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东湖新沟闸的设计

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东湖新沟闸的设计
 
本课题的研究现状、研究目的及意义
一 选题的背景、意义
1.1背景
武汉市“大东湖”生态水网工程是建设武汉城市圈“两型”社会的重大项目。“大东湖”生态水网跨武昌区、青山区、洪山区、东湖新技术开发区和东湖生态旅游风景区,区域内国土面积436km2,区域湖泊汇水面积376km2,是以全国最大的“城中湖”——东湖为中心,以东沙湖水系、北湖水系、15条港渠组成的江、湖、港、渠庞大水网。该工程2009年正式启动,在2011年—2013年,打通大东湖水网的连通渠,除了6湖连通外,还有一些小湖泊也进行连通,仅武昌区域内连通的湖泊达到10多个[1]。2014年至2019年是“大东湖”生态水网的生态修复期,目的是使城区内的主要湖泊恢复到东湖自然生态。
在“大东湖”生态水网工程中,水闸是必不可少的低水头水工建筑,具有挡水泄水的双重作用。随着“大东湖”生态水网在调节城市生态环境中作用的逐渐凸显,东湖水系的水位控制与调节成为这其中重要的任务。节制闸是“大东湖”生态水网中的水闸类型之一,用以调节流量和水位。它主要是用于在枯水期截断河流,从而使水位升高,这样就可以在上游进行航运或者是满足进水闸取水的需要[2]。而在洪水期,节制闸可以有效的控制下游的泄流量。有了节制闸后,“大东湖”生态水网中的水量浪费就能够得到缓解。
 
1.2 意义
针对武汉市“大东湖”生态水网特点,在原有新沟渠工程的基础上设计建造一座节制闸,在不损害其周围环境的前期下,提高现有工程的灌排、调节功能,通过建造源头减排、渠道提标、防洪除险、和加强应急管理相结合的排水防洪体系,实现小雨不外排,大雨不积水,暴雨不内涝的排水防洪目标和实时调节水位的功能,保护人民群众生命和财产安全,提高城市功能现状,保护自然和城市的生态环境。
同时,研究以工程的可操作性为前提,以有关书籍和规范为依据,以实际工作经验为参考,通过设计方法、规范设计流程,形成了操作性较强的东湖新沟闸设计导则,为水闸设计人员提供了纲领性的资料。
 
二 相关研究的现状和发展趋势
闸门可以打开全部或部分闸门孔来调节上下游水位和流量,合理选择闸门开启方式不仅可以提供更好的水流流态,而且还可以保证水工结构的安全运行。关于水闸的设计研究,通过查询国内文献可知,水闸设计中常用的设计资料天津大学林继镛主编的《水工建筑物》[3]、水利部水利水电规划设计总院主编的《水工设计手册(第2版)》[4]全书针对水利建筑物不同类别,分别论述了各类建筑物主要部位的概念性设计方法。以上文献,论述水闸设计时,都选取了大中型水闸的主要部位,很难兼顾中小型水闸以及水闸所有部位的设计。
还有专门针对水闸不同部位比如水工挡土墙、钢筋混凝土结构、钢闸门等设计的文献。常见的有《水闸设计规范》[5],这类规范性质的文献的特点是只论述设计要求,很少介绍具体设计方法,所以实际水闸设计总要配合使用《水闸》、《水利水电工程钢闸门设计规范》[6]、《水工混凝土结构设计规范》[7]、《水工挡土墙设计规范》[8]、《水工钢筋混凝土结构学》[9]等资料文献。以上文献是水闸设计的重要依据。设计人员在实际设计时,不能进行直接参考,需要设计人员有较强的理解能力、归纳能力、丰富的工程经验,从不同各类文献中提取所需要的东西。例如某类文献中只是提到消力池设计、沉降量计算、挡土墙设计的有关公式,但是具体操作步骤需要设计人员自己总结。
另外,还有针对水闸设计中力学计算、动态评估等方面的研究,例如黄智敏提出了一种优化溢流堰的方法,对龙船厂航电枢纽泄洪闸进行水力模型试验,确保工程的安全运行;后期对船闸的位置也进行了优化,以对应泄洪闸的泄流能力和船闸的通航要求[10]。邱春等用数值计算方法模拟了三维流态在圆弧闸门开启的动态过程中的变化,并把闸门后水面线等计算结果与试验结果进行对比,吻合良好,验证了数值方法的可靠性[11]。陈亮等对某低水头水闸的设计和试验资料相结合,对水闸消力池内的三维流道进行数值计算,得到水闸相应的水力特性和物模的实测值较为一致[12]。周通对某水电站泄洪洞后的水工闸门进行了数值计算研究,优化计算了闸门的最优体形以及相应的结构参数,并通过模型试验对计算结果进行了验证。
国外文献中关于水闸设计的也不在少数。例如《Building Code  Requirements  for  Structural  Concrete  and  Commentary(ACI318-11)》、《Design of concrete structures-Part 1(Eurocode 2)》、《Structural Use of Concrete Part 1(BS 8110)》[13-15]、《Reinforced Concrete Structures Park r. and Paulay t》[16]等,都对水闸结构设计提出了设计要求及计算公式,却没有针对水闸这类建筑物,进行详细的阐述,因此加大了使用这类文献的困难。另外在使用国外文献时,往往会遇到不同计算单位之间的转换,较为复杂。要说明的是,在设计国内水闸时,一般要求要使用国内的有关规范文献。国外文献中还有诸多涉及水闸可靠性论证的研究,例如SejeCarlsten,Sam Johansson,VK.Karastachis等人对水闸的在役混凝土结构基础检测技术进行了研究[17-19];M.M.AIam,M.N.Bhutta, Eric Xechner,  WalterJ.Frielingsdorf等人研究了水闸的渗漏问题,建立了新的水量渗漏计算模型[20]。Therese P.McAllister和Bruce R.Ellingwood对水闸的裂缝发展进行了研究,并根据许多实际情况建立了一种能预测裂缝发展的模型[21-22]
 
课题类型:
(1)A—工程实践型;B—理论研究型;C—科研装置研制型;D—计算机软件型;
E—综合应用型
(2)X—真实课题;Y—模拟课题;
(1)、(2)均要填,如AY、BX等。

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