雙向泵站在姚家匯閘站改建工程中的應(yīng)用

蘇 丹，趙 地

(1.黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.水利部黃河流域水治理與水安全重點實驗室(籌)，河南 鄭州 450003；3.河南省城市水資源環(huán)境工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450003)

1 項目概況

姚家匯閘站改建工程，屬于平湖市城市防洪擴展工程中的一座閘站工程。平湖是典型的平原河網(wǎng)地區(qū)，境內(nèi)的河道以東湖為中心，呈放射性分布。根據(jù)最新的城市國土空間規(guī)劃，中心城區(qū)的面積由原來的13.6km2，調(diào)整為90.1km2。近年來，極端天氣及超標洪水頻發(fā)多發(fā)，給未設(shè)防的區(qū)域造成了嚴重影響。在充分考慮防洪保護圈外部的防洪形勢，內(nèi)部的排澇能力以及對活水的需求，整合防洪、排澇兩大功能，銜接海綿城市建設(shè)、綠道建設(shè)、內(nèi)澇治理建設(shè)等規(guī)劃成果，通過建設(shè)水閘、閘站、堤防、河道、濕地等工程措施，充分發(fā)揮閘、泵的作用，構(gòu)建“風雨無憂、排擋結(jié)合”的防洪排澇體系；充分利用水利建筑物在非汛期的作用，銜接碧水繞城成果，利用雙向泵站[1]、岸坡綠化、濕地等工程，引活水入城，打造“水活景美、動靜結(jié)合”的生態(tài)水系廊道。

在新工程任務(wù)的前提下，原姚家匯水閘需改建為閘站，承擔起防洪排澇、兼顧引水的工程任務(wù)。

2 閘站改建工程布置方案

姚家匯水閘位于平湖市老城區(qū)的西側(cè)，所在的西文王港河，在平善大道下下穿，與西側(cè)的南市河相連通。水閘為人字門，凈寬為16m，于2008年建成投入運行，目前水閘狀況良好。現(xiàn)狀姚家匯水閘東側(cè)是住宅小區(qū)，西側(cè)距離小博士幼兒園約30m。閘站改建只能在現(xiàn)狀水閘與小博士幼兒園圍墻之間有限的空間內(nèi)布置。

根據(jù)周邊地形和引水排水的條件，初步考慮2種改建方案：①在原址改建老閘，做一體化泵站[2]方案，水泵與閘門結(jié)合為一個整體裝置系統(tǒng)，構(gòu)成一扇裝有潛水泵的水閘。泵閘采用側(cè)開型式，閘門開啟時，不占用河道，有利于通航。②老閘維持現(xiàn)狀，新增傳統(tǒng)泵站的方案。共考慮了5種具體的方案。

方案一：利用老閘改建一體化閘站+單向水泵

該方案做四孔流道，每個閘門上裝2臺單向泵，2個流道引水，2個流道排水。拆除原有水閘的2側(cè)邊墩及啟閉機井，利用原閘基及部分老閘底板。

方案二：利用老閘改建一體化閘站+雙向水泵

該方案做2孔流道，每個閘門上裝2臺雙向泵，2個流道既引水，又排水。底板部分拆除，部分保留，改造邊墩，增加中墩做閘門的鎖止裝置。

方案三：原水閘底板結(jié)構(gòu)加水泵改造方案

(1)在老閘底板上設(shè)置4臺泵，通過改造底板的相應(yīng)措施，將泵焊接在底板上；

(2)水泵后端設(shè)置特殊裝置實現(xiàn)閘門開閉時候與閘門的連接和分離；

(3)在閘門外側(cè)設(shè)置自動啟閉閘板(共計4塊)，泵站運行時，水通過洞口向外側(cè)輸水。泵站不運行時，關(guān)閉閘板保證閘門的密合性。

方案四：新增雙向泵站—干室泵坑方案

本方案保持原水閘現(xiàn)狀不動，在原閘西南側(cè)增加雙向泵站，泵房采用干室，上部做泵房建筑，泵室南北側(cè)地埋箱涵，與河道連通。

方案五：新增雙向泵站—濕室泵坑方案

方案五的布置與方案四基本相同，不同的是水泵的伸縮節(jié)與出水管之間有縫隙，泵坑為濕室型，水泵完全潛入水中，運行時噪音小，對周邊的噪聲影響小。上部不做泵房，采用鋼蓋板覆蓋。后期檢修采用臨時設(shè)備起吊。

方案一、二、三皆具有一定的創(chuàng)新性，一體化閘門側(cè)開控制，雖技術(shù)成熟，但與水泵結(jié)合的一體化型式，還未有已建成的工程案例，應(yīng)用效果尤未可知。方案五雖不做上部房建省了投資，但后期運行檢修維護，需要租用臨時起吊設(shè)備，存在檢修不便的問題。水泵檢修時要排出進出水流道和水泵內(nèi)的水，閘門的滲漏水。由于水泵檢修時的排水量，遠大于滲漏排水量，因此需要做單獨的檢修排水系統(tǒng)，與滲漏排水不能共用，因此需做2套獨立的設(shè)計。通過方案比選，姚家匯閘站改建采用方案四。

