小流域防洪排澇影響下新建泵站的設(shè)計(jì)研究

徐廣榮

(廣州市花都區(qū)河涌管理中心，廣東 廣州 510000)

1 項(xiàng)目背景

項(xiàng)目區(qū)位于廣東省東部，河流水系發(fā)達(dá)，現(xiàn)境內(nèi)主要河流有5條截洪渠：黎村、大厚、謝崗、趙林和曹樂截洪渠，過境主要河流(內(nèi)河承泄區(qū))有潼湖水謝崗涌和石鼓水，其他小型河流還有黃京坑水、馬公坑水等。五條主要截洪渠作為排洪通道排山洪入外河謝崗涌。截洪渠之間的區(qū)域?yàn)闈硡^(qū)，通過支渠與謝崗涌、截洪渠相連，通過泵站強(qiáng)排解決區(qū)域內(nèi)澇。

項(xiàng)目區(qū)舊排站所處排水區(qū)集雨面積4.72 km2，該防澇區(qū)域含粵海西部廠區(qū)、趙林舊村、粵海大道、高標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)田等，匯水由西亞排站、雞公石排站聯(lián)合抽排到堤圍外的趙林截洪渠。西亞排站裝機(jī)容量840 kW，設(shè)計(jì)流量12.60 m3/s，雞公石排站裝機(jī)容量560 kW，設(shè)計(jì)流量7.66 m3/s，以上2個排站合計(jì)設(shè)計(jì)流量20.26 m3/s。

雞公石排站在廣東能源東莞謝崗調(diào)峰氣電項(xiàng)目建設(shè)用地紅線內(nèi)，需要拆除。拆除雞公石排站后，澇區(qū)的匯水由西亞排站獨(dú)立抽排，按20年一遇排澇標(biāo)準(zhǔn)復(fù)核，澇區(qū)的排站所需抽排流量29.07 m3/s。西亞排站設(shè)計(jì)流量12.60 m3/s，還差抽排流量16.47 m3/s的缺口，需按流量16.47 m3/s的規(guī)模新建雞公石新排站。

2 水文與工程地質(zhì)條件

2.1 水文

項(xiàng)目區(qū)屬于水力侵蝕為主的類型區(qū)—南方紅壤丘陵區(qū)，土壤容許流失量為500 t/km2·a。不屬于國家和廣東省劃定的水土流失重點(diǎn)預(yù)防區(qū)和重點(diǎn)治理區(qū)，水土流失類型主要是降水面蝕和地表徑流沖刷引起的水力侵蝕，主要表現(xiàn)形式為面蝕和細(xì)溝狀侵蝕。

降雨主要集中在每年4—9月份，暴雨類型主要有鋒面雨和臺風(fēng)雨，鋒面雨一般發(fā)生在4—6月，降水范圍和強(qiáng)度大、歷時(shí)長；臺風(fēng)雨一般出現(xiàn)在7—9月，范圍小、歷時(shí)短、強(qiáng)度大。一次暴雨持續(xù)時(shí)間多在三日以內(nèi)，以一日為主，實(shí)測最大一日降雨量367.8 mm(東莞市氣象站，1981年7月1日)。從降水量及過程特征分析，造成局部地區(qū)洪澇災(zāi)害的降水主要為短歷時(shí)暴雨，其特點(diǎn)是暴雨歷時(shí)短而強(qiáng)度大。

2.2 工程地質(zhì)條件

擬建工程重要性等級為二級，場地和地基復(fù)雜程度等級為二級，巖土工程勘察等級為乙級。場地抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，本工程場地區(qū)類別可定義為Ⅱ類區(qū)域，地震動峰值加速度為0.05 g，設(shè)計(jì)特征周期0.35s。

勘察場地及附近未發(fā)現(xiàn)有巖溶、泥石流、采空區(qū)、地面沉降等不良地質(zhì)現(xiàn)象和地質(zhì)災(zāi)害。勘察場地未發(fā)現(xiàn)埋藏的河道、溝浜、墓穴、防空洞、孤石等對工程不利埋藏物。中風(fēng)化巖層內(nèi)無洞穴、臨空面、破碎巖體及軟弱巖層面。場區(qū)內(nèi)表層主要為填土層，下層局部為淤泥質(zhì)土，綜合判定場地為穩(wěn)定性差場地，場地適宜性差，特殊性巖土經(jīng)處理后可消除其不利影響，處理后的場地可達(dá)到基本穩(wěn)定區(qū)，較適宜本工程的建設(shè)。

