中小河道X 型流道泵站設(shè)計(jì)淺析

袁超

（長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司上海分公司，上海 200083）

2015 年 4 月，國務(wù)院發(fā)布《水污染防治行動計(jì)劃》（“水十條”），明確提出“直轄市、省會城市、計(jì)劃單列市建成區(qū)要于2017 年底前基本消除黑臭水體”“到 2017 年，直轄市、省會城市、計(jì)劃單列市建成區(qū)污水基本實(shí)現(xiàn)全收集、全處理”。

上海市于2015 年11 月出臺了“上海清潔水行動計(jì)劃”，上海的“水十條” 將比國家《水污染防治行動計(jì)劃》要求更高、更嚴(yán)格，力爭于2017 年底前基本消除黑臭水體。對其中的24 條市民整治呼聲強(qiáng)烈的黑臭河道，要求“一河一策”整治原則制定整治方案。

1 工程概況

工程河道均位于上海市閔行區(qū)華漕鎮(zhèn)，均屬“淀北水利控制片”，“淀北片”位于蘇州河及老市區(qū)以南，淀浦河以北，青松大控制線以東，黃浦江以西，總面積179.28 平方公里。片內(nèi)包括長寧區(qū)全部、徐匯區(qū)大部分和閔行區(qū)一部分以及青浦區(qū)與松江區(qū)的一小部分。地形趨勢是西南高、東北低，原是近郊低洼地區(qū)之一，地面高程一般在3.2 米至3.6 米左右，高的在4 米以上，低于3.5 米的面積占15%。閔行區(qū)行政區(qū)劃上屬于“淀北片”范圍的是七寶鎮(zhèn)、華漕鎮(zhèn)、虹橋鎮(zhèn)、龍柏街道、古美路街道全部地區(qū)及莘莊鎮(zhèn)、梅隴鎮(zhèn)的淀浦河以北區(qū)域，總面積96.38 平方公里，占“淀北片”總面積的54%。

工程所涉及河道為姚墩港、沈家角支河和藏浦及柴北門前池。新建泵站位于柴北門前池，為保持現(xiàn)狀封閉的柴北門前池水系能與外界溝通，故在其東北側(cè)接蘇州河處設(shè)置泵站一座，泵站主要用于排澇、蓄水及換水。新建泵站流量較小，對水流條件要求不高，為便于操作，就近設(shè)置管理房。

2 泵站運(yùn)行工況

（1）當(dāng)上海市進(jìn)入汛期時，使用水泵將內(nèi)河側(cè)河道的水體抽排至外河，降低內(nèi)河的水位，達(dá)到排澇的作用。

（2）當(dāng)上海市進(jìn)入枯水期，冬季需要蓄水時，使用閘門及水泵將外河側(cè)河道的水體引排至內(nèi)河，提高內(nèi)河水位，達(dá)到蓄水的作用。

（3）當(dāng)內(nèi)河側(cè)的河道的水體需要換水時，先使用閘門或者水泵將內(nèi)河側(cè)河道的水位降低至水泵的最低運(yùn)行水位，然后使用閘門及水泵將外河側(cè)河道的水體引排至內(nèi)河，達(dá)到換水的作用。

泵站運(yùn)行水位組合及特征揚(yáng)程見下表。

表1 正向（排澇工況）運(yùn)行特征水位表（單位：m）

表2 反向（引水）運(yùn)行特征水位表（單位：m）

表3 泵站特征揚(yáng)程表（單位：m）

3 泵站設(shè)計(jì)

3.1 泵站結(jié)構(gòu)布置型式比選

方案一：泵站與自排流道并排布置。

泵站與自排流道并排布置，采用整體現(xiàn)澆的施工工藝，水體由水泵抬升后，經(jīng)中隔墻側(cè)向排至自排流道，泵室和流道的上下游各設(shè)置一道工作閘門，形成排澇、蓄水和換水相結(jié)合的綜合功能。

方案二：泵站與自排流道上下并列布置。

泵站與自排流道上下并列布置，泵房下層的自排流道既是排水或者引水的涵洞，又可作為進(jìn)水池，泵房的上層為出水池，出水和進(jìn)水都是雙向的。下層的自排流道兩端各布置一道工作閘門，與雙向出水的軸流泵的工作閘閥相結(jié)合，在立面上形成“X”型流道。這種型式同樣具有排澇、蓄水和換水相結(jié)合的綜合功能。

