同单宽流量与最优S湖/S河相关公式
继续计算单宽流量q为7、10、20、25m3/s.m时，闸上最低水位对应的S湖/S河值，拟合得到q-S湖/S河关系曲线(参见图9)及计算公式，公式见下式：
S湖/S河＝0.0024q2-0.1049q+2.8551
步骤五，计算获得调蓄湖其余布置参数R、θ值
按上一步得到的相关性公式计算S湖，并通过平面几何分析得到调蓄湖布置参数的圆弧半径R及夹角θ，公式如下：
S河＝LB
θ＝sin-1(L/2/R)
S湖＝LB+(4θπ/360-sin2θ)R2。
实施例1(浙江温州某水闸)
步骤一，获取水闸及上游河道设计参数，如流量Q＝350m3/s，河道宽度B为55m。计算得到单宽流量q＝10m3/s.m，调蓄湖长度L根据闸上河道实际情况取10B，则L＝550m。
步骤二，根据公式S湖/S河＝0.0024q2-0.1049q+2.8551，计算得到S湖/S河＝2.0461，因S河＝LB＝30250m2，因此S湖＝61895m2，通过联解式θ＝sin-1(L/2/R)、S湖＝LB+(4θπ/360-sin2θ)R2，得到R、θ值，确定调蓄湖布置体型如下：
q＝10m3/s.m
S河＝LB＝30250m2
S湖＝61895m2
R＝902m
Θ＝17.05°
L＝550m。
获得的调蓄湖平面图见图8。
经测算，设置调蓄湖后，相对闸上顺直河道方案，调蓄湖中段最大流速可由顺直河道的2.04m/s降低至1.08m/s，降幅约50％；开闸初期闸前水位降幅减少0.5m以上，排涝稳定后闸上水位抬高约0.05m/s。
因此，调蓄湖方案能够显著降低闸前河道的流速，减少闸上冲刷对水闸两侧堤防及水闸自身基础稳定安全的影响；其次，调蓄湖方案还削弱了开闸初期闸上水位降幅，提高了排涝稳定后闸上的控制水位，能在一定程度上提高水闸及闸上河网的排涝能力，降低灾害影响。
尽管已结合优选的实施案例描述了本发明，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，能够对在这里列出的主题实施各种改变、同等物的置换和修改，因此本发明的保护范围当视所提出的权利要求限定的范围为准。

Claims (4)

1.感潮水闸闸前橄榄型调蓄湖的布置方法，所述闸前橄榄型调蓄湖(5)的设计参数按照以下公式确定：
S湖/S河＝0.0024q2-0.1049q+2.8551 (1)
S河＝LB (2)
θ＝sin-1(L/2/R) (3)
S湖＝LB+(4θπ/360-sin2θ)R2 (4)
式中：q为单宽流量，m3/s.m；S河为与调蓄湖同等长度的河道面积；S湖为调蓄湖面积，包含该段河道面积；R为调蓄湖岸边线圆弧半径；B为河道宽度；L为调蓄湖所在的河道长度，可根据实际地块长度确定，L不小于5B，；θ为调蓄湖两侧圆弧与半径所成夹角的一半。
2.根据权利要求1所述的感潮水闸闸前橄榄型调蓄湖的布置方法，其特征在于：调蓄湖布置时，其上游河道连接翼墙(6)设置为圆弧。
3.根据权利要求2所述的感潮水闸闸前橄榄型调蓄湖的布置方法，其特征在于：上游连接翼墙设置反弧连接。
4.根据权利要求3所述的感潮水闸闸前橄榄型调蓄湖的布置方法，其特征在于：调蓄湖所在的河道长度L，位于河道直线段内。
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