3 工程總體布置

3.1 工程任務(wù)與等級

因廣東能源東莞謝崗調(diào)峰氣電項(xiàng)目用地需要拆除原雞公石排站，為恢復(fù)排澇功能，需在調(diào)峰氣電項(xiàng)目地塊北側(cè)紅線外新建謝崗鎮(zhèn)雞公石排澇工程，保障區(qū)域洪澇安全。

本工程排站、箱涵、排渠等設(shè)計(jì)防洪標(biāo)準(zhǔn)采用50年一遇，排澇標(biāo)準(zhǔn)采用20年一遇24 h暴雨徑流量1天排出基本不成災(zāi)。泵站設(shè)計(jì)流量為17.96 m3/s，根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50265—2022)，確定工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模為中型。因此，本工程主要建筑物3級，次要建筑物4級，臨時(shí)建筑物為5級。

3.2 布置原則

(1)確定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為20年一遇24 h暴雨1 d排干，在布置新建排澇站的同時(shí)，考慮新建排澇站與現(xiàn)狀渠道的情況，做到新舊建筑物相結(jié)合。

(2)統(tǒng)籌兼顧的原則。進(jìn)行內(nèi)澇整治的同時(shí)，要妥善處理，并充分協(xié)調(diào)好國土規(guī)劃、城鎮(zhèn)建設(shè)、市政規(guī)劃及環(huán)境保護(hù)的關(guān)系，避免因整治而影響其他相關(guān)工程的規(guī)劃與實(shí)施。

(3)工程措施與非工程措施并舉的原則。

(4)考慮工程施工對現(xiàn)狀交通的影響，要盡量減少施工過程對現(xiàn)狀交通的干擾。

(5)經(jīng)濟(jì)合理，易于操作的原則。通過方案比選，既要安全可靠，又要經(jīng)濟(jì)合理，還應(yīng)可操作性強(qiáng)，方便實(shí)施，盡量少拆遷，少占地。

工程新建排站擬建于原草埔仔水閘出口處。

4 主要建筑物

4.1 泵房

采用濕室型泵房，順?biāo)鞣较蜷L24.00 m，寬34.62 m。泵房分主廠房、副廠房、檢修間和自排閘。順?biāo)飨蜷L度組成為檢修閘5.00 m、副廠房7.00 m、主廠房7.00 m、防洪閘5.00 m。泵房共有5跨，第一跨(順?biāo)鞣较蛴勺笸?設(shè)閘門庫及循環(huán)水池，第二至五跨設(shè)4臺機(jī)組流道。泵房跨度均為4.00 m，自排閘孔寬7.00 m，合計(jì)寬度為34.62 m，其中主泵房寬25.60 m，自排閘寬9.00 m，主泵房與自排閘之間設(shè)一道分縫，縫寬20 mm。泵房共分6層，從下到上分別為流道層、水泵層、電機(jī)層、辦公層、管理房層、天面層。

工程設(shè)計(jì)流量為17.96 m3/s，安裝4臺1200ZLB-125立式軸流泵，總裝機(jī)容量為1260 kW。

穩(wěn)定分析如下：

(1)計(jì)算水位。雞公石新排站穩(wěn)定計(jì)算水位組合見表1。

表1 謝崗鎮(zhèn)雞公石新排站穩(wěn)定計(jì)算水位組合

(2)抗?jié)B穩(wěn)定計(jì)算。泵房抗?jié)B穩(wěn)定計(jì)算采用勃萊法[1]，即考慮水平滲透和垂直滲透的效果一樣，采用《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL265—2016)公式計(jì)算，如式(1)所示，泵房抗?jié)B穩(wěn)定計(jì)算如表2所示。

表2 泵房抗?jié)B穩(wěn)定計(jì)算

L=C×ΔH

(1)