3 水泵型式選擇

姚家匯閘站的引水和排水流量均為12m3/s，具有低揚程、大流量的特點?？蛇x擇潛水軸流泵，使用X型流道，通過控制工作閘門和拍門實現(xiàn)雙向運行；也可以選擇潛水貫流泵雙向泵型，該泵為S型葉輪，可以實現(xiàn)電機的反轉(zhuǎn)從而實現(xiàn)雙向引排水[3-7]，如圖1所示。對2種泵型的技術(shù)經(jīng)濟進行比較，潛水貫流泵的裝置效率高于潛水軸流泵，潛水貫流泵的機電設(shè)備投資雖然較高，但是輔助設(shè)備較少，運行費用低。

從泵室泵房的土建布置上進行比較，潛水軸流泵的泵室順水流向長度比貫流泵泵室短，但埋深要更深，上部泵房的高度也更高，相應(yīng)土建開挖量較小，土建投資較低。綜合比較，采用潛水貫流泵更經(jīng)濟合理。

4 泵站工程設(shè)計

姚家匯新建泵站在汛期，當外河水位達到起排水位并有持續(xù)上漲趨勢時，關(guān)閉水閘，啟動水泵向外河排水，當內(nèi)河水位低于內(nèi)河運行最低水位時，關(guān)閉水泵。當處于非汛期或根據(jù)水質(zhì)監(jiān)測數(shù)據(jù)，內(nèi)河水質(zhì)有變壞趨勢，且最高水位在1.4m以下時，可關(guān)閉水閘，啟動水泵由外河向內(nèi)河引水。

姚家匯新建泵站軸線與原閘軸線基本平行，地下泵室為整體混凝土結(jié)構(gòu)，泵室順水流向長33.9m，垂直水流向?qū)?1.7m。因是雙向泵站，因此泵室下部對稱布置。泵站從外河到內(nèi)河側(cè)順水流向布置為：外河側(cè)快速閘門及攔污柵段、外河側(cè)流道段、主泵室、內(nèi)河側(cè)流道段、內(nèi)河側(cè)快速閘門及攔污柵段。內(nèi)外河側(cè)出口采用地埋箱涵與河道相連通，箱涵上部回填土恢復(fù)廠區(qū)地坪。

內(nèi)外河側(cè)水泵流道段，水泵流道的底板頂高程為-2.5m，底板厚度為1.5m，流道頂部平臺頂高程為0.5m，流道從水泵接口向外是從圓形到矩形的漸變，圓形直徑為1.8m，矩形寬×高為3.6m×2.5m。中間主泵室的底板頂高程為-3.05m，底板厚度為1.5m。泵室中間不設(shè)中墩，邊墩厚度為1m。水泵葉輪中心安裝高程為-1.6m。

泵站選用2臺潛水貫流泵，單泵流量6m3/s，裝置最高效率為67%。單臺泵組的最大起吊件為泵組，最大起吊重量約16.5t，因此，選用起吊重量為20t/5t的電動雙梁橋式起重機1臺，起重機起升高度為8m，橋機跨度為10m?？焖匍l門采用液壓啟閉機進行起吊，攔污柵與檢修閘門共槽，也采用橋機進行起吊。

圖1 潛水軸流泵站布置方案(左)與潛水貫流泵站布置方案剖面圖(右)

泵房建筑上部采用白色穿孔鋁板裝飾，同時結(jié)合開窗等立面元素設(shè)計。下部及控制室部分采用灰色真石漆設(shè)計，同時屋頂形式設(shè)計為波浪的曲線形式，營造韻律與生趣，與周邊環(huán)境相結(jié)合。

在姚家匯閘站上下游布置雷達水文測站，監(jiān)測實時水位，數(shù)據(jù)接入閘站控制數(shù)據(jù)網(wǎng)。姚家匯閘站水位通過本地通訊接入LCU屏柜后使其得以在上位機軟件中實時展示。雷達水位計數(shù)據(jù)接入計算機監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)通過RS485串口接入公用LCU屏中，并經(jīng)過分析處理得以展示，并存儲在本地數(shù)據(jù)庫中，在中控室的值班人員可在本地計算機監(jiān)控系統(tǒng)畫面上看到實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

姚家匯閘站改建選用雙向潛水貫流泵進行布置，滿足閘站改建的功能需求，排出澇水，保障內(nèi)河區(qū)域的防洪安全；引入活水，促進內(nèi)外河水動力改善和水質(zhì)提升。該項目計劃于2023年開工建設(shè)，建成后將發(fā)揮防洪排澇和水環(huán)境改善的重要作用?？蔀轭愃乒こ痰姆桨冈O(shè)計提供一定參考。