茅舍嶺排澇站設(shè)計(jì)方案分析與研究

蔡浩龍

（清遠(yuǎn)市清新區(qū)清西防汛工程管理所，廣東 清遠(yuǎn) 511500）

1 概述

隨著廣東省清遠(yuǎn)市清遠(yuǎn)區(qū)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市化面積不斷擴(kuò)大，澇區(qū)蓄滯洪能力下降，河道侵占現(xiàn)象嚴(yán)重，導(dǎo)致河道過水?dāng)嗝娌粩鄿p少，排水能力下降，內(nèi)澇頻繁發(fā)生。當(dāng)區(qū)域內(nèi)暴雨與外江較高水位相遇時，主要依靠排澇站向外強(qiáng)排，達(dá)到防洪排澇的目的。茅舍嶺排澇站位于清西片區(qū)茅舍嶺子排澇區(qū)，是區(qū)域內(nèi)的核心排澇站。茅舍嶺排澇站所在的清西圍堤防已達(dá)到50年一遇防洪標(biāo)準(zhǔn)，屬2級堤防；但是排澇站的主要建筑物級別是3級，達(dá)不到2級水工建筑物的防洪標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)初設(shè)計(jì)的排澇標(biāo)準(zhǔn)為5年一遇24 h暴雨產(chǎn)生的徑流量4 d排干，排澇標(biāo)準(zhǔn)低，已不能滿足社會發(fā)展的要求，每當(dāng)遇到暴雨臺風(fēng)都會造成內(nèi)澇，經(jīng)濟(jì)損失極大。同時，排澇站建筑物經(jīng)過幾十年的運(yùn)行，破敗不堪，存在嚴(yán)重的安全隱患，迫切需要進(jìn)行更新改造。

2 工程設(shè)計(jì)分析

2.1 設(shè)計(jì)規(guī)模

茅舍嶺排澇站控制排澇區(qū)屬沿海性南亞熱帶氣候，降雨年內(nèi)分配不均勻，降雨集中在4月至9月，多年平均降雨量為2 133.6 mm。10年一遇最大24 h設(shè)計(jì)暴雨產(chǎn)水量為3 570.10萬m3。按3 d排干，每天開機(jī)22 h，則設(shè)計(jì)排水流量為：Q3天=W總/T=3 570.1×10 000/（22×3 600×3）=150.3 m3/s。

茅舍嶺排澇站控制區(qū)內(nèi)建有山塘泵站，扣除其設(shè)計(jì)排水流量為16.5 m3/s。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及本工程實(shí)際情況考慮：堤圍滲漏量取0.05 m3/s，堤圍長約68.8 km，則堤圍滲漏量為3.44 m3/s；閘涵滲漏量取每米0.01 m3/s，閘涵總寬為294 m，則閘涵滲漏量為2.94 m3/s；估算工程建后排澇區(qū)內(nèi)居民總?cè)丝?5萬，綜合用水定額為180 L/p.d，則生活污水排放量為3.75 m3/s，最終得到茅舍嶺泵站總設(shè)計(jì)排水流量為144 m3/s。

經(jīng)復(fù)核計(jì)算，茅舍嶺排澇站總裝機(jī)容量12 000 kW，工程等別為I等大（2）型，裝有6臺10 kV、2 000 kW立式同步全調(diào)節(jié)軸流泵機(jī)組；水泵葉輪直徑2 700 mm，攔污柵配裝清污裝備。永久性主要建筑物按2級設(shè)計(jì)；永久性次要建筑物按3級設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，校核防洪標(biāo)準(zhǔn)為200年一遇。

2.2 排澇站軸線選擇及設(shè)計(jì)方案的比選

茅舍嶺排澇站安全鑒定為三類，要求進(jìn)行技術(shù)改造。根據(jù)研究論證，技術(shù)改造費(fèi)用較大，推薦重建方案，因此按重建考慮布置工程方案?？紤]到茅舍嶺排澇站規(guī)模較大，在一個枯水季節(jié)使其達(dá)到抽排水條件可能性比較低，因此在工程具體布置時遵循盡可能利用現(xiàn)有泵站、水閘進(jìn)行施工導(dǎo)流及減少永久征地的原則［1-2］，結(jié)合水閘現(xiàn)有位置及可能的重建位置等綜合考慮后，初步選擇兩種布置方案。

