淺談城市治水中的排澇泵站重建設(shè)計(jì)

曾維杰

(廣東省水利電力勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510170)

城市內(nèi)河涌整治過程中往往會修建配套排澇泵站，此類型泵站往往規(guī)模不大，但對片區(qū)防洪排澇起到關(guān)鍵性作用，配套城中村魚塘起到一個(gè)蓄水排澇的重要作用。

1 工程概況

廣州市細(xì)陂河下游左岸榕村東聯(lián)學(xué)校附近的小泵站重建設(shè)計(jì)屬于廣州市黃埔區(qū)細(xì)陂河綜合整治工程?，F(xiàn)狀小泵站位于魚塘上，設(shè)計(jì)流量為0.25 m3/s。由于泵站的設(shè)計(jì)流量偏小，近幾年經(jīng)常遇到泵站無法快速排出澇水，導(dǎo)致魚塘的澇水漫過附近的道路或者倒灌進(jìn)村民房子里的情況，并且，目前水泵老化嚴(yán)重，常出現(xiàn)運(yùn)行故障，泵房破舊。因此需要重建細(xì)陂河泵站，并重新計(jì)算泵站的規(guī)模。

按《廣東省防洪(潮)標(biāo)準(zhǔn)和治澇標(biāo)準(zhǔn)(試行)》(粵水電總字[1995]4號)[1]及廣東省人民政府《關(guān)于廣州市防洪(潮)規(guī)劃的批復(fù)》(粵府函[1998]51號)[2]確定，東聯(lián)學(xué)校附近的小泵站的排澇標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇24小時(shí)暴雨不成災(zāi)。

2 泵站選址

泵站選址方案一：因?yàn)楹灯诤汪~塘水放干之后，需要從細(xì)陂河引水至魚塘，所以保留該閘，并且為了避免重建泵站出水管和水閘出水口的交錯(cuò)布置，泵站的重建位置位于在舊泵房西側(cè)，泵房擋土墻與現(xiàn)狀水閘連接。

泵站選址方案二：拆除舊泵站，在舊址上重建泵房。

泵站選址方案三：工程實(shí)際開工后，由于原河岸兩側(cè)有部分堤岸進(jìn)行房屋加建，若按照方案一、方案二選址，排水鋼管將曲折繞行房屋，經(jīng)參建單位與當(dāng)?shù)卮逦M(jìn)行相關(guān)協(xié)調(diào)，將泵站選址于魚塘西南角，該選址可便于排水鋼管鋪設(shè)，沿途無需經(jīng)過民屋，與細(xì)陂河直線距離最短，可直線連通至細(xì)陂河，且施工作業(yè)場地寬闊，地質(zhì)復(fù)探符合要求。

故最終以方案三作為最終選址。

3 泵站流量、特征水位、運(yùn)行方式的設(shè)計(jì)

3.1 泵站設(shè)計(jì)流量

根據(jù)1∶500地形圖，泵站的排澇面積為0.0513 km2，其中魚塘水面0.0111 km2，草地0.0066 km2，建筑道路0.0336 km2。

泵站排澇流量計(jì)算公式：

式中：Q為設(shè)計(jì)排水流量，m3/s；F1為水田面積，取值為0 km2；F2為旱地面積，0.0402 km2；F3為河湖面積，0.0111 km2；h1、h2為水田、河湖調(diào)蓄深度，h1取值為0 mm，h2取值2500 mm；P為設(shè)計(jì)暴雨，取值286 mm；Φ為旱地暴雨徑流系數(shù)0.59；T、N為抽排時(shí)間，T取值24 h、N取值1 d。

根據(jù)泵站排澇流量公式計(jì)算，計(jì)算泵站的流量為0.54 m3/s，本次設(shè)計(jì)泵站的設(shè)計(jì)流量取0.6 m3/s。

3.2 泵站特征水位

(1)進(jìn)水池水位

設(shè)計(jì)水位：以排水區(qū)內(nèi)部90%以上的地面不受澇的高程作為設(shè)計(jì)水位，經(jīng)分析采用2.0 m。

最高運(yùn)行水位：取按排水區(qū)允許最高澇水位的要求推算到站前的水位，經(jīng)分析采用2.5 m。

最低運(yùn)行水位：最低地面高程減去淹沒深度(0.5 m)，取1.5 m。

(2)出水池水位

防洪水位：取細(xì)陂河20年一遇洪水位，即采用4.36 m。

設(shè)計(jì)水位：若無實(shí)測資料，可取用5年一遇的水位作為設(shè)計(jì)水位，采用細(xì)陂河5年一遇洪水位3.44 m。

最高運(yùn)行水位：據(jù)泵站設(shè)計(jì)規(guī)范(GB/T 50265-97)[3]，從偏于安全考慮，排水泵站進(jìn)水池最高運(yùn)行水位采用細(xì)陂河10年一遇的水位3.88 m。

