地下式泵閘結構設計

唐 潔，吳雄遠，李明治

（上海勘測設計研究院有限公司，上海200434）

水利工程擔負著防洪、排澇、調水和改善水環境的任務。城市水利工程，其外形風格要與城市的建筑風格相統一，同時應重視兩岸景觀設計，營造人與自然和諧相處的環境。設計時可通過對水工建筑物結構造型的改變，弱化口門建筑物體量設計，來實現功能與景觀的完美融合。

1 工程概況

蘇州市金雞湖水環境綜合治理項目位于蘇州市工業園區，項目在深化控源截污的基礎上，采取以調水引流為主，同時實施出入湖河道綜合整治、生態修復及智慧管控等工程與非工程措施的協同作用，提高金雞湖及周邊區域整體環境質量，改善生態環境，達到綜合治理目的。

木沉港泵閘工程是蘇州市金雞湖水環境綜合治理項目其中的一項工程，是調水引流的關鍵節點。工程位于蘇州市工業園區葑亭大道南側的木沉港河道上，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，功能為從陽澄湖向金雞湖引水，安裝4臺平面“S”型軸伸貫流泵，考慮到在防汛結束或者重新啟動調水引流的換水初期，需要加快金雞湖水體置換，加大引水流量，并提高機組運行保障，泵站采用三用一備。節制閘布置在西岸，功能為泵站引水時的水位控制，單孔布置。

2 設計思路

木沉港泵閘作為城市水利工程，對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，無凸出地面較高的建筑物遮擋視線。因此，設計時弱化泵閘體量，采用地下式結構，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 設計難點

由傳統的地面式泵閘轉變為地下式泵閘，存在許多設計上的難點：

1）傳統的泵閘上部結構承擔一定的功能，泵房上部結構設置吊車梁，水閘上部結構設置啟閉機。地下式泵閘需要解決在取消建筑物上部結構的同時保留建筑物功能不變的難點。

2）水泵運行有上方凈空高度的要求，地下式泵站與傳統的地面式泵站相比，立于水下部分更多，猶如一個大的空箱結構立于水中，揚壓力增大，自重相同的情況下，地基應力小，不同工況下受力的微小改變，容易導致泵站的穩定計算應力數值變化較大。因此，地下式泵站需要解決揚壓力增大的同時泵房應力比滿足規范要求的難點。

3）地下式泵站與傳統的地面式泵站相比，埋深更深，承受土、水壓力產生的水平力更大，由于跨度較大，鋼壩和泵站采用分離式結構布置。泵閘兩側水平力相差大，泵站和閘室穩定計算中抗滑穩定安全系數難以滿足規范要求。如何解決水平力增大的同時泵房抗滑穩定安全系數滿足規范要求也是設計難點之一。

4）泵房屋面采用綠化屋面，覆土50cm厚，順水流方向跨度14.5m，屋面跨度較大，荷載較大，常規的鋼筋混凝土梁梁高較大，為滿足泵房內泵組檢修起吊凈空，需抬高屋面高程；若采用反梁結構，則主梁突出地面太高，影響美觀。地下式泵站還存在頂面結構與景觀融合的設計難點。

解決好這些問題，才能使工程在保證結構安全可靠、內部功能使用方便的同時，達到與周圍環境融合為一的效果。

4 技術方案

4.1 泵閘結構型式比選與確定

工程平面布置為“泵+閘”的形式，從優化結構型式、減少工程占地、節省工程投資等因素出發，采用兩個方案進行比選：方案一，泵閘底板為整體式結構，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構，即外閘首底板與泵站底板分開，底板之間設沉降縫。

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寬約50m，根據SL265-2016《水閘設計規范》第4.2.13條，在閘室底板與泵房底板間設置縫墩，將閘室底板與泵房底板布置為分離式結構，見圖1。

圖1 木沉港泵閘橫剖面示意圖

4.2 節制閘

為實現節制閘與地面齊平的要求，節制閘采用鋼壩（底軸翻板閘門）+空箱型式。鋼壩空箱位于河岸一側，空箱整體低于地面50cm，面上覆土種植綠化，僅留進人孔和風井露出地面。鋼壩能夠實現立門蓄水，臥門過流，同時還可通過閘門門頂過水，達到調節水位并形成人工景觀瀑布的效果。

4.3 泵房綠化屋面

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

泵房采用綠化屋面，覆土厚0.5m，順水流方向跨度為14.5m，屋面跨度大，荷載大。若采用鋼筋混凝土梁，為使結構滿足要求，需加高主梁截面高度，則主梁突出地面太高，影響美觀，達不到地下式結構的效果。因此，主梁采用型鋼混凝土梁結構，使用PKPM計算軟件，結合現行結構規范完成各種荷載的加載及荷載組合，并完成對整個屋面結構內力和配筋分析計算，實現在滿足結構要求的同時減少梁截面高度。采用型鋼混凝土梁比鋼筋混凝土梁高程降低0.5m，結構更安全可靠。

