白水湖雙港防洪排澇站工程設計思路與方法

羅江紅

(南昌市水利規劃設計院，南昌330009)

白水湖區域位于南昌市昌北城區東北部，地處贛江主支左岸，為贛江下游濱湖尾閭地區，區域內地勢低洼，路面高程一般在19.00～23.00 m(黃海高程系統)，每當汛期區內易形成洪澇災害。為了適應城市工業園區規劃建設需要，確保工業園區建成后的防洪排澇安全，需提高環保工業園的防洪排澇能力，擬建白水湖雙港防洪排澇站。

1 確定防洪治澇標準

泵站設計第一步就是確定防洪治澇標準與工程規模，之后才能進行水文計算。根據國家相關規程規范的要求準確確定工程的標準和級別。有很多城市防洪工程已經列入了前期城市水利工程規劃中，已明確工程的級別和標準，這類工程不需要確定標準和級別，只有復核正確就可以了。

白水湖雙港防洪排澇站按《防洪標準》(GB50201-94)、《堤防工程設計規范》(GB0286-98)、國務院轉批水利部《關于加強長江近期防洪建設若干意見的通知》(國務院發(1999)12號文)和《江西省南昌市城市防洪規劃報告》(修編)審查意見(水利部辦水總［2003］59號文)，確定相應防洪標準為50 a一遇。白水湖雙港電排站的治澇標準為20 a一遇，1 d最大暴雨加1 d污水量排出不淹重要建筑物高程。

2 水文計算

水文計算一定要精準，對有疑問地方一定要反復論證，以便為確定泵站規模提供科學依據。

2.1 設計排澇水量

2.1.1 治澇分區與治澇標準

雙港電排站位于白水湖區域的南岸堤終點與雙西堤起點的交匯處的濱江北大道上，匯水范圍為雙西堤、南岸堤、前港堤、鄧家坊導托渠西堤及建豐堤所合圍區域，總匯水面積10.73 km2。區內地墊南北高，中間低，一般地面高程18.50～23.00 m，該區域來水皆由城市管網匯入白水湖湖區內。白水湖環保工業園開發前，該區域來水采用自排、電排相結合的方式排入贛江。根據《南昌市城市防洪規劃(修編)》安排，為了統籌解決該區域治澇問題，并提高區域的治澇標準，采取改擴建原雙港電排站成站閘結合的方案，集中將區域來水排入贛江。

2.1.2 設計暴雨

移用與治澇區域鄰近的南昌站設計暴雨為治澇區設計點暴雨，根據南昌站設計暴雨分析成果，20 a一遇最大1 d暴雨量為186.8 mm。

2.1.3 污水量

雙港電排站污水量為居民生活污水加工業廢水。目前，南昌市白水湖環保工業園下莊湖污水處理廠正在規劃當中，還未建設。根據白水湖環保工業園區的建設規模及工業園區管委會相關部門的意見，在本次設計中，該區域廢污水量按10萬 m3/d計算。

2.1.4 設計排澇水量

排澇區內無流量觀測資料，設計排澇水量通過設計暴雨途徑推求。由于排澇區面積不大，區域暴雨點面折算系數取1.0。考慮城區房屋屋面、混凝土和瀝青路面等不透水覆蓋面面積大，綜合徑流系數取 0.9;生產、生活廢污水按10萬 m3/d計。

為了減少雙港電排站裝機規模和年運行費用，將白水湖湖區及晨鳴路段的后港堤挖除，使現有白水湖湖區與部分渠道合二為一成為電排站的調蓄區，根據調蓄區現有水面并結合城市景觀建設需要，調蓄區水面面積定為0.40 km2。經分析，電排站外江(贛江)汛期(4—7月)平均水位約16.5 m，根據防護區地形條件結合城市下水管道埋設以及外江水位情況，調蓄區最高水位確定為17.5 m，最低水位16.5 m，調蓄水深1.0 m，調蓄容積為40萬 m3。

