樟樹市三湖聯圩安豐電排站設計方案分析

胡 亮，殷真真

(1.東莞市水利勘測設計院有限公司江西贛南分公司，南昌 330000；2.南昌市新建區水利局，南昌 330000)

1 工程概況

樟樹市三湖聯圩位于贛江下游左岸，袁河下游出口段右岸，贛江與袁河交匯口上游的三角地帶。三湖聯圩澇區(樟樹市澇片)涵蓋洲上鄉全境，涉及三湖聯圩堤內農田及居民，三湖聯圩保護耕地3.28×104畝，工程區分布于洲上鄉區域內，兩側為袁河和贛江。

安豐澇區位于三湖聯圩、袁河右岸，集水面積14.54km2，根據現場實際情況調查，圩區內澇水基本只能通過安豐閘和安豐電排站排泄。

安豐電排站位于洲上鄉三湖聯圩嚴埠村附近，是一座純電排的排澇站。始建于1965年，現狀布置有4臺立式軸流泵。每個水泵出水管均接穿堤壓力鋼管，穿堤壓力鋼管外河出口采用鑄鐵拍門。泵站由前池、泵房段、壓力鋼管段、出口護坦段組成。現狀電排站機電設備破損、缺失、混凝土老化，已無法正常運行。現狀僅靠臨近的自排閘排澇，當外河高水位時澇水無法正常排出，內澇嚴重，設計擬對其進行原址拆除重建。

2 泵站主要設計參數

2.1 泵站設計流量

設計排澇流量采用平均排除法求得，計算公式為：

Q排=W排/0.36tT
W排=W產-W田滯蓄-W調蓄

(1)

式中：Q排為設計排澇流量，m3/s；W排為設計澇水量，萬m3；W產為設計產水量，萬m3；W田滯蓄為田間滯蓄水量，萬m3；W調蓄為調蓄區調蓄水量，萬m3；t為泵站日開機時間，h；T為排澇天數，d。

泵站日開機時間取22h。

安豐澇區位于三湖聯圩、袁河右岸，集水面積14.54km2，區域內澇水由安豐閘或安豐電排站排入袁河，當內河水位高于外江水位時，區域內澇水由安豐閘排出；當內河水位低于外江水位時，關閉安豐閘，區域內澇水由安豐電排站抽排。

安豐澇區集水面積14.54km2，10a一遇3d暴雨量為252.6mm，綜合徑流系數取0.9，產水量330.55萬m3，同時澇區內有農田、水塘和洼地，水田滯水量43.62萬m3，調蓄區蓄澇水量為16.72萬m3，因此，設計澇水量為270.21萬m3，機組開機時間取66h，設計排澇流量為11.37m3/s。

2.2 設計水位

2.2.1 設計外水位

外水位包括防洪水位、最高運行水位、設計運行水位、最低運行水位及平均水位等。

1)防洪水位：采用堤防設計防洪水位。

2)最高運行水位：采用排水期20a一遇的最高一日平均水位。

3)設計運行水位：采用排水期10a一遇的最高一日平均水位。

4)最低運行水位：采用排水期外河歷年最低水位平均值。

該設計涉及的澇區所在斷面均位于贛江樟樹水文站附近,根據樟樹站相關設計水位推算電排站斷面相關設計水位。電排站站設計外水位成果見表1。

2.2.2 設計內水位

內水位是計算揚程及確定水泵安裝高程與運行方式的依據，它包括最高水位、最高運行水位、設計運行水位、最低運行水位及平均水位等。

該工程設計內水位根據《泵站設計規范》(GB50265-2010)，由設計澇區地形資料以及相關基本資料分析確定。

1)最高水位：取排水區建站后重現期10-20a一遇的內澇水位，本次取排澇重現期20年一遇的內澇水位。

2)最高運行水位：該水位是排水泵站正常運行的上限排澇水位，超過這個水位，將擴大澇災損失，因此，最高運行水位應在保證排澇效益的前提下，根據排澇設計標準和排澇方式，經過綜合分析計算確定。

3)設計運行水位：本設計根據澇區耕地95%以上不受澇的高程并考慮坡降損失來確定設計運行水位。

4)最低運行水位：該水位是排水泵站正常運行的下限排澇水位，是確定水泵安裝高程的依據。本設計以滿足澇區95%以上的耕地排除漬水要求，按大部分耕地高程減去作物適宜地下水深度，再減0.3m進行確定。工程區種植作物為水稻，其適宜地下水深度取0.5m。

綜合上述情況，確定安豐電排站設計內水位，成果見表1[1]。

3 電排站設計

3.1 工程布置

安豐電排站為堤后式電排站，主要由進水系統、泵房和出水系統3大部分組成。

1)進水系統：

進水閘進口設進水渠，進水渠采用干砌塊石護坡，進水渠接現狀泵站主排渠。進水渠段底寬為6.2m。進水渠后接攔污進水閘。

攔污進水閘采用開敞式鋼筋混凝土整體閘室結構，閘室順水流方向長6.0m，4孔，孔口凈寬為3.0m，進水閘底板高程為25.50m，閘墩頂高程為30.50m，啟閉平臺高程為35.00m，進水閘設清污機一臺。攔污進水閘后接進水前池。

表1 安豐電排站設計水位成果表

進水前池垂直水流方向底寬為15.6m-19.6m，順水流方向長95.0m，兩側設C20素混凝土重力式擋墻，下設100mm厚C10混凝土墊層，縫間采用聚乙烯閉孔泡沫板填縫，為了減輕混凝土底板承受水壓，設直徑70mmPVC排水管，土工布包裹，內設反濾，間距為2.0m梅花型布置。進水前池后緊接泵房，前池底板下游接泵房底板，底板相接位置設有20mm分縫，采用止水銅片止水，縫間聚乙烯閉孔泡沫板嵌填。

