一种水资源高效利用的生态型水库联通水闸及其调度方法

技术领域

本发明涉及一种水资源高效利用的生态型水库联通水闸及其调度方法，属于水利工程的技术领域。

背景技术

由于建城区占比大，现状雨污分流率及规划雨污分流率情况下入库污染总量非常大，面源污染对城市河道水质的污染会随着市政污水收集率的提高而逐渐显现出来。因此，面源污染对河道及水库的污染是一个不可回避的现实问题，对面源污染的控制十分必要。饮用水源地水库水质不稳定，主要是由于入库河道水质不达标所致。环保部门对于饮用水源水库保护力度逐渐加大，相关考核要求更加严格。目前水库采样及考核断面均处于供水管道取水口处，其水质情况较其他区域良好，水库水质考核断面的变化，包含入库支流河道位置均将包含在内，入库河道水体水质不达标的情况将会更加严重。

初期雨水的污染物浓度含量高，水质差，不满足直接进入水库，因此这部分初雨需要经过处理后排放。通过在入库支流一定范围内建立生态坝，将水库隔成主水库和生态型水库。主水库保留原水源地取水功能，生态型水库通过湿地建设将初期雨水净化后通过管道或渠道达标排放至下游河道，对下游河道进行生态补水，从而实现水资源高效利用。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明公开了一种水资源高效利用的生态型水库联通水闸及其调度方法，其具体技术方案如下：

一种水资源高效利用的生态型水库联通水闸，所述生态型水库联通水闸设置于主水库和生态型水库的生态堤坝内，打开水闸时，联通主水库和生态型水库，关闭水闸时，隔断主水库和生态型水库之间的水源联通，包括竖直挖设在生态堤坝中的闸室，闸室横穿过生态堤坝，联通主水库和生态型水库，所述闸室内宽度方向中间设置闸墩，所述闸墩两侧与各自对岸之间形成水闸过水通道，所述水闸过水通道内设置有可垂直升降的闸门，所述闸室朝向生态型水库一侧为上游，朝向主水库为下游，所述闸室的上游设置有朝向生态型水库延伸的引水明渠，所述闸室的下游设置有朝向主水库延伸的排水明渠，所述引水明渠和排水明渠的末端均设置有两侧弧形向外渐变的八字墙，所述引水明渠和排水明渠的中心线均成圆弧过渡的钝角弯折形状。

进一步的，所述生态堤坝的顶部设置有人行道，所述闸室段位于人行道下方，所述闸门位于闸室段的上游侧，所述生态堤坝靠近上游侧和下游侧均竖直设置有从坝顶到坝底的塑钢踏步。