雙港電排站排澇標準為20 a一遇1 d暴雨一日排至不淹重要建筑物高程。20 a一遇最大1 d暴雨為186.8 mm，相應凈雨水量為180.39萬 m3，1 d內總污水量為11萬 m3，總水量為190.39萬m3。考慮40萬m3的調蓄水量后，總排水量為150.39萬 m3。計算成果見表1。

表1 雙港電排站排澇計算成果表

2.2 特征水位

蓄區正常蓄水位為16.0 m(景觀水位)，最高蓄澇水位為17.50 m，起調水位(即電排站起排水位)為16.50 m，調蓄水深1.0 m。

設計最高內水位:由于區域內調蓄較小，且區內城市建設用地高程基本已填至19 m以上，電排站最高內水位按略高于地面高程確定，取為19.20 m。

設計內水位:根據調蓄要求，取調蓄區平均水位為設計內水位，為16.50 m。

最高運行內水位:取調蓄區最高蓄澇水位，為17.50 m。

最低運行內水位:根據城市規劃及排湖要求確定，為15.00 m。

防洪外水位:取相應外江50 a一遇洪水位，為22.22 m。

設計外水位:取排水期外江20 a一遇最高3 d平均水位，為21.65 m。

最高運行外水位:取相應外江50 a一遇洪水位22.22 m為最高運行外水位。

最低運行外水位:采用起排內水位加0.1 m作為最低運行外水位，最低運行外水位為16.60 m。

特性水位見表2。

表2 雙港電排站特征水位表

3 工程規模和工程布置

水文計算完成后，可進行水力學計算，計算出泵站設計排水流量，據此確定泵站規模，進行設備選型。

3.1 確定排澇流量

雙港電排站位于白水湖區域的南岸堤終點與雙西堤起點的交匯處的濱江北大道上，匯水范圍為雙西堤、南岸堤、前港堤、鄧家坊導托渠西堤及建豐堤所合圍區域，總匯水面積10.73 km2。其排水量為該治澇區域內的雨水加污水量。據表1成果，區域內需排水總量為150.39萬m3，按電排站日開機時間22 h計，用平均排除法求得雙港電排站的設計排水流量為18.99 m3/s。

雙港電排站為站閘結合工程，其調度運行原則的確定依據為:白水湖平均湖底高程約為14.0～14.5 m，根據景觀要求與市政下水管出口高程要求，白水湖正常蓄水位(即景觀水位)為16.5 m;據水文分析，電排站出口處贛江汛期平均水位約16.5 m;經綜合分析，自排閘關閘水位和電排站起排水位確定為16.5 m;最高蓄澇水位為17.5 m，調蓄水深為1.0 m。據此，電排站的運行方式確定為:當外江水位低于16.5m時，由自排閘控制下泄水量等于來水量并維持內湖水位為景觀水位16.0 m;當外江水位高于16.5 m時，閘門關閉，啟動電排站抽排來水并使內湖水位盡可能維持在16.5 m，當來水大于排水能力時，來水滯蓄于調蓄區內，直至最高蓄澇水位;當外江水位在16.0～16.5 m時，仍由自排閘自泄來水，以減少電排站的運行費用，但此時內湖水位將超出景觀水位，由于超出較少，對景觀水位影響不大。

3.2 泵站規模和基本布置

按照《泵站設計規范》GB/T50263-97，泵站規模屬中型，泵站等別為Ⅲ等，泵站主要建筑物級別為3級，次要建筑物4級。

雙港電排站設計排澇流量為18.99 m3/s，采用4臺1400QZB-70型潛水軸流泵，單機功率為500 kW，排澇總裝機容量為2 000 kW，另外為白水湖湖區換水之用的提灌設計流量為2.5 m3/s，采用兩臺700QZB-50型潛水泵，提灌裝機容量為320 kW，電排站排、灌總裝機容量為2 320 kW，泵站由進水系統、泵房、出水系統、消力池及提灌系統組成。進水建筑物主要包括進水渠、檢修閘、攔污柵、工作橋、前池等。

