樟树市三湖联圩安丰电排站设计方案分析

胡 亮，殷真真

(1.东莞市水利勘测设计院有限公司江西赣南分公司，南昌 330000；2.南昌市新建区水利局，南昌 330000)

1 工程概况

樟树市三湖联圩位于赣江下游左岸，袁河下游出口段右岸，赣江与袁河交汇口上游的三角地带。三湖联圩涝区(樟树市涝片)涵盖洲上乡全境，涉及三湖联圩堤内农田及居民，三湖联圩保护耕地3.28×104亩，工程区分布于洲上乡区域内，两侧为袁河和赣江。

安丰涝区位于三湖联圩、袁河右岸，集水面积14.54km2，根据现场实际情况调查，圩区内涝水基本只能通过安丰闸和安丰电排站排泄。

安丰电排站位于洲上乡三湖联圩严埠村附近，是一座纯电排的排涝站。始建于1965年，现状布置有4台立式轴流泵。每个水泵出水管均接穿堤压力钢管，穿堤压力钢管外河出口采用铸铁拍门。泵站由前池、泵房段、压力钢管段、出口护坦段组成。现状电排站机电设备破损、缺失、混凝土老化，已无法正常运行。现状仅靠临近的自排闸排涝，当外河高水位时涝水无法正常排出，内涝严重，设计拟对其进行原址拆除重建。

2 泵站主要设计参数

2.1 泵站设计流量

设计排涝流量采用平均排除法求得，计算公式为：

Q排=W排/0.36tT
W排=W产-W田滞蓄-W调蓄

(1)

式中：Q排为设计排涝流量，m3/s；W排为设计涝水量，万m3；W产为设计产水量，万m3；W田滞蓄为田间滞蓄水量，万m3；W调蓄为调蓄区调蓄水量，万m3；t为泵站日开机时间，h；T为排涝天数，d。

泵站日开机时间取22h。

安丰涝区位于三湖联圩、袁河右岸，集水面积14.54km2，区域内涝水由安丰闸或安丰电排站排入袁河，当内河水位高于外江水位时，区域内涝水由安丰闸排出；当内河水位低于外江水位时，关闭安丰闸，区域内涝水由安丰电排站抽排。

安丰涝区集水面积14.54km2，10a一遇3d暴雨量为252.6mm，综合径流系数取0.9，产水量330.55万m3，同时涝区内有农田、水塘和洼地，水田滞水量43.62万m3，调蓄区蓄涝水量为16.72万m3，因此，设计涝水量为270.21万m3，机组开机时间取66h，设计排涝流量为11.37m3/s。

2.2 设计水位

2.2.1 设计外水位

外水位包括防洪水位、最高运行水位、设计运行水位、最低运行水位及平均水位等。

1)防洪水位：采用堤防设计防洪水位。

2)最高运行水位：采用排水期20a一遇的最高一日平均水位。

3)设计运行水位：采用排水期10a一遇的最高一日平均水位。

4)最低运行水位：采用排水期外河历年最低水位平均值。

该设计涉及的涝区所在断面均位于赣江樟树水文站附近,根据樟树站相关设计水位推算电排站断面相关设计水位。电排站站设计外水位成果见表1。

2.2.2 设计内水位

内水位是计算扬程及确定水泵安装高程与运行方式的依据，它包括最高水位、最高运行水位、设计运行水位、最低运行水位及平均水位等。

该工程设计内水位根据《泵站设计规范》(GB50265-2010)，由设计涝区地形资料以及相关基本资料分析确定。

1)最高水位：取排水区建站后重现期10-20a一遇的内涝水位，本次取排涝重现期20年一遇的内涝水位。

2)最高运行水位：该水位是排水泵站正常运行的上限排涝水位，超过这个水位，将扩大涝灾损失，因此，最高运行水位应在保证排涝效益的前提下，根据排涝设计标准和排涝方式，经过综合分析计算确定。

3)设计运行水位：本设计根据涝区耕地95%以上不受涝的高程并考虑坡降损失来确定设计运行水位。

4)最低运行水位：该水位是排水泵站正常运行的下限排涝水位，是确定水泵安装高程的依据。本设计以满足涝区95%以上的耕地排除渍水要求，按大部分耕地高程减去作物适宜地下水深度，再减0.3m进行确定。工程区种植作物为水稻，其适宜地下水深度取0.5m。

综合上述情况，确定安丰电排站设计内水位，成果见表1[1]。

3 电排站设计

3.1 工程布置

安丰电排站为堤后式电排站，主要由进水系统、泵房和出水系统3大部分组成。

1)进水系统：

进水闸进口设进水渠，进水渠采用干砌块石护坡，进水渠接现状泵站主排渠。进水渠段底宽为6.2m。进水渠后接拦污进水闸。

拦污进水闸采用开敞式钢筋混凝土整体闸室结构，闸室顺水流方向长6.0m，4孔，孔口净宽为3.0m，进水闸底板高程为25.50m，闸墩顶高程为30.50m，启闭平台高程为35.00m，进水闸设清污机一台。拦污进水闸后接进水前池。

表1 安丰电排站设计水位成果表

进水前池垂直水流方向底宽为15.6m-19.6m，顺水流方向长95.0m，两侧设C20素混凝土重力式挡墙，下设100mm厚C10混凝土垫层，缝间采用聚乙烯闭孔泡沫板填缝，为了减轻混凝土底板承受水压，设直径70mmPVC排水管，土工布包裹，内设反滤，间距为2.0m梅花型布置。进水前池后紧接泵房，前池底板下游接泵房底板，底板相接位置设有20mm分缝，采用止水铜片止水，缝间聚乙烯闭孔泡沫板嵌填。