方案一：重建泵站布置于茅舍嶺水閘的右側(cè)，利用現(xiàn)有水閘及茅舍嶺大站進(jìn)行導(dǎo)流。規(guī)劃茅舍嶺水閘（另外立項(xiàng)建設(shè)）重建位置位于現(xiàn)狀水閘左側(cè)。管理區(qū)布置在茅舍嶺舊站與大站的前池處。

方案二：重建泵站布置在現(xiàn)有茅舍嶺水閘處（該方案成立的前提條件是在茅舍嶺泵站開工之前完成茅舍嶺水閘的重建）。利用重建后的水閘及茅舍嶺在舊站、大站進(jìn)行導(dǎo)流。規(guī)劃茅舍嶺水閘重建位置位于現(xiàn)狀水閘右側(cè)。

方案一較方案二對茅舍嶺水閘何時重建沒有要求，不需要征用佛山市三水區(qū)的土地，不需要開挖臨時導(dǎo)流明果，便于施工內(nèi)圍堰的布置；因此本階段推薦采用方案一。

2.3 工程總體布置

茅舍嶺排澇站站址位于清西圍上茅舍嶺水閘的右側(cè)，排澇站布置于清西內(nèi)坑河末端，外臨佛山市三水區(qū)南山鎮(zhèn)漫水河，采用6臺2700ZLQ25—5.4型立式軸流泵機(jī)組，采用正向進(jìn)水和正向出水的方式。泵站采用堤后式布置方案，泵站中心與大堤中心線垂直布置，與水閘中心線平行布置［3-4］。自內(nèi)河向外河順?biāo)鞔笙蛞来尾贾糜校簝?nèi)河連接段、清污橋、前池、泵房、出水涵、防洪閘、外河連接段等建筑物。泵房上部垂直水流方向自左向右依次布置有安裝檢修間、主廠房、副廠房，管理樓一部分結(jié)合副廠房布置。

（1）清污橋

清污橋位于前池入口處，為鋼筋混凝土槽形整體結(jié)構(gòu)，共分10孔，每5孔一聯(lián)，底板面高程為2.70 m。順?biāo)鞣较蜷L度16.0 m，垂直水流方向總寬度57.6 m，單孔沖寬5.0 m，總凈寬50 m。為方便前池清淤、檢修，同時為避免內(nèi)河大量雜物進(jìn)入排澇站前池，順?biāo)鞣较蛎靠滓来尾贾糜星俺貦z維閘門（為平板鋼閘門，平時橫臥在閘墩頂上，兼作人行橋）、清污機(jī)。另外，為便于搬運(yùn)垃圾雜物，在清污機(jī)后設(shè)清污橋，并配套皮帶機(jī)運(yùn)輸垃圾。

（2）前池

前池連接清污橋與泵房進(jìn)水流道，將水流平順地導(dǎo)入水泵的進(jìn)水流道，前池順?biāo)鞣较蜷L度17.0 m。前池采用分離式矩形結(jié)構(gòu)，兩側(cè)為鋼筋混凝土扶壁式擋土墻，中間為鋼筋混凝土護(hù)坦，擋墻頂高程10.5 m，護(hù)坦面高程2.7～-0.7 m；首端過水?dāng)嗝鎸挾?6 m，末端過水?dāng)嗝鎸挾?3.4 m。

（3）進(jìn)水流道形式選擇

茅舍嶺排澇站所選水泵葉輪直徑2.7 m，為大型水泵，其進(jìn)水流道直接影響水泵葉輪進(jìn)口斷面的流速和壓力分布，對水泵的性能有很大影響。本工程排澇站采用塊基型泵房，進(jìn)水流道和底板澆成整體流道形狀和尺寸直接影響本站的工程投資和施工難易［5］。因此，對大型泵站的進(jìn)水流道有更高的設(shè)計(jì)要求。