最低運(yùn)行水位：取細(xì)陂河歷年排水期最低水位的平均值，本工程可取泵站出水溝渠的渠底高程，即2.2 m。

泵站的設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 泵站設(shè)計(jì)參數(shù)列表

3.3 泵站運(yùn)行方式

本片的泵站承擔(dān)著周邊0.0513 km2范圍內(nèi)的排澇任務(wù)。由于周邊地區(qū)地勢低洼，匯水速度快，洪水有峰值大、匯流持續(xù)時(shí)間短的特點(diǎn)，所以在設(shè)計(jì)排澇工況下，當(dāng)魚塘的水位接近2.0 m時(shí)立即開泵排水，雖然及時(shí)開泵排水但是魚塘的水位還是會上升至2.5 m左右，之后水位降至2.0 m時(shí)關(guān)泵。

在枯水季節(jié)，維持魚塘水位在2.0 m左右；在汛期，魚塘的水位可適當(dāng)降低0.2 m左右，為了本區(qū)的排澇更安全，可以結(jié)合天氣預(yù)報(bào)，在大暴雨到來之間，可以提前開泵預(yù)排，使魚塘水位降至1.5 m～1.6 m，騰空魚塘的容積來調(diào)蓄洪水，可以有效減少本區(qū)的排澇壓力。

4 泵站抗滑及地基應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》，設(shè)計(jì)荷載組合分為正常情況和非正常情況兩類。泵房基底應(yīng)力計(jì)算分為以下三種情況考慮：①工況一，完建期(無水)；②工況二，設(shè)計(jì)工況(魚塘側(cè)水位2.0 m，河涌水位3.44 m)；③工況三，校核工況(魚塘側(cè)水位2.5 m，河涌水位3.88 m)。

計(jì)算成果見表2。

表2 泵房抗滑及基礎(chǔ)應(yīng)力成果表

從上述計(jì)算可知：泵站的抗滑穩(wěn)定和抗浮穩(wěn)定滿足要求。

泵房地基允許承載力按照下列公式進(jìn)行計(jì)算：

[R1/4]=NBγBB+NDγDD+NCC

式中：[R1/4]為限制塑性區(qū)開展深度，為泵房基礎(chǔ)底面寬度的1/4時(shí)的地基允許承載力，kPa；B為泵房基礎(chǔ)底面寬度，按基礎(chǔ)短邊計(jì)，本工程取值為4.6 m；D為泵房基礎(chǔ)埋置深度，m，本工程取值為0；C為地基土粘結(jié)力，kPa，本工程取值為140；γB為泵房基礎(chǔ)底面以下土的重力密度，kN/m3，地下水位以下取有效重力密度，本工程取值為1.65；γD為泵房基礎(chǔ)底面以下土的加權(quán)平均重力密度，kN/m3，地下水位以下取有效重力密度，本工程取值1.6；NB、ND、NC為承載力系數(shù)，本工程取值分別為0.014、1.056、3.229。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，[R1/4]為452.16。

泵站地基處理擬采用400 mm×400 mm砼預(yù)制方樁，樁長14 m，間距1 m，平行布置。復(fù)合地基承載力2350 kPa≥4[R1/4]=1808.64。滿足設(shè)計(jì)要求。

5 水泵機(jī)組的選擇

5.1 泵站揚(yáng)程初步計(jì)算

根據(jù)泵站初步布置，初步計(jì)算泵站揚(yáng)程見表3。

表3 泵站揚(yáng)程初步計(jì)算表

泵站出水口最低運(yùn)行水位低于泵站進(jìn)水口最高運(yùn)行水位，故泵站最低凈化揚(yáng)程為0。

5.2 泵型選擇

根據(jù)細(xì)陂河排澇泵站上述設(shè)計(jì)參數(shù)(流量、揚(yáng)程特點(diǎn)：流量相對較大，而揚(yáng)程較低)和工程周邊環(huán)境，泵型應(yīng)選用軸流泵，泵型宜采用立式安裝或潛水泵立式安裝，不宜采用臥式安裝或貫流泵?？紤]到防止水泵被雜物堵塞，水泵口徑宜大不宜小，因此細(xì)陂河排澇泵站采用2臺機(jī)組，選用2臺350QZB-125立式潛水軸流泵。