式中：L為基底防滲長度，即基底輪廓線防滲部分水平段和垂直段長度的總和，m；C為允許滲徑系數(shù)，該工程泵房基底為水泥攪拌樁復(fù)合地基，取6；ΔH為上、下游水位差，m。

經(jīng)計(jì)算，抗?jié)B穩(wěn)定系數(shù)K>1，滿足規(guī)范要求。

(3)抗滑穩(wěn)定計(jì)算。計(jì)算時(shí)綜合考慮設(shè)計(jì)工況、完建工況、校核工況、檢修工況四種不同工況。

設(shè)計(jì)運(yùn)行工況：內(nèi)起排水位5.20 m，外設(shè)計(jì)水位9.50 m； 完建工況：考慮完建無水狀態(tài)； 校核工況：內(nèi)停機(jī)水位4.90 m，外校核水位10.30 m； 檢修工況：進(jìn)水池抽干，外設(shè)計(jì)水位9.50 m。

泵房基底應(yīng)力計(jì)算如式(2)：

(2)

基底應(yīng)力不均勻分布系數(shù)計(jì)算，如式(3)：

(3)

式中：η為基底應(yīng)力不均勻分布系數(shù)；[η]為基底應(yīng)力不均勻系數(shù)允許值。

(4)抗滑穩(wěn)定計(jì)算，如式(4)

式中：KC為抗滑穩(wěn)定性系數(shù)；f為泵房基底面的摩擦系數(shù)，取0.4；∑H為作用于泵房結(jié)構(gòu)上全部水平荷載，kN。

經(jīng)對各工況荷載情況分析計(jì)算，得出泵房基底應(yīng)力及抗滑穩(wěn)定計(jì)算匯總?cè)绫?。

表3 泵房基底應(yīng)力及抗滑穩(wěn)定計(jì)算匯總

由表3可知，泵房基底應(yīng)力及抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算均能滿足規(guī)范要求。

4.2 排站基礎(chǔ)處理

排站主要建筑物地基位于淤泥層，不可采用天然基礎(chǔ)，需要進(jìn)行基礎(chǔ)處理。地基基礎(chǔ)處理采用常用的水泥攪拌樁復(fù)合地基和灌注樁兩種方案進(jìn)行比較[2-4]。

水泥土攪拌法適用于處理正常固結(jié)的淤泥與淤泥質(zhì)土、粉土、飽和黃土、素填土、黏性土以及無流動地下水的飽和松散砂等地基。其優(yōu)點(diǎn)是能防止底板產(chǎn)生接觸沖刷，工程投資較低；缺點(diǎn)是地基承載力相對較低、施工進(jìn)度慢，質(zhì)量控制要求較高。

適用于灌注樁的持力層應(yīng)為碎石層，碎石含量應(yīng)在50%以上，充填土與碎石無膠結(jié)或者為輕微膠結(jié)，碎石的石質(zhì)要堅(jiān)硬，碎石分布均勻，碎石層厚度要滿足設(shè)計(jì)要求。其優(yōu)點(diǎn)是施工速度快，工藝成熟，安全可靠，地基承載力相對較高；缺點(diǎn)是基礎(chǔ)土層與灌注樁水閘底板不均勻沉降，會出現(xiàn)脫層現(xiàn)象，從而導(dǎo)致接觸沖刷，工程投資大。

因此，排站基礎(chǔ)推薦采用水泥攪拌樁復(fù)合地基。復(fù)合地基的面積置換率為m，m的計(jì)算如式(5)：

(5)

式中：m為復(fù)合地基的面積置換率；Ap為樁的面積，m2；Ae為單根樁所承擔(dān)的處理面積，m2。

水泥攪拌樁的樁徑一般應(yīng)采用Φ500 mm，樁軸心間距采用1 m×1 m，正方形布置。則計(jì)算得m為0.136。由于泵房基礎(chǔ)淤泥深較淺，暫考慮Φ500 mm的水泥攪拌樁的樁深6 m左右，穿透淤泥層，水泥攪拌樁樁端伸入粉質(zhì)黏土層。