大型立式泵的進(jìn)水流道形式主要有鐘形、肘形及簸箕形三種。三種流道在國內(nèi)外大中型泵站中均有應(yīng)用，流道效率均比較高［6］。相比而言，肘形流道相對其他兩種流道的特點(diǎn)是高度較大而寬度較小，即開挖深度最大但開挖寬度最??；簸箕形進(jìn)水流道相對其他兩種流道特點(diǎn)是高度較小而寬度較大，即開挖深度相對最小但開挖寬度相對最大；鐘形進(jìn)水流道介于肘形與簸箕形之間［7］?？紤]到本工程泵閘下臥土層存在有粉砂、礫砂等土層，若開挖較深，施工難度比較大。另外，為了盡可能降低前池?fù)鯄Ω叨?，本次設(shè)計(jì)推薦采用簸箕形進(jìn)水流道。

（4）泵房

本工程排澇站采用塊基型泵房，與進(jìn)水流道合建。泵房由主廠房、副廠房及安裝檢修間組成，副廠房緊挨著主廠房布置在其右側(cè)，安裝檢修間布置在左側(cè)。主廠房自下而上分4層：進(jìn)水流道層、水泵層、聯(lián)軸層和電機(jī)層。

（5）防洪閘和出水口

防洪閘結(jié)合出水涵布置，出水涵末端設(shè)置拍門，拍門外設(shè)防洪閘門，按1機(jī)1涵布置，共布置6孔，每3孔一聯(lián)。閘室采用鋼筋混凝土整體式結(jié)構(gòu)，單孔凈寬6.7 m；閘室順?biāo)鞣较蜷L22.7 m，垂直水流方向總寬度54.1 m。出水涵凈寬由2.8 m漸變至6.7 m，防洪閘配套閘門選用平面滾輪鋼閘門。采用卷揚(yáng)式啟閉機(jī)啟閉，啟閉機(jī)置于鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)啟閉機(jī)房中，啟閉臺面高程21.0 m。啟閉機(jī)房垂直水流方向?qū)挾葹?4 m，順?biāo)鞣较驅(qū)挾葹?.2 m，總建筑面積為226.8 m2。為方便運(yùn)行操作，可由啟閉房兩側(cè)樓梯進(jìn)入啟閉機(jī)房。為使排澇站出水與外江水面銜接平順，減少水流對河床沖刷，在出水口靠近閘室段設(shè)15 m長、0.5 m厚鋼筋混凝土護(hù)底，兩側(cè)擋墻根據(jù)墻高不同采用鋼筋混凝土扶壁或混凝土重力式擋墻結(jié)構(gòu)。

2.4 水力計(jì)算

（1）清污機(jī)過水流速計(jì)算

前池水位為設(shè)計(jì)運(yùn)行內(nèi)水位7.5 m，清污機(jī)處的過水凈面積144.49 m2，排澇站設(shè)計(jì)流量為144 m3/s，過柵流速0.9 m/s，滿足規(guī)范要求的機(jī)械清污過柵流速可0.6～1.0 m/s的要求。

（2）進(jìn)水流道進(jìn)口流速計(jì)算

進(jìn)水流道進(jìn)口處的過水凈面積為3.9 m（凈高）×7.5 m（總凈寬）=29.25 m2（單臺機(jī)組）。根據(jù)計(jì)算，單臺機(jī)組設(shè)計(jì)流量為24.0 m3/s，則進(jìn)水口設(shè)計(jì)流速為0.82 m/s，滿足規(guī)范要求的進(jìn)水流道進(jìn)口斷面處流速宜取0.8～1.0 m/s的要求。