5.3 水泵型號校核

重新計(jì)算水力損失、揚(yáng)程校核后，細(xì)陂河排澇泵站泵型特性見表4。350QZB-125泵型性能曲線圖見圖1(圖中標(biāo)示工況點(diǎn)同表4相對應(yīng))。

▲——設(shè)計(jì)工況，■——最高揚(yáng)程工況

表4 細(xì)陂河排澇泵站泵型特性表

最高校核揚(yáng)程工況下功率校核：細(xì)陂河排澇泵站單泵軸功率N泵=ρQHg/η=1×0.296×5.3×9.81÷0.76≈20.2 kW。

細(xì)陂河排澇泵站單泵需配用電機(jī)功率N機(jī)=N泵/η機(jī)×K安=20.2÷0.87×1.10≈25.5 kW。

其中η機(jī)=0.87，K安=1.10。

按照電機(jī)的功率系列，細(xì)陂河排澇泵站配用電機(jī)功率為30 kW，泵站總裝機(jī)功率60 kW。

6 泵站的布置

6.1 安裝高程

細(xì)陂河排澇泵站內(nèi)涌進(jìn)水側(cè)最低運(yùn)行水位為1.5 m，350QZB-125泵型進(jìn)水口淹沒深度要求0.8 m，考慮到進(jìn)水坡降和安全裕量約0.30 m，故確定細(xì)陂河排澇泵站水泵進(jìn)水口高程1.5-0.8-0.30=0.4 m。

6.2 進(jìn)出水流道

350QZB-125泵型進(jìn)水口懸空高度為0.35 m，則進(jìn)水流道底板高程為0.4-0.35=0.05 m；根據(jù)進(jìn)水流速確定機(jī)組進(jìn)水流道寬度為1.50 m。

由于細(xì)陂河排澇泵站附近地面高程在3 m左右，出水管高程不宜太高，否則將抬高泵站頂?shù)母叱蹋绊懼苓吘坝^，出水管高程還應(yīng)考慮井筒內(nèi)電機(jī)的高度對水泵出水的影響，推薦出水管中心線高程為2.50 m。

細(xì)陂河排澇泵站出水拍門推薦采用DN400 mm的復(fù)合材料拍門。

6.3 機(jī)組布置

地面高程3.0 m。為節(jié)約投資和協(xié)調(diào)周邊景觀，泵站無地上廠房部分。為便于工作人員安裝檢修水泵設(shè)備，在進(jìn)水池水泵頂部須設(shè)置一個(gè)安裝檢修孔，根據(jù)機(jī)組結(jié)構(gòu)尺寸確定孔寬1.5 m，孔長3.4 m，安裝檢修孔須設(shè)置蓋板。

6.4 輔助設(shè)備

泵站進(jìn)水流道設(shè)攔污柵，出水?dāng)嗔鞑捎门拈T。水泵啟動時(shí)，直接啟動水泵即可；關(guān)閉水泵時(shí)，也是直接關(guān)閉水泵即可。

泵組檢修時(shí)，擰下機(jī)組連接穿墻管部位螺栓和地腳螺栓螺母，整體起吊機(jī)組即可(具體操作要求按照供貨廠家檢修要求進(jìn)行)。

機(jī)修設(shè)備的配置應(yīng)滿足水泵的安全運(yùn)行和日常檢修、裝拆(檢查葉片汽蝕情況、電機(jī)絕緣情況、軸承磨損情況等)，配置包括千斤頂、手拉葫蘆、臺鉗、小五金工具等。泵組大修時(shí)考慮聯(lián)系附近檢修廠或泵組供貨廠家進(jìn)行檢修。

350QZB-125型潛水軸流泵為電機(jī)與水泵共軸整體安裝的機(jī)組，機(jī)組檢修時(shí)需要整體吊裝，最大起重量約0.8 t。機(jī)組檢修時(shí)，打開安裝檢修孔蓋板，汽車起重機(jī)在地面檢修通道從檢修孔中起吊機(jī)組，考慮到起重臂伸長距離，汽車起重機(jī)最大起重量應(yīng)不低于10 t。

7 結(jié)論

本文通過對一個(gè)中小排澇泵站進(jìn)行泵站選址、流量及水位計(jì)算、地基承載力計(jì)算、水泵選型等方面的探討，為城市治水中，尤其這種穿插在城中村中的中小類型的泵站的設(shè)計(jì)提供一定的借鑒經(jīng)驗(yàn)。