復(fù)合地基的承載力計(jì)算按《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ 79—2012)規(guī)定的公式計(jì)算：單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值Ra分別按式(6)、式(7)計(jì)算，并取其中較小值。

(1)由樁身強(qiáng)度確定，如式(6)：

Ra=ηfcu，kAp

(6)

式中：Ra為單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；η為強(qiáng)度折減系數(shù)，取0.3；fcu，k為與攪拌樁樁身加固土配比相同的室內(nèi)加固水泥90 d齡期無側(cè)限抗壓強(qiáng)度平均值，kPa；Ra為單樁豎向承載力標(biāo)準(zhǔn)值；Ap為樁的截面積，m2。

計(jì)算得出Ra為88.20 kPa。

(2)按摩擦力確定，如式(7)：

Ra=UpqsL+αqpAp

(7)

式中：Up為樁周長，m；qs為樁周土的摩擦力，對淤泥可取6 kPa，粉質(zhì)黏土取25 kPa；L為樁長，取6 m；α為承載力折減系數(shù)，取0.5；qp為樁端地基土承載力標(biāo)準(zhǔn)值，粗砂取180 kPa。

按照式(7)計(jì)算，Ra為150.99 kPa。

因此，單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值Ra取值為88.20 kPa。

復(fù)合地基承載力計(jì)算如式(8)：

(8)

式中：fsp，k為復(fù)合地基的承載力，kPa；m為面積置換率，取0.196；β為樁間土的強(qiáng)度發(fā)揮系數(shù)，規(guī)范取β=0.75～0.95，四洲水閘為河口擋洪排水閘，對沉降要求控制較高，按規(guī)范β可取小值，本次計(jì)算取β=0.75；fs，k為樁間土的承載力，取50 kPa。

復(fù)合地基承載力，大于水閘基礎(chǔ)最大基底應(yīng)力81.53 kPa，滿足要求。因?yàn)樗l位于地震基本烈度6度地區(qū)，不做調(diào)整，所以水泥攪拌樁間距為1.0 m×1.0 m。

4.3 自排閘

草鋪?zhàn)兴l經(jīng)安全鑒定為三類閘，同時(shí)雞公石新排站選址草鋪?zhàn)兴l東側(cè)，進(jìn)水箱涵與草鋪?zhàn)兴l位置重疊，本次設(shè)計(jì)擬將草鋪?zhàn)兴l拆除，其排澇功能并入雞公石新排站自排閘。

經(jīng)水文計(jì)算，自排閘設(shè)計(jì)凈寬7.00 m，較適宜的孔數(shù)有一孔和兩孔。一孔單孔凈寬7.00 m，優(yōu)點(diǎn)為較符合規(guī)范單孔數(shù)的要求，缺點(diǎn)是閘門較大，制作安裝時(shí)精度要求高，閘門起閉相對笨重。兩孔單孔凈寬3.50 m，優(yōu)點(diǎn)為閘門相對較小，制安精度較好控制，操作方便，缺點(diǎn)是閘孔為雙數(shù)，為防止折沖水流，需對稱開啟。經(jīng)比較，擬采用方案一，自排閘設(shè)一孔，單孔凈寬7.00 m。

自排閘布置在泵房北側(cè)，順?biāo)飨?4.00 m，垂直水流向9.00 m。閘底板面高程3.50 m，閘頂面高程11.50 m。自排閘設(shè)一道閘門，凈寬×凈高=7.00 m×3.50 m。自排閘共5層，分別為流道層、檢修層、辦公層、管理層和天面層[5]。

5 結(jié) 語

本研究依托廣東地區(qū)謝崗鎮(zhèn)雞公石排澇站新建工程，由于現(xiàn)狀排澇設(shè)施排澇能力不足，需新建排澇設(shè)施，代替原有排站以及緩解內(nèi)澇問題。項(xiàng)目實(shí)施后，項(xiàng)目區(qū)泵站的排澇流量將達(dá)到17.96 m3/s，工程排澇標(biāo)準(zhǔn)20年一遇24 h暴雨1 d排干，且基本不成災(zāi)的標(biāo)準(zhǔn)。抽排能力滿足排澇的需求，保障了區(qū)域洪澇安全。