（3）出水流道出口流速計(jì)算

出水流道出口處的過水凈面積為2.8 m（凈高）×5.6 m（總凈寬）=15.68 m2（單臺機(jī)組）。根據(jù)計(jì)算，單臺機(jī)組設(shè)計(jì)流量為24.0 m3/s，則出口流道設(shè)計(jì)流速為1.51 m/s，流道出口裝有拍門，滿足規(guī)范要求的出口裝有拍門出口流速不宜大于2.0 m/s的要求。

（4）泵站消能防沖計(jì)算

因泵站出水為淹沒出流，經(jīng)計(jì)算其下降水深滿足淹沒水躍的要求，可不設(shè)消力池；但考慮排澇站出口水流較大，對下游仍有一定程度的沖刷。為削減水能，減小出水流速，分散水流，避免水流對河底的沖刷；同時結(jié)合消能防沖設(shè)計(jì)，在出口設(shè)有混凝土護(hù)坦和干砌石護(hù)底進(jìn)行消能。

2.5 抗?jié)B穩(wěn)定性計(jì)算

本工程防滲段包括鋪蓋段（即護(hù)坦段）、防洪閘段和泵房段。根據(jù)地質(zhì)勘察資料，其地基土上層為填土、粉質(zhì)粘土、粉土，由于本工程地基土為復(fù)雜地基，本階段采用有限元法進(jìn)行滲透穩(wěn)定計(jì)算，允許滲流坡降出口段取0.65。經(jīng)分析最不利計(jì)算工況為：外河側(cè)為泵站校核運(yùn)行水位14.70 m，內(nèi)河側(cè)為最低運(yùn)行水位6.28 m。經(jīng)計(jì)算，出口段比降為0.56，滿足允許滲流坡降要求，即本工程布置的防滲排水設(shè)計(jì)滿足滲透穩(wěn)定性要求。

2.6 泵房穩(wěn)定分析計(jì)算

（1）計(jì)算工況及荷載組合

將3臺機(jī)組的泵房作為計(jì)算單元進(jìn)行穩(wěn)定分析，則作用于泵房的主要荷載有自重、靜水壓力、揚(yáng)壓力（包括浮托力、滲透壓力）、土壓力、其他荷載等（見表1）。

表1 泵房穩(wěn)定計(jì)算工況及荷載組合表

（2）泵房穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

泵房穩(wěn)定及應(yīng)力計(jì)算包括泵房沿基礎(chǔ)底面的抗滑穩(wěn)定計(jì)算、抗浮穩(wěn)定計(jì)算、泵房基底應(yīng)力、基底應(yīng)力不均勻系數(shù)的計(jì)算。對泵房在各種運(yùn)行工況下進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算（見表2）。

表2 泵房穩(wěn)定計(jì)算成果表

由表2可以看出，抗滑、抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)、基底應(yīng)力不均勻系數(shù)均滿足規(guī)范要求。泵房底板坐落在粉土層上，據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果，該土層的承載力特征值為130 kPa，修正后地基承載力特征值為178.14 kPa。在完建工況下，最大應(yīng)力185.48 kPa小于1.2倍的土層允許承載力（粉土）213.77 kPa；平均應(yīng)力154.16 kPa也小于粉土的允許承載力178.14 kPa，滿足規(guī)范要求；因此泵房地基不需進(jìn)行地基處理。

3 結(jié)語

茅舍嶺排澇站于2017年建成并投入運(yùn)行，經(jīng)過5 a的運(yùn)行觀測，泵站布置合理，水泵選型合適，工作效率高，達(dá)到了排澇與灌溉的雙重目的，設(shè)計(jì)思路及方法得到了驗(yàn)證。排澇站工程主要建筑物選型在排澇站初步設(shè)計(jì)中是一項(xiàng)非常重要的工作，要根據(jù)地形地質(zhì)、水文條件，充分論證主體工程布置方案以及泵站對基礎(chǔ)的適應(yīng)性能，并對當(dāng)?shù)厮臍庀蟮倪m應(yīng)能力、施工條件、工程安全性和工程投資等方面進(jìn)行綜合比較分析，最終選擇適合工程的最優(yōu)方案。