进一步的，所述生态堤坝的上游和下游均设置成坡面，上游底部设置有上游护底段，下游底部设置有下游海漫段。

进一步的，所述闸门选用顶升式平面钢闸门，所述顶升式平面钢闸门无上部排架，不能全部脱槽，油缸和油封不易磨损，适用闸宽大于8m，小于15m。

进一步的，所述引水明渠和排水明渠的中心线朝向相反的方向弧形弯折。

进一步的，所述水闸过流能力满足以下条件：

取发生50年一遇或以上频率的洪水时的生态型水库内水位达到水位高度，带入下式计算，

其中,侧收缩系数

式中Q——过闸流量(m

b

H

hs——由闸底板算起的下游水深(m)，

g——重力加速度，可采用9.81(m/s

σ——堰流淹没系数，

m——堰流流量系数,平底闸m＝0.385，

d

b

计算得到水闸过流能力，若计算流量为>设计流量，则新建水闸满足过流要求。

进一步的，所述水闸闸室的稳定计算要符合以下条件：

闸室稳定计算包括抗滑稳定计算、基底应力计算及应力最大值与最小值之比的复核；

(1)工况选择

工况一，完建工况，闸上下游无水，

工况二，挡水工况，闸上游为主水库蓄水位为不低于50年一遇或以上频率的洪水水位高度时，下游无水；

(2)闸室基底应力计算

式中，P

∑G——作用在闸室上的全部竖向荷载(包括浮力和作用在基底上的扬压力，KN)，

∑M——作用在闸室上的全部竖向和水平方向荷载对于基础底面垂直于水流方向的形心轴力矩(KN·m)，

A——闸室基底底面的面积(m

G——闸室底面对于该底面形心轴的截面矩(m

(3)闸室抗滑稳定计算

式中：

kc——闸室抗滑稳定安全系数，

f——闸室基底面土质地基之间的摩擦系数，按水闸设计规范表，淤泥质地基f值可取为0.2，

∑G——作用在闸室上的全部竖向荷载(包括在基地上的扬压力，扬压力暂按未采用防渗措施的不利情况计算,单位：KN)，

∑P——作用在闸室上的全部水平荷载(KN)，

闸室段抗滑稳定安全系数以及最大最小基底应力之比均需满足《水闸设计规范》(SL265-2016)的要求。

一种基于水资源高效利用的生态型水库联通水闸的调度方法，水闸运行调度方案如下：水闸平时常关；下雨，当生态型水库水位上升至50年一遇或以上频率的洪水水位高度以上时，水闸开启；雨后，生态型水库水位降至50年一遇或以上频率的洪水水位高度以下时，水闸关闭；

汛期水库发生洪水时，主水库按照三级控泄进行调度，具体为：

(1)期来临之前，主水库需将水位下降至防汛限制水位，并且以此水位作为汛期控制水位，设计汛限水位为小于50年一遇或以上频率的洪水水位3-5m；

(2)当水库遭遇洪水后，如果主水库闸前水位小于等于小于50年一遇或以上频率的洪水水位0.6--1m，水库采用一级控泄，控泄流量50m

(3)如果采用一级控泄流量后主水库闸前水位仍然不断上升，当主水库闸前水位大于小于50年一遇或以上频率的洪水水位0.6--1m，但小于等于小于50年一遇或以上频率的洪水水位0.3--0.4m，主水库实施二级控泄，二级控泄流量100m

(4)如果采用二级控泄后主水库闸前水位仍然不断上升，当主水库闸前水位大于小于50年一遇或以上频率的洪水水位0.3--0.4m，但小于等于50年一遇或以上频率的洪水水位，主水库实施三级控泄，三级控泄流量120m

(5)当主水库闸前水位超过50年一遇或以上频率的洪水水位时，闸门全开敞泄。

进一步的，还包括生态型水库调度，生态型水库还连接有两个不同来向的二级生态水库，其中一个二级生态水库与其连接通道上设置1号水闸，1号水闸为生态型水库联通控制闸，水从二级生态水库，经由1号水闸进入该生态型水库，另一个二级生态水库与其连接通道上设置2号水闸，2号水闸为生态型水库排出闸，水从生态型水库经由2号水闸排出到该二级生态水库，称生态型水库和主水库之间的联通水闸为3号水闸，3号水闸即为权利要求1-7任一所述的水资源高效利用的生态型水库联通水闸，具体为：

工况一：旱季

来水为旱季漏排污水时，流域通过已建的沿河截污系统将污水提升至市政污水系统，不进入生态型水库；

工况二：7mm以下初雨

当发生7mm以下初雨时，流域通过已建的独立截污系统将7mm以下初小雨水通过隧洞转输至排洪渠，不进入生态型水库；或者通过截污系统及上游分散处理设施将7mm以下初雨弃流至市政污水系统，不进入生态型水库；

工况三：7mm以上，50年一遇以下降雨

当发生7mm以上，50年一遇以下降雨且气象部门发布黄色及以上暴雨警报，通过控制1号水闸的开度将生态型水库内水位控制在汛限水位1，通过控制2号水闸的开度将生态型水库内水位控制在汛限水位2，3号水闸的开度关闭；若气象部门未发布黄色及以上暴雨警报，通过控制1号水闸的开度将生态型水库内水位控制在景观水位1，通过控制2号水闸的开度将生态型水库内水位控制在景观水位2，3号水闸关闭；

工况四：50年一遇以上降雨

当发生50年一遇以上降雨时，1号水闸及2号水闸关闭，二级生态水库内洪水超过控制水位后翻过溢流坝坝顶进入生态型水库，3号水闸开启，生态型水库内洪水进入主水库，经主水库调蓄后下泄。

进一步的，所述汛限水位1大于汛限水位2，景观水位1大于景观水位2。

通常情况下，景观水位高于汛期水位。景观水位1大于汛限水位1，景观水位2大于汛限水位2。

本发明的有益效果是：

本发明中生态型水库具有初期雨水或者生活直排污水的净化作用，与主水库处于隔离状态。水闸合理调控和调度作用在于在泄洪过程中，将后期雨水排至主水库，起到有效的泄洪、排洪作用，以及储蓄生活用水的作用，既能保障了饮用水源地的水质安全，也能让初期雨水或者生活直排污水相互联通并自然净化处理，使得水源型和水质型缺水城市的水资源得到高效利用。