2)泵房布置：

泵房为堤后式地面厂房，垂直水流方向长度为20.80m，顺水流方向宽度为8.1m。泵房边墩厚0.6m，底板厚度为0.8m。布置5台900ZLB-850型立式轴流泵，5台机一字并排布置，机组间距2.2m，配套5台YX450-12/220kW型异步电动机方案。机组中心线距上游排架柱内边线4.60m。

水泵层高程为27.20m，电机层高程为30.56m。泵房底板顶面高程为24.82m，水轮机叶轮中心线高程分别为26.30m。立式轴流泵采用喇叭口进水方式，水泵出口接压力水箱经出水涵管排至外河。

为方便机组检修，在主泵房一侧设安装间，垂直水流方向长度为6m，顺水流方向宽度与主泵房长度相同，为8.1m。

根据地勘资料，安丰电排站泵房底板座落于粉细砂基础上。

3)出水系统：

出水系统由压力水箱、穿堤箱涵、防洪闸、消力池、出口护坦段组成。

压力水箱为梯形，顺水方向长15.0m，底板面高程为27.70m。进、出口净宽分别为19.6m、2.2m。底板、顶板及侧墙厚度均为0.5m。

压力水箱后接穿堤箱涵，箱涵的孔口尺寸为2.2m×2.2m(宽×高)，箱涵壁厚为0.5m，箱涵底板高程27.70m。箱涵共3节，单节长9.0m。

在堤外设防洪闸，长8.0m，底板高程为27.70m，闸墩顶高程31.40m。闸门启闭平台高程为35.26m，上设启闭闸房。设有交通便桥从启闭平台通向堤顶。

当汛期外河水位高时关闭该闸门，闸门挡外河设计洪水。闸门运行方式为动水启闭，启闭设备选用手电两用螺杆式启闭机，闸底板厚0.8m。边墩厚0.8m。

消力池采用钢筋混凝土结构，池底板与出水闸底板水平衔接，总长25.23m，消力池底板顶面高程25.00m，消力池板厚0.5m，池宽2.2-7.57m，池深0.5m。消力池出口与出水护坦相接[2]。

出水护坦高程25.50m，底宽7.57m，采用400mm厚M10浆砌石，下设150mm厚砂砾石垫层。顺水流向长6.0m，垂直水流向宽10.0m。

图1 电排站纵剖面图

3.2 设计计算

3.2.1 渗流稳定计算

外河水由防洪闸渗入，由进水池底板上逸出，地基土层为砾砂，基础防渗长度应满足：

L/ΔH≥C

(2)

式中：L为基础防渗长度，m；ΔH为上下游水位差，m，外河设计洪水位34.06m，堤内设计水位为28.2m，ΔH=5.86m；C为渗径系数，参照《水闸设计规范》，3-9(黏土-细砂)。

根据建筑物布置，防渗长度L=55.7m，L/ΔH=9.51，满足规范要求，渗透稳定满足要求。

3.2.2 进水闸过闸流量复核

根据水泵进口流道平面宽度，选取进水闸为4孔，单孔净宽3.0m，按无底坎宽顶堰流计算过闸流量，计算公式如下：

Q=σsσcmnb(2g)1/2H03/2

(3)

式中：b为每孔净宽；n为闸孔孔数；H0为包括行进流速水头的堰前水头；m为自由溢流的流量系数，本次取0.368；σc为侧收缩系数，本次取0.94；σs为淹没系数，本次取0.4。

经计算在设计内水位工况下，进水闸的最大过闸流量可达19.25m3/s>Q设计=6.43m3/s，故进水闸孔口尺寸满足规范要求。

3.2.3 泵房稳定分析

泵房稳定计算工况分别考虑完建期、设计水位和最高水位三种工况，荷载组合详见表2。

表2 荷载组合表

根据地质资料，泵房基础座落于粉细砂上，承载力标准值120KPa，混凝土与粉细砂之间基底摩擦系数f为0.40。泵房地基允许承载力按基础宽度、埋深修正后取用，其基础允许承载力按《泵站设计规范》(GB50265-2010)中(B.1.2-1)式计算。泵房稳定及基底应力计算成果详见表3。

表3 泵房稳定、应力计算成果表

由表3可知，泵房稳定及基底应力在基本组合和特殊组合Ⅰ各种工况下，计算成果均满足相关规范要求。

表4 防洪闸稳定及基底应力计算成果表

表5 安丰电排站选定机组参数表

3.2.4 防洪闸稳定计算

防洪闸稳定计算工况分别考虑完建期和最高水位两种工况，计算公式同章节。

根据地质资料，防洪闸座落于粉质黏土上，承载力标准值160kPa，混凝土与黏土之间摩擦系数f为0.28。计算成果详见表4。

计算结果表明，防洪闸稳定及基底应力均满足规范要求[3]。

3.2.5 消能计算

防洪闸后消力池消能计算考虑河床水位较低，设计过流量为6.43m3/s工况。经计算，结合实际地形等综合条件，确定消力池尺寸为：消力池池长27.73m，池深0.5m，池厚0.6m，斜槽段坡比为1∶4。

3.3 水泵机组选型

根据电排站特征参数，及其扬程、流量情况，选定泵站采用立式轴流泵方案；又由于电排站规模相对较小，故水泵叶片调节方式均采用半调节。

4 结 语

文章从泵站设计流量、泵站扬程、工程布置，机组选型以及相关设计计算等角度对安丰电排站工程设计方案进行了综合分析，经验证，电排站设计方案合理，外河水位高时，圩内涝水能正常排泄，彻底解决了圩区内涝问题。