2)泵房布置：

泵房為堤后式地面廠房，垂直水流方向長度為20.80m，順水流方向寬度為8.1m。泵房邊墩厚0.6m，底板厚度為0.8m。布置5臺900ZLB-850型立式軸流泵，5臺機一字并排布置，機組間距2.2m，配套5臺YX450-12/220kW型異步電動機方案。機組中心線距上游排架柱內邊線4.60m。

水泵層高程為27.20m，電機層高程為30.56m。泵房底板頂面高程為24.82m，水輪機葉輪中心線高程分別為26.30m。立式軸流泵采用喇叭口進水方式，水泵出口接壓力水箱經出水涵管排至外河。

為方便機組檢修，在主泵房一側設安裝間，垂直水流方向長度為6m，順水流方向寬度與主泵房長度相同，為8.1m。

根據地勘資料，安豐電排站泵房底板座落于粉細砂基礎上。

3)出水系統：

出水系統由壓力水箱、穿堤箱涵、防洪閘、消力池、出口護坦段組成。

壓力水箱為梯形，順水方向長15.0m，底板面高程為27.70m。進、出口凈寬分別為19.6m、2.2m。底板、頂板及側墻厚度均為0.5m。

壓力水箱后接穿堤箱涵，箱涵的孔口尺寸為2.2m×2.2m(寬×高)，箱涵壁厚為0.5m，箱涵底板高程27.70m。箱涵共3節，單節長9.0m。

在堤外設防洪閘，長8.0m，底板高程為27.70m，閘墩頂高程31.40m。閘門啟閉平臺高程為35.26m，上設啟閉閘房。設有交通便橋從啟閉平臺通向堤頂。

當汛期外河水位高時關閉該閘門，閘門擋外河設計洪水。閘門運行方式為動水啟閉，啟閉設備選用手電兩用螺桿式啟閉機，閘底板厚0.8m。邊墩厚0.8m。

消力池采用鋼筋混凝土結構，池底板與出水閘底板水平銜接，總長25.23m，消力池底板頂面高程25.00m，消力池板厚0.5m，池寬2.2-7.57m，池深0.5m。消力池出口與出水護坦相接[2]。

出水護坦高程25.50m，底寬7.57m，采用400mm厚M10漿砌石，下設150mm厚砂礫石墊層。順水流向長6.0m，垂直水流向寬10.0m。

圖1 電排站縱剖面圖

3.2 設計計算

3.2.1 滲流穩定計算

外河水由防洪閘滲入，由進水池底板上逸出，地基土層為礫砂，基礎防滲長度應滿足：

L/ΔH≥C

(2)

式中：L為基礎防滲長度，m；ΔH為上下游水位差，m，外河設計洪水位34.06m，堤內設計水位為28.2m，ΔH=5.86m；C為滲徑系數，參照《水閘設計規范》，3-9(黏土-細砂)。

根據建筑物布置，防滲長度L=55.7m，L/ΔH=9.51，滿足規范要求，滲透穩定滿足要求。

3.2.2 進水閘過閘流量復核

根據水泵進口流道平面寬度，選取進水閘為4孔，單孔凈寬3.0m，按無底坎寬頂堰流計算過閘流量，計算公式如下：

Q=σsσcmnb(2g)1/2H03/2

(3)

式中：b為每孔凈寬；n為閘孔孔數；H0為包括行進流速水頭的堰前水頭；m為自由溢流的流量系數，本次取0.368；σc為側收縮系數，本次取0.94；σs為淹沒系數，本次取0.4。

經計算在設計內水位工況下，進水閘的最大過閘流量可達19.25m3/s>Q設計=6.43m3/s，故進水閘孔口尺寸滿足規范要求。

3.2.3 泵房穩定分析

泵房穩定計算工況分別考慮完建期、設計水位和最高水位三種工況，荷載組合詳見表2。

表2 荷載組合表

根據地質資料，泵房基礎座落于粉細砂上，承載力標準值120KPa，混凝土與粉細砂之間基底摩擦系數f為0.40。泵房地基允許承載力按基礎寬度、埋深修正后取用，其基礎允許承載力按《泵站設計規范》(GB50265-2010)中(B.1.2-1)式計算。泵房穩定及基底應力計算成果詳見表3。

表3 泵房穩定、應力計算成果表

由表3可知，泵房穩定及基底應力在基本組合和特殊組合Ⅰ各種工況下，計算成果均滿足相關規范要求。

表4 防洪閘穩定及基底應力計算成果表

表5 安豐電排站選定機組參數表

3.2.4 防洪閘穩定計算

防洪閘穩定計算工況分別考慮完建期和最高水位兩種工況，計算公式同章節。

根據地質資料，防洪閘座落于粉質黏土上，承載力標準值160kPa，混凝土與黏土之間摩擦系數f為0.28。計算成果詳見表4。

計算結果表明，防洪閘穩定及基底應力均滿足規范要求[3]。

3.2.5 消能計算

防洪閘后消力池消能計算考慮河床水位較低，設計過流量為6.43m3/s工況。經計算，結合實際地形等綜合條件，確定消力池尺寸為：消力池池長27.73m，池深0.5m，池厚0.6m，斜槽段坡比為1∶4。

3.3 水泵機組選型

根據電排站特征參數，及其揚程、流量情況，選定泵站采用立式軸流泵方案；又由于電排站規模相對較小，故水泵葉片調節方式均采用半調節。

4 結 語

文章從泵站設計流量、泵站揚程、工程布置，機組選型以及相關設計計算等角度對安豐電排站工程設計方案進行了綜合分析，經驗證，電排站設計方案合理，外河水位高時，圩內澇水能正常排泄，徹底解決了圩區內澇問題。