地下式泵閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

唐 潔，吳雄遠(yuǎn)，李明治

（上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200434）

水利工程擔(dān)負(fù)著防洪、排澇、調(diào)水和改善水環(huán)境的任務(wù)。城市水利工程，其外形風(fēng)格要與城市的建筑風(fēng)格相統(tǒng)一，同時(shí)應(yīng)重視兩岸景觀設(shè)計(jì)，營(yíng)造人與自然和諧相處的環(huán)境。設(shè)計(jì)時(shí)可通過(guò)對(duì)水工建筑物結(jié)構(gòu)造型的改變，弱化口門建筑物體量設(shè)計(jì)，來(lái)實(shí)現(xiàn)功能與景觀的完美融合。

1 工程概況

蘇州市金雞湖水環(huán)境綜合治理項(xiàng)目位于蘇州市工業(yè)園區(qū)，項(xiàng)目在深化控源截污的基礎(chǔ)上，采取以調(diào)水引流為主，同時(shí)實(shí)施出入湖河道綜合整治、生態(tài)修復(fù)及智慧管控等工程與非工程措施的協(xié)同作用，提高金雞湖及周邊區(qū)域整體環(huán)境質(zhì)量，改善生態(tài)環(huán)境，達(dá)到綜合治理目的。

木沉港泵閘工程是蘇州市金雞湖水環(huán)境綜合治理項(xiàng)目其中的一項(xiàng)工程，是調(diào)水引流的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。工程位于蘇州市工業(yè)園區(qū)葑亭大道南側(cè)的木沉港河道上，距河口約1100m。木沉港泵閘由1座總流量為20m3/s的泵站和1座凈寬8m的節(jié)制閘組成，并列布置在木沉港河道上。泵站布置在東岸，為單向泵站，功能為從陽(yáng)澄湖向金雞湖引水，安裝4臺(tái)平面“S”型軸伸貫流泵，考慮到在防汛結(jié)束或者重新啟動(dòng)調(diào)水引流的換水初期，需要加快金雞湖水體置換，加大引水流量，并提高機(jī)組運(yùn)行保障，泵站采用三用一備。節(jié)制閘布置在西岸，功能為泵站引水時(shí)的水位控制，單孔布置。

2 設(shè)計(jì)思路

木沉港泵閘作為城市水利工程，對(duì)其建筑物的外觀要求更高。為使工程兼顧景觀，要求建筑物隱蔽，人立于地面時(shí)，無(wú)凸出地面較高的建筑物遮擋視線。因此，設(shè)計(jì)時(shí)弱化泵閘體量，采用地下式結(jié)構(gòu)，建筑物頂高程略高于地面但不遮擋人的視線，屋面為可上人綠化屋面，供行人駐足休憩，提升景觀效果。

3 設(shè)計(jì)難點(diǎn)

由傳統(tǒng)的地面式泵閘轉(zhuǎn)變?yōu)榈叵率奖瞄l，存在許多設(shè)計(jì)上的難點(diǎn)：

1）傳統(tǒng)的泵閘上部結(jié)構(gòu)承擔(dān)一定的功能，泵房上部結(jié)構(gòu)設(shè)置吊車梁，水閘上部結(jié)構(gòu)設(shè)置啟閉機(jī)。地下式泵閘需要解決在取消建筑物上部結(jié)構(gòu)的同時(shí)保留建筑物功能不變的難點(diǎn)。

2）水泵運(yùn)行有上方凈空高度的要求，地下式泵站與傳統(tǒng)的地面式泵站相比，立于水下部分更多，猶如一個(gè)大的空箱結(jié)構(gòu)立于水中，揚(yáng)壓力增大，自重相同的情況下，地基應(yīng)力小，不同工況下受力的微小改變，容易導(dǎo)致泵站的穩(wěn)定計(jì)算應(yīng)力數(shù)值變化較大。因此，地下式泵站需要解決揚(yáng)壓力增大的同時(shí)泵房應(yīng)力比滿足規(guī)范要求的難點(diǎn)。