方案比選：傳統(tǒng)具有雙向引排功能的泵站需將泵站和水閘分開布置，使兩端河道的水流能夠平順銜接，但傳統(tǒng)的泵站結(jié)構(gòu)布置型式較為疏散，占用的土地面積較大，后期泵站運(yùn)行期的管理與圍護(hù)也不夠方便和集中。上述兩種結(jié)構(gòu)型式與傳統(tǒng)的分開布置的結(jié)構(gòu)型式相比，有著工程投資較經(jīng)濟(jì)、占用的土地面積較小和便于管理、運(yùn)營等優(yōu)點(diǎn)。方案一泵站在工作的情況下，由于泵站是側(cè)向出水，形成自排流道閘下單側(cè)泄流的情況，使泵站的下游和上游產(chǎn)生出較為強(qiáng)烈的偏流和回流，不僅加重了整個站身的結(jié)構(gòu)安全威脅，而且增加了防沖效能設(shè)施的工作負(fù)擔(dān)。方案二的土建的工程量相對經(jīng)濟(jì)，占用的土地面積相對更小，水泵的價格雖然略高，但是整體的工程投資是較為節(jié)省的，而且在各種運(yùn)行工況下，泵站整體都為順河方向進(jìn)出水，因此避免了方案一的上下游進(jìn)出水流態(tài)較為復(fù)雜的不足。雖然這種結(jié)構(gòu)型式的泵站運(yùn)行效率相較于方案一略低，但本工程中泵站流量較小，對水流條件要求不高，故最終選擇方案二。

圖1 方案二泵站站身結(jié)構(gòu)剖面圖

3.2 泵站平面設(shè)計(jì)

站址選擇：為保持現(xiàn)狀封閉的柴北門前池水系能與外界溝通，故在其東北側(cè)接蘇州河處設(shè)置泵站一座，泵站主要用于排澇、蓄水及換水。擬新建泵站流量較小，對水流條件要求不高，為便于操作，管理房應(yīng)就近建設(shè)。

泵站規(guī)模：柴北門前池泵站的規(guī)模根據(jù)河道的排澇需求確定，估算柴北門前池宅河的匯水面積為56 萬m2（村宅南北、東西長各750m），24 小時面雨量按排澇標(biāo)準(zhǔn)為192.9mm 計(jì)算，需要排水量為10.8 萬m3，全部雨水按48 小時排出計(jì)算得到的泵站流量為0.63m3/s，故確定泵站流量按1.0m3/s 設(shè)計(jì)。

泵站平面布置：充分考慮和利用地形、地質(zhì)自然條件和現(xiàn)有的建筑物，力求少占地，方便施工，便于管理，投資省。泵站集中布置在蘇州河擋墻南側(cè)，泵站設(shè)計(jì)流量1.0m3/s，機(jī)組選用2 臺泵，單泵流量0.5m3/s，管理房布置在站身上方。

3.3 泵站結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

站身：泵站站身采用整體鋼筋砼結(jié)構(gòu)，底板不設(shè)分縫，結(jié)構(gòu)整體性好，可承受不均勻沉降，尤其適合上海市軟土地基。為節(jié)約用地與造價，站身上設(shè)置控制房兼管理房。泵站進(jìn)口處設(shè)一道工作閘門和攔污柵。推薦方案站身根據(jù)選用站身底板采用平底板，底板厚1.0m。泵站站身（閘室）長 15.0m，機(jī)組凈距為2.5m。

消力池：泵站內(nèi)河側(cè)設(shè)置消力池，順?biāo)鞣较蜷L度為8.0m，寬 6.2～12.2m，池底面高程為 0.50m，底板厚度均為0.60m，并設(shè)置排水孔。外河側(cè)出水池由已建的DN600 鋼管連接蘇州河，不設(shè)消力池。外河側(cè)出水池墻頂高程為+5.20m。