圖1 白水湖雙港防洪排澇平面布置圖

4 部分要點計算詳解

4.1 設計揚程計算

4.1.1 泵站凈揚程Hst

確定內外河水位差

4.1.2 裝置揚程

1)進口水頭損失

(計算公式查泵站設計手冊公式)

包括閘墩的水頭損失、攔污柵的水頭損失、閘門水頭損失

2)出口水頭損失

3)管道損失揚程

4.1.3 考慮出水池水位最大涌高

電排出水時有一個出水涌高，出水池水位最大涌高計算如下:

1)最大水位涌高計算

式中:YM為最大水位涌高值，見《給排水設計手冊第5冊》(3-16)式;Q為水泵出水量，m3/s;L為出水總管長度，m;A為出水池面積，m2;a為出水總管斷面積，m2;g為重力加速度，9.81m/s。

2)出水池至放流河道之間的全部水頭損失

式中:YO為出水箱涵的全部水頭損失，見《給排水設計手冊》(第5冊3-17式);V為出水總管流速，m/s;C為流速系數;R為出水總管水力半徑，m;ζ進為出水總管進口水頭損失系數;ζ出為出水總管出口水頭損失系數。

3)出水池最大涌水高程

式中:ZO為放流河道最高水位。

本工程出水池的水位涌高計算，按照調壓塔原理分析計算，確定最大涌水位高程。

泵站設計揚程為凈揚程Hst加上以上損失之和。

4.2 進水閘設計計算

1)進水閘水力計算按《水閘設計規范》(A.0.1-1)公式計算:

式中:B為總凈寬，m;Q為過閘流量，m3/s;(設計流量18.99 m3/s);σ為堰流淹沒系數;ε為堰流側收縮系數;m為堰流流量系數，取m=0.35;H0為計入行進流速水頭的堰上總水深，m;按泵站設計內水位，設計流量控制及泵站最低內水位，設計流量的1/4控制，經計算滿足上述條件，進水閘底板高程13.30 m，閘孔寬度3.0 m。

2)閘室抗滑穩定計算:

①抗滑穩定按《水閘設計規范》(7.3.6-1)公式計算，

式中:［Kc］為抗滑穩定安全系數允許值;Kc為抗滑穩定安全系數;∑G為全部豎向荷載之和;∑H為全部水平荷載之和;f為基底磨擦系數。

②水閘基底應力計算按《水閘設計規范》(7.3.4-1)公式計算。

式中:P max，Pmin為水閘基礎底面應力的最大值或最小值，kPa;∑M為水閘基底以上全部豎向和水平荷載對基座垂直水流向的形心軸的力矩KN·M;W為水閘基底對該面垂直水流向的形心軸的截面矩，m3。

根據進水閘各工況驗算閘室穩定情況，驗證閘室能否滿足抗滑要求及基礎能否滿足承載能力。

其它常用計算在給類水力學書中都有敘述，也可參考泵站設計規范，在此就不重復介紹。

5 結論

泵站設計比較復雜，對技術要求較高，設計人員在設計時，一定要掌握正確的方法，有一套清晰的設計思路，否則設計出來的成果很容易前后矛盾，重新推翻原有設計方案，設計質量也不高。設計步驟正確，步步相關，前后驗證，方案反復比較，這樣才能設計出高質量高水平的排澇泵站。

［1］丘傳忻.泵站工程［M］.武漢:武漢大學出版社，2001.

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［6］談松曦.水閘設計［M］.北京:水利電力出版社，2006.

［7］水利水電規劃設計管理局.SL/T191—96水工混凝土結構設計規范［S］.北京:中國水利水電出版社，1997.

［8］水利水電規劃設計管理局.DL5077—1997水工建筑物荷載設計規范［S］.北京:中國水利水電出版社，1997.

［9］水利水電規劃設計管理局.GB50288—99灌溉排水工程設計規范［S］.北京:中國計劃出版社，1999.

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