排水闸的规划计算
排水闸的规划计算任务是确定排水闸闸底高程、闸孔宽度和闸顶高程等。排水闸闸孔尺寸的大小与闸底高程有关,为了阐述方便,先从确定闸底板高程开始。
1.闸底板高程的确定
闸底板高程主要根据排水闸的任务来确定。从满足排空内湖涝水或满足远处低洼农田降低地下水位的要求而言,闸底板高程可以与闸前排水干沟的沟底高程齐平。而闸前沟底高程可由最远处低洼农田田面高程并考虑降低地下水深度、各级沟道比降i和局部水头损失Δz等逐级推算而得,如图9-8所示。

图9-8 排水闸底板高程推算示意图
在最后选定闸底板高程时,还需结合闸孔宽度一并考虑。这是因为在排涝流量一定的情况下,如果底板高程定得低一些,闸前的水深H就大,过水能力也大,因此闸孔宽度就可以减小;反之,底板高程定得高一些,闸孔宽度就要大些。此外,还要注意闸基地质情况,避免由于闸底开挖过深而导致施工上的困难。
2.闸孔宽度的确定
平原地区排水闸有以下两方面的排涝任务:一是抢排汛期涝水,即当汛期外江(河)水位短期回落、区内涝水有可能自流外排时,应尽量抓紧时机将涝水抢排出去;二是在汛后排除涝水,在有蓄涝内湖的情况下,应使内湖水位在一定时间内降低到规定高程。闸孔宽度应根据上述两项排涝流量设计。但在实际上,由于汛期抢排任务比较紧迫,时间性强,抢排任务总是大于汛后排涝任务,所以排水闸的闸孔宽度主要是按汛期抢排流量确定的。
根据有无蓄涝湖泊(或洼地),计算闸孔宽度的途径可分以下两种:
(1)无湖泊(或洼地)蓄涝的情况。有些平原地区缺乏蓄涝内湖(或洼地)或者虽有蓄涝内湖,但容积较小,滞蓄作用不大。在这种情况下,由于暴雨所产生的全部涝水要求在规定时间内(即作物允许耐淹时间内)及时地排走,故当外江水位高于内河水位时,应采取提水排水;而当汛期外江水位短期回落,内涝积水有可能自流外排时,则应尽量争取抢排。排水闸的闸孔宽度,应根据一次暴雨所产生的设计排涝流量(抢排流量)和相应的闸上、下游水位计算确定。在抢排情况下,闸上、下游水位差较小,过闸水流状态一般为宽顶堰淹没出流,故闸孔净宽度B可按下式计算:

式中 σs——宽顶堰淹没系数;
ε——侧收缩系数;
m——宽顶堰流量系数;
φ——流速系数;
z0——闸上、下游水头差(H0-h)。(https://www.daowen.com)
必须指出,按水利计算求得的闸孔宽度,还必须根据水工建筑物的要求(结构及闸下消能等)对其单宽流量进行校核,以便最后确定闸孔尺寸。
(2)有湖泊滞蓄的情况。长江中下游有些地区湖泊容积较大,在确定这些地区的排水闸设计流量和相应的闸孔尺寸时,就需要考虑湖泊的滞蓄作用,进行蓄涝、排涝演算。通过蓄涝、排涝演算,并可同时确定或校核湖泊的最高蓄涝水位。
关闸期内湖蓄水过程可按下列水量平衡方程式计算:

式中 Vt、Vt+1——任一时段初及时段末内湖蓄水量,万m3;
ΔV——在时段Δt内,入湖水量(自农田排入湖中的水量及降落在湖面上的雨量)与出湖水量(湖泊水面蒸发量和自湖泊取用的灌溉水量以及提排水量等)之差;
Δt——计算时段;
Qt——时段初排水闸的排水流量;
Qt+1——时段末排水闸的排水流量;
R——时段内湖泊集水面积(包括湖泊本身)上由降雨产生的径流量。
如果按式(9-6)逐时段进行计算,即可得出湖泊蓄水量的变化过程,再根据湖泊水位-容积关系曲线,可以得出相应的湖水位过程线。这样一直计算到湖水位与外江水位相平为止,此时湖泊水位亦即最高蓄水位。此后外江水位将低于湖泊水位,即可开闸排水。以上就是湖泊蓄涝演算的过程。
开闸排水过程的计算,属于排涝演算的内容。它的目的是确定排水闸闸孔的尺寸或校核已建排水闸是否能满足排涝要求。通过排涝演算确定排水闸闸孔宽度,一般总是首先初步选定某一闸孔宽度,然后进行排涝演算,如果选定的尺寸不能满足排涝要求,就需再行选定,直至满足排涝要求为止。
3.闸顶高程的确定
排水闸闸顶高程应根据排水闸所在河段的防洪标准确定:
闸顶高程=设计洪水位+风浪高+安全超高
一般不得低于两侧原有堤防的堤顶高程,有时还应考虑河道洪水位的可能抬高值(如淤积、联圩等)。至于挡潮排水闸的规划计算,其任务要求基本上与一般排水闸相同,只是它位于感潮地区,受潮汐影响很大,因此水利计算应按不恒定流理论进行,并应考虑潮汐对于关闸壅高的影响等。