海漫段：內(nèi)河消力池外側(cè)設(shè)置8.0m 漿砌塊石海漫段防沖，斷面為復(fù)合式斷面結(jié)構(gòu)形式，渠底高程1.0m，底寬均由12.2～15.3m 與河道接順，底部及岸坡采用漿砌塊石護(hù)砌，岸墻與河道岸墻接順，圩區(qū)側(cè)岸墻墻頂高程為+4.1m。海漫段以外設(shè)4m 防沖槽。

斷流方式設(shè)計(jì)：根據(jù)對應(yīng)的流動型式和使用機(jī)組的特點(diǎn)，在上下層流道的出口和進(jìn)口位置，分別布置一道閘門和電控拍門，借助拍門和閘門及水泵的抽水之間的配合，實(shí)現(xiàn)斷流。

管理用房設(shè)計(jì)：根據(jù)水利部相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合上海市類似工程的管理經(jīng)驗(yàn)，初步確定本工程管理人員配備如下：生產(chǎn)人員1 名及服務(wù)人員1 名。按照上海市關(guān)于水利工程管理用房的有關(guān)規(guī)定，并結(jié)合上海的工程特點(diǎn)及工程管理用房實(shí)際情況，以上所有用房中供配電、中央控制等生產(chǎn)及生產(chǎn)輔助用房按需進(jìn)行經(jīng)濟(jì)合理配置，辦公、值班以及宿舍等生活文化設(shè)施用房的總面積按定員人數(shù)人均15m2統(tǒng)籌考慮。確定泵站管理房面積約30m2。管理房建筑采用普通砌體結(jié)構(gòu)。出入管理房道路，借用原現(xiàn)場道路。

泵型選擇：根據(jù)水泵的流量和揚(yáng)程應(yīng)選用軸流泵。軸流泵的結(jié)構(gòu)形式很多，在實(shí)際工程中已經(jīng)采用有立式軸流泵、臥式軸流泵、貫流泵和潛水軸流泵等幾種結(jié)構(gòu)形式。立式軸流泵的價格比較低，但安裝比較麻煩、運(yùn)行時噪音比較大，需要的輔助設(shè)備多，通常需要上部廠房，土建部分費(fèi)用較高。臥式軸流泵雖然裝置效率高，但占地面積比其他泵大，導(dǎo)致土建投資比較大，需要的輔助設(shè)備方面同立式軸流泵。潛水軸流泵的突出優(yōu)點(diǎn)是安裝簡單、運(yùn)行時幾乎沒有噪音，不需要技術(shù)供排水等輔助設(shè)備，無需上部泵房，土建費(fèi)用省，近十年發(fā)展很快。貫流泵雖然裝置效率高，特別是潛水貫流泵，也不需要上部廠房，但相對于潛水軸流泵來說，價格較高，安裝較為麻煩，下部泵房需要考慮通風(fēng)、照明和排水系統(tǒng)，整個系統(tǒng)比潛水軸流泵復(fù)雜。由于泵站的年運(yùn)行時間比較短，效率不是主要考慮因數(shù)，這里推薦使用結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、噪音小、輔助設(shè)備少、占地面積小、投資少的潛水軸流泵。

3.4 泵站工程管理

泵站的開啟和關(guān)停是泵站主機(jī)、電氣設(shè)備和閘門聯(lián)合運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)度的復(fù)雜過程，在這個過程中，為了盡量避免運(yùn)行故障，需要實(shí)時檢查和檢測各種設(shè)備的運(yùn)行情況。在需要水泵停機(jī)時，過程中，需要注意閘門的閉門速率，尤其不能過快，導(dǎo)致閘門在閉門過程中對門槽底板產(chǎn)生過大的沖擊力。

4 結(jié)語

在城市中小河道的治理過程中，結(jié)合城市中小河道的特點(diǎn)，選擇具有“X”型流道結(jié)構(gòu)型式的泵站，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）應(yīng)用靈活，可以滿足多種工況的需要。

（2）工程所需的占地面積相對較小，有效減少了工程實(shí)施過程中可能帶來的騰地動拆遷矛盾，進(jìn)而有效降低了社會穩(wěn)定風(fēng)險。

（3）工程總體土建工程量相對較小，投資較經(jīng)濟(jì)，施工周期相對較短。

（4）在泵站建成交付使用后，管理運(yùn)行較為方便，有效降低了管理和維護(hù)成本。