附图说明

图1是本发明的水闸平面布置图，

图2是本发明的水闸纵剖面图，

附图标记列表：1—闸墩，2—闸室，3—检修爬梯，4—引水明渠，5—八字墙，6—人行道，7—闸门，8—塑钢踏步。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

结合附图1-2可见，本发明为设置于主水库和生态型水库的之间的生态堤坝内的生态型水库联通水闸。打开水闸时，联通主水库和生态型水库，关闭水闸时，隔断主水库和生态型水库之间的水源联通。具体结构为：闸室2横穿过生态堤坝，联通主水库和生态型水库，闸室内宽度方向中间设置闸墩1，闸墩两侧与各自对岸之间形成水闸过水通道，水闸过水通道内设置有可垂直升降的闸门。闸墩1的两侧以及水闸过水通道与岸边的地方均设置有检修爬梯3，用于人工检修攀爬使用。以及闸室朝向生态型水库一侧为上游，朝向主水库为下游，闸室的上游设置有朝向生态型水库延伸的引水明渠，闸室的下游设置有朝向主水库延伸的排水明渠，引水明渠4和排水明渠的末端均设置有两侧弧形向外渐变的八字墙5，引水明渠和排水明渠的中心线均成圆弧过渡的钝角弯折形状。引水明渠和排水明渠的中心线朝向相反的方向弧形弯折。实现上游和下游的水流缓冲。

生态堤坝的顶部设置有人行道，闸室段位于人行道6下方，闸门7位于闸室段的上游侧，生态堤坝靠近上游侧和下游侧均竖直设置有从坝顶到坝底的塑钢踏步8。

生态堤坝的上游和下游均设置成坡面，上游底部设置有上游护底段，下游底部设置有下游海漫段。

闸门选用顶升式平面钢闸门，顶升式平面钢闸门无上部排架，不能全部脱槽，油缸和油封不易磨损，适用闸宽大于8m，小于15m。

下面结合一个具体实施例来说明本发明在实际工程中的应用。

以广东省深圳市宝安区饮用水源地水库为例，展开本专利方法的应用介绍：

步骤一：水闸选址

本次根据生态型堤防布置以及周边地形条件，提出三处闸址比选方案：

方案一，位于生态型堤防中轴处，该处进出闸水流形态较顺直，施工空间足够，但在填筑土石的生态堤上建闸，对水闸地基处理要求高，在使用中产生沉降较大，且费用较高；

方案二，位于生态型堤防右岸处，该处临近主水库取水口，会对取水口构筑物造成影响，而且与生态型水库进水闸同侧，相互也会造成影响，施工空间足够，造价较低。

方案三，位于生态型堤防左岸处，该处地势较缓，施工空间足够，造价较低。

综上，故通过初步水闸选址比选，本次水闸选址位于生态堤左岸处。

步骤二：闸型比选

根据水闸的功能要求，结合闸址地形、地质条件，选定了“直升式平面钢闸门+固定卷扬机”、“顶升式平面钢闸门+柱塞式液压启闭机”和“中轴旋卧翻板闸门”三种闸型进行比选，设计对以上三种闸型综合考虑投资、运行管理、维护、行洪及景观等因素进行详细比选，以确定本工程最优门型。

上述三种方案优缺点比较详见下表。

表1闸型方案比较表

综合比较上述各种闸型优缺点，考虑本水闸规模、景观效果、功能需求，以及经济合理性，拟选顶升式平面钢闸门做为本工程推荐方案。

步骤三：水闸结构布置

设于生态堤坝左岸处，水闸尺寸为2孔6.0×3.0m，闸室长18m，闸底高程为26.5m，闸墩顶高程为30.62m。闸室上游设引水明渠长37.9m，渠宽为13.5m，渠底高程为26.5m，进口设渐变弧形八字墙。闸室下游设置排水明渠长31.30m，渠宽为13.5m，渠底高程为26.5m，出口设渐变弧形八字墙。

步骤四：水闸过流能力复核

当发生50年一遇或以上频率的洪水(即生态型水库内水位达到28.0m)时，水闸开启，连通生态型水库和主水库。经过调洪演算，当生态型水库内水位达到28.91m时，要求水闸最大过流流量不小于71.64m