4.4 泵閘結構優化

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構布置。地下式結構埋置深，泵閘兩側土壓力產生的水平力較大，因水平力大、自重輕，泵站穩定計算和閘室穩定計算中抗滑穩定安全系數難以滿足規范要求。因此，在泵與閘之間局部設置并縫結構，兩側部分土壓力互相抵消，減少水平力，提高抗滑穩定安全系數，同時滿足泵閘之間沉降縫的要求。

2）優化底板尺寸

地下式結構揚壓力大，地基應力小，泵站穩定計算不易滿足規范要求。泵站采用的泵型為“S”型軸伸貫流泵，底板為不規則結構，通過對泵房順水流和垂直水流雙向計算分析，在地基應力小的一端延伸底板尺寸，增加土重，來調節地基應力比。

4.5 優化進出水池

為改善泵站進水水流流態，進水池坡比采用1∶5從河底高程漸變至底板底高程，進水池中墩開設城門洞，使進水池形成一個水系連通的結構，見圖2。

圖2 進水池剖面示意圖

4.6 通風及采光

地下式泵房相較于常規泵房，存在通風及采光條件較差的問題，設計時通過在泵房內增設機械通風系統、機械補風系統和排煙系統來滿足地下式泵房通風要求；同時在泵房頂開設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

泵房出水側泵墩厚3.2m，進水側泵墩厚2.8m，鋼壩閘底板局部厚3.0m。泵墩、閘底板體積較大、形體較復雜，施工周期短。因此，需對大體積混凝土的澆筑采取相應的溫控防裂措施：

1）盡量縮短底板與墩墻混凝土澆筑的間隔時間，加強混凝土后期養護，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%，砌塊距構件邊界的距離不小于0.5m；

3）對混凝土防裂要求較高的部位適當摻入混凝土抗裂劑或抗裂纖維；

4）采取控制入倉溫度、澆筑時間、埋設冷卻水管等溫控措施。

5 地下式泵閘結構設計

5.1 泵站

1）主泵房布置

泵站布置在木沉港東側，單泵流量為5m3/s，設計總流量為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，水泵機組中心線間距為6.0m。主泵房垂直水流方向長36.3m，底板寬（順水流方向）27.1m，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27.1m，為適應周圍景觀環境的要求，降低泵房高度，采用綠化屋面。管理區地面高程為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。泵房側墻為鋼筋混凝土墻，屋面為板梁結構，內部設10t+10t電動葫蘆橋式起重機。泵房均采用C30鋼筋混凝土現澆結構，側墻牛腿上設吊車梁，軌頂高程為2.25m。

2）安裝間布置

安裝間布置在泵房東側，寬9.5m、長14.5m，安裝間與泵房為整體結構，吊車梁延伸至安裝間內，便于機組的吊裝、檢修。安裝間的底板及屋面高程同泵房高程，設備平臺高程為-1.15m，為框架結構。屋頂設吊物孔，孔口尺寸為3.0m×6.0m。

3）進、出水池布置

進、出水池順水流均為15.0m。進水池臨水側邊墩厚1.1m，頂高程為3.00m；臨土側邊墩厚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漸變至現狀河底高程-2.00m，底板厚1.0m。進、出水池的底板上均設置?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漸變至現狀河底高程-2.00m，底板厚1.0m。

工作橋位于進水池進水側，順水流向長3.5m。臨水側邊墩厚1.1m，其余邊墩和中墩厚1.0m。工作橋橋面寬2.0m，為板梁結構，梁底高程為3.0m，橋面高程為3.70m。根據泵站運行管理需要，在工作橋進水側設置1道攔污柵。

5.2 節制閘

節制閘順水流方向長約14.5m，寬約15.2m，采用鋼筋混凝土整體塢式結構，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），采用液壓啟閉機操作，液壓啟閉設備放置于邊墩空腔內。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。局部設進人孔頂高程3.0m與地面齊平，進人孔設置鋼蓋板。

出水側（陽澄湖側）消力池采用U型鋼筋混凝土結構，底板頂高程由-3.85m按坡比1∶4漸變至現狀河底高程-2.00m，底板厚1.0m。進、出水側消力池底板上設置?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 結語

木沉港泵閘已施工完成并運行良好，工程的實施，展現了水清岸美、城水相依的美景。地下式泵閘設計方案可為對景觀要求較高地區建設泵閘提供參考。