3）地下式泵站與傳統(tǒng)的地面式泵站相比，埋深更深，承受土、水壓力產(chǎn)生的水平力更大，由于跨度較大，鋼壩和泵站采用分離式結(jié)構(gòu)布置。泵閘兩側(cè)水平力相差大，泵站和閘室穩(wěn)定計(jì)算中抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)難以滿足規(guī)范要求。如何解決水平力增大的同時(shí)泵房抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求也是設(shè)計(jì)難點(diǎn)之一。

4）泵房屋面采用綠化屋面，覆土50cm厚，順?biāo)鞣较蚩缍?4.5m，屋面跨度較大，荷載較大，常規(guī)的鋼筋混凝土梁梁高較大，為滿足泵房?jī)?nèi)泵組檢修起吊凈空，需抬高屋面高程；若采用反梁結(jié)構(gòu)，則主梁突出地面太高，影響美觀。地下式泵站還存在頂面結(jié)構(gòu)與景觀融合的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

解決好這些問(wèn)題，才能使工程在保證結(jié)構(gòu)安全可靠、內(nèi)部功能使用方便的同時(shí)，達(dá)到與周圍環(huán)境融合為一的效果。

4 技術(shù)方案

4.1 泵閘結(jié)構(gòu)型式比選與確定

工程平面布置為“泵+閘”的形式，從優(yōu)化結(jié)構(gòu)型式、減少工程占地、節(jié)省工程投資等因素出發(fā)，采用兩個(gè)方案進(jìn)行比選：方案一，泵閘底板為整體式結(jié)構(gòu)，即外閘首底板與泵站底板連成整體，形成大底板；方案二：泵閘底板為分離式結(jié)構(gòu)，即外閘首底板與泵站底板分開(kāi)，底板之間設(shè)沉降縫。

工程站址處為土基，地基承載力較好。考慮到閘室底板底高程為-3.70m，泵房底板底高程為-5.80m，高差為2.1m，相差較大，且泵閘站垂直水流方向?qū)捈s50m，根據(jù)SL265-2016《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.2.13條，在閘室底板與泵房底板間設(shè)置縫墩，將閘室底板與泵房底板布置為分離式結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖1。

圖1 木沉港泵閘橫剖面示意圖

4.2 節(jié)制閘

為實(shí)現(xiàn)節(jié)制閘與地面齊平的要求，節(jié)制閘采用鋼壩（底軸翻板閘門）+空箱型式。鋼壩空箱位于河岸一側(cè)，空箱整體低于地面50cm，面上覆土種植綠化，僅留進(jìn)人孔和風(fēng)井露出地面。鋼壩能夠?qū)崿F(xiàn)立門蓄水，臥門過(guò)流，同時(shí)還可通過(guò)閘門門頂過(guò)水，達(dá)到調(diào)節(jié)水位并形成人工景觀瀑布的效果。

4.3 泵房綠化屋面

為實(shí)現(xiàn)泵閘頂與地面基本齊平的要求，泵房采用地下式結(jié)構(gòu)。泵房整體高程下降，取消上部框架結(jié)構(gòu)，采用混凝土墻。為降低屋面高程，屋面框架梁采用反梁結(jié)構(gòu)。

泵房采用綠化屋面，覆土厚0.5m，順?biāo)鞣较蚩缍葹?4.5m，屋面跨度大，荷載大。若采用鋼筋混凝土梁，為使結(jié)構(gòu)滿足要求，需加高主梁截面高度，則主梁突出地面太高，影響美觀，達(dá)不到地下式結(jié)構(gòu)的效果。因此，主梁采用型鋼混凝土梁結(jié)構(gòu)，使用PKPM計(jì)算軟件，結(jié)合現(xiàn)行結(jié)構(gòu)規(guī)范完成各種荷載的加載及荷載組合，并完成對(duì)整個(gè)屋面結(jié)構(gòu)內(nèi)力和配筋分析計(jì)算，實(shí)現(xiàn)在滿足結(jié)構(gòu)要求的同時(shí)減少梁截面高度。采用型鋼混凝土梁比鋼筋混凝土梁高程降低0.5m，結(jié)構(gòu)更安全可靠。