其中,侧收缩系数

式中Q——过闸流量(m

b

H

hs——由闸底板算起的下游水深(m)

g——重力加速度，可采用9.81(m/s

σ——堰流淹没系数

m——堰流流量系数,平底闸m＝0.385

d

b

由于行进流速很小，本次计算忽略不计，堰上水头H＝Ho，则hs/H＝0.6/2.03＝0.3<0.8,判断为自由出流，则σ＝1.0。水闸过流能力计算结果如下：

表2水闸过流能力计算成果表

由上表可知，计算流量为74.62m

步骤五：闸室稳定计算

本次闸室稳定计算包括抗滑稳定计算、基底应力计算及应力最大值与最小值之比的复核。

(1)工况选择

工况一，完建工况，闸上下游无水；

工况二，挡水工况，闸下游为主水库蓄水位28.7m，下游无水。

(2)闸室基底应力计算

闸室基底的应力P

式中，P

∑G——作用在闸室上的全部竖向荷载(包括浮力和作用在基底上的扬压力，KN)

∑M——作用在闸室上的全部竖向和水平方向荷载对于基础底面垂直于水流方向的形心轴力矩(KN·m)

A——闸室基底底面的面积(m

G——闸室底面对于该底面形心轴的截面矩(m

(3)闸室抗滑稳定计算

闸室稳定计算采用按《水闸设计规范》计算：

式中：

kc——闸室抗滑稳定安全系数；

f——闸室基底面土质地基之间的摩擦系数，按水闸设计规范表，淤泥质地基f值可取为0.2；

∑G——作用在闸室上的全部竖向荷载(包括在基地上的扬压力，扬压力暂按未采用防渗措施的不利情况计算,单位：KN)

∑P——作用在闸室上的全部水平荷载(KN)

经计算，各种荷载组合，闸室基底压应力、抗滑安全系数分别见下表。

表3闸室结构计算成果表

由上表知，闸室段抗滑稳定安全系数以及最大最小基底应力之比均满足规范要求。根据地质勘探成果，本结构底板底处于粉质粘土层，该土层的地基承载力为110kPa，大于基底最大应力。

步骤六：水闸、主水库及生态型水库调度

水闸调度

在生态堤坝上设置联通闸，保证生态型水库与主库能相互联通，一同发挥调蓄功能。平时，水闸常关，确保发生50年一遇以下频率的洪水时分隔主水库与生态型水库内水体；当发生50年一遇或以上频率的洪水时，水闸开启，连通主水库与生态型水库，共同发挥水库调蓄功能。

根据水闸功能，水闸运行调度方案如下：水闸平时常关。下雨，当生态型水库水位上升至28.0m时，水闸开启。雨后，生态型水库水位降至28.0m时，水闸关闭。

主水库调度

汛期水库发生洪水时，主水库按照三级控泄进行调度，具体是：①汛期来临之前，主水库需将水位下降至防汛限制水位，并且以此水位作为汛期控制水位，设计汛限水位为25.45m；②当水库遭遇洪水后，如果主水库闸前水位小于等于28.10m，水库采用一级控泄，控泄流量50m

生态型水库调度

工况一：旱季

来水为旱季漏排污水时，流域通过已建的沿河截污系统将污水提升至市政污水系统，不进入生态型水库。

工况二：7mm以下初雨

当发生7mm以下初雨时，流域通过已建的独立截污系统将7mm以下初小雨水通过DN1800隧洞转输至排洪渠，不进入生态型水库；也可以通过截污系统及上游分散处理设施将7mm以下初雨弃流至市政污水系统，不进入生态型水库。

工况三：7mm以上，50年一遇以下降雨

当发生7mm以上，50年一遇以下降雨且气象部门发布黄色及以上暴雨警报，通过控制1号水闸将生态型水库内水位控制在22m汛限水位，通过控制2号水闸将生态型水库内水位控制在21m汛限水位，3号水闸关闭；若气象部门未发布黄色及以上暴雨警报，通过控制1号水闸将生态型水库内水位控制在22.5m景观水位，通过控制1号水闸将生态型水库内水位控制在21.5m景观水位，3号水闸关闭。

工况四：50年一遇以上降雨

当发生50年一遇以上降雨时，1号水闸及2号水闸关闭，3号水闸开启，生态型水库内洪水超过控制水位后翻过溢流坝坝顶进入主水库，经主库调蓄后下泄。

步骤七：下游河道生态补水的影响分析

1)目前，工程建设应立足于现状，以充分利用上下游河道已有设施为基础，确保水库水质达标。

2)基于第一条原则，近期，在上游河道综合整治不彻底、现有临时补水措施发挥作用的情况下，应通过生态型水库的建设，为可能的生态补水河道提供补水水源，为后期河道补水规划等相关规划的修编创造条件；远期，在临时补水措施废除后，相关河道应结合修编后的补水规划，通过新建管道或利用已有管道，从本工程生态库取水并对相关河道进行补水。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。