4.4 泵閘結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1）泵閘之間采用并縫

由于跨度較大，鋼壩和泵站采用分離式結(jié)構(gòu)布置。地下式結(jié)構(gòu)埋置深，泵閘兩側(cè)土壓力產(chǎn)生的水平力較大，因水平力大、自重輕，泵站穩(wěn)定計(jì)算和閘室穩(wěn)定計(jì)算中抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)難以滿足規(guī)范要求。因此，在泵與閘之間局部設(shè)置并縫結(jié)構(gòu)，兩側(cè)部分土壓力互相抵消，減少水平力，提高抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，同時(shí)滿足泵閘之間沉降縫的要求。

2）優(yōu)化底板尺寸

地下式結(jié)構(gòu)揚(yáng)壓力大，地基應(yīng)力小，泵站穩(wěn)定計(jì)算不易滿足規(guī)范要求。泵站采用的泵型為“S”型軸伸貫流泵，底板為不規(guī)則結(jié)構(gòu)，通過(guò)對(duì)泵房順?biāo)骱痛怪彼麟p向計(jì)算分析，在地基應(yīng)力小的一端延伸底板尺寸，增加土重，來(lái)調(diào)節(jié)地基應(yīng)力比。

4.5 優(yōu)化進(jìn)出水池

為改善泵站進(jìn)水水流流態(tài)，進(jìn)水池坡比采用1∶5從河底高程漸變至底板底高程，進(jìn)水池中墩開(kāi)設(shè)城門洞，使進(jìn)水池形成一個(gè)水系連通的結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖2。

圖2 進(jìn)水池剖面示意圖

4.6 通風(fēng)及采光

地下式泵房相較于常規(guī)泵房，存在通風(fēng)及采光條件較差的問(wèn)題，設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)在泵房?jī)?nèi)增設(shè)機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)、機(jī)械補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)和排煙系統(tǒng)來(lái)滿足地下式泵房通風(fēng)要求；同時(shí)在泵房頂開(kāi)設(shè)了天窗以滿足地下式泵房采光要求。

4.7 大體積混凝土溫控防裂措施

泵房出水側(cè)泵墩厚3.2m，進(jìn)水側(cè)泵墩厚2.8m，鋼壩閘底板局部厚3.0m。泵墩、閘底板體積較大、形體較復(fù)雜，施工周期短。因此，需對(duì)大體積混凝土的澆筑采取相應(yīng)的溫控防裂措施：

1）盡量縮短底板與墩墻混凝土澆筑的間隔時(shí)間，加強(qiáng)混凝土后期養(yǎng)護(hù)，選用低水化熱水泥；

2）在大體積混凝土中采用M20砌塊以減小混凝土水化熱，拋入量不大于30%，砌塊距構(gòu)件邊界的距離不小于0.5m；

3）對(duì)混凝土防裂要求較高的部位適當(dāng)摻入混凝土抗裂劑或抗裂纖維；

4）采取控制入倉(cāng)溫度、澆筑時(shí)間、埋設(shè)冷卻水管等溫控措施。

5 地下式泵閘結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1 泵站

1）主泵房布置

泵站布置在木沉港東側(cè)，單泵流量為5m3/s，設(shè)計(jì)總流量為15m3/s（單向泵站），校核引水流量為20m3/s。水泵中心線高程為-3.00m，水泵機(jī)組中心線間距為6.0m。主泵房垂直水流方向長(zhǎng)36.3m，底板寬（順?biāo)鞣较颍?7.1m，底板頂面高程為-3.85～4.30m，底板底高程為-5.80m。

泵房寬26.8m、長(zhǎng)27.1m，為適應(yīng)周圍景觀環(huán)境的要求，降低泵房高度，采用綠化屋面。管理區(qū)地面高程為3.50m，泵房屋面頂高程為4.65m，屋面梁頂高程為5.45m，梁底高程為4.05m。泵房側(cè)墻為鋼筋混凝土墻，屋面為板梁結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)10t+10t電動(dòng)葫蘆橋式起重機(jī)。泵房均采用C30鋼筋混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，側(cè)墻牛腿上設(shè)吊車梁，軌頂高程為2.25m。

2）安裝間布置

安裝間布置在泵房東側(cè)，寬9.5m、長(zhǎng)14.5m，安裝間與泵房為整體結(jié)構(gòu)，吊車梁延伸至安裝間內(nèi)，便于機(jī)組的吊裝、檢修。安裝間的底板及屋面高程同泵房高程，設(shè)備平臺(tái)高程為-1.15m，為框架結(jié)構(gòu)。屋頂設(shè)吊物孔，孔口尺寸為3.0m×6.0m。

3）進(jìn)、出水池布置

進(jìn)、出水池順?biāo)骶鶠?5.0m。進(jìn)水池臨水側(cè)邊墩厚1.1m，頂高程為3.00m；臨土側(cè)邊墩厚1.0m，頂高程為3.70m；中墩厚1.0m，頂高程1.00m。底板頂高程由-3.85m按坡比1∶5漸變至現(xiàn)狀河底高程-2.00m，底板厚1.0m。進(jìn)、出水池的底板上均設(shè)置?75mm的排水孔，間距為1.5m，梅花形布置，下鋪150mm厚碎石墊層和150mm厚中粗砂墊層。

底板頂高程由-3.85m按坡比1∶4漸變至現(xiàn)狀河底高程-2.00m，底板厚1.0m。

工作橋位于進(jìn)水池進(jìn)水側(cè)，順?biāo)飨蜷L(zhǎng)3.5m。臨水側(cè)邊墩厚1.1m，其余邊墩和中墩厚1.0m。工作橋橋面寬2.0m，為板梁結(jié)構(gòu)，梁底高程為3.0m，橋面高程為3.70m。根據(jù)泵站運(yùn)行管理需要，在工作橋進(jìn)水側(cè)設(shè)置1道攔污柵。

5.2 節(jié)制閘

節(jié)制閘順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)約14.5m，寬約15.2m，采用鋼筋混凝土整體塢式結(jié)構(gòu)，底板頂高程為-3.50～-2.00m，底板厚1.5～3.0m。工作門門型為鋼壩（底軸翻板閘門），采用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)操作，液壓?jiǎn)㈤]設(shè)備放置于邊墩空腔內(nèi)。邊墩空箱寬6.0m，頂高程為2.50m，上部覆蓋0.5m耕植土種植綠化。局部設(shè)進(jìn)人孔頂高程3.0m與地面齊平，進(jìn)人孔設(shè)置鋼蓋板。

出水側(cè)（陽(yáng)澄湖側(cè)）消力池采用U型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，底板頂高程由-3.85m按坡比1∶4漸變至現(xiàn)狀河底高程-2.00m，底板厚1.0m。進(jìn)、出水側(cè)消力池底板上設(shè)置?75mm的排水孔，間距1.5m，梅花形布置，下鋪150mm厚碎石墊層和150mm厚中粗砂墊層。

6 結(jié)語(yǔ)

木沉港泵閘已施工完成并運(yùn)行良好，工程的實(shí)施，展現(xiàn)了水清岸美、城水相依的美景。地下式泵閘設(shè)計(jì)方案可為對(duì)景觀要求較高地區(qū)建設(shè)泵閘提供參考。