蟠咀電排站設計方案、計算與分析

【摘 要】本文通過蟠咀電排站不同的方案比較，結合本地區的實際工程經驗，從節約投資、滿足施工工期的等要求出發，不斷完善設計和計算，滿足各種條件下的市場需求，不斷提高設計和施工質量。

【關鍵詞】電排站；設計方案；計算

蟠咀電排站位于云浮市云城區北部西江邊的都楊鎮蟠咀村上。根據國家標準《電排站設計規范》（BG/T－50265－97）和中華人民共和國行業標準《水利水電工程等級劃分洪水標準》（SL252－2000）規定，本工程電排站規模為小型，工程等別為Ⅳ等，永久性主要建筑物為4級，次要建筑物為5級。蟠咀電排站初步設計概算為755.33萬元。

1 工程選址

本工程站址有兩個方案可供選擇比較。方案一，在原有站址附近進行擴容重建。方案二，在原站址下游、蟠咀河西邊、貓山下游處、蟠咀堤內堤處進行電排站改建。兩個方案的詳細比較如下：

1.1 從地形地勢上看，方案一位于原有站址處，偏于澇區一隅，地勢相對較高，洪水匯集會受到一定影響，但蟠咀河匯入西江的出口靠近方案一站址，電排站與蟠咀河原有自流閘門聯合運行較為方便。方案二站址處地勢低洼，能匯集排水區內澇水，且靠近承泄區，洪水匯集時間短，易于排水，但與自流閘門聯合運行不方便。

1.2 征地。方案一站址在原有站址，可利用原有站址所屬土地修建，不存在征地問題。方案二電排站出水口處西江河灘已被深圳市某旅游開發公司規劃作為旅游開發區，重點開發金魚沙等景點，在引渠到廠房位置需征水田7.3畝，出水渠及消力池處需征旱地0.55畝，征地難度大。

1.3 投資。方案一站址距離蟠咀河很近，只需修建8m長引渠便可到電排站進水前池，僅需投資1.36萬元。方案二距離蟠咀河較遠，需修建較長的引渠，約500m，挖方量大，工程量大，需投資76.9萬元。從工程地質條件上看，兩處站址的廠房部位都需要采用樁基礎，方案一廠房基礎巖土分界線高程在-19.4m以下，采用長25m的鋼筋混凝土鉆孔樁；方案二廠房基礎巖土分界線高程在-29m以下，需采用長為35m的鋼筋混凝土鉆孔樁。很明顯在基礎處理上，方案一投資要少于方案二。

綜合考慮兩處站址所處位置及征地、地質剖面特征、工程投資等多種因素，推薦選擇方案一站址為電排站重建工程的站址。

2 工程總體布置及方案比較

2.1 工程等別、主要建筑物防洪標準及排澇標準

蟠咀電排站設計抽排流量為7.32m3/s，裝機容量3×315kw。根據中華人民共和國國家標準《泵站設計規范》（GB/T50265－97），蟠咀電排站屬小（1）型電排站，工程等別為Ⅳ等，主要建筑物級別為4級，次要建筑物級別為5級，主要建筑物防洪標準為設計洪水二十年一遇，校核洪水五十年一遇。排澇標準根據廣東省治澇標準按十年一遇24小時暴雨3天排干的農田標準進行設計。

2.2 工程總體布置及方案比較

蟠咀電排站主要建筑物包括進水前池、電排站廠房、出水壓力鋼管、出水池三個部分。

根據水泵選型，有2×500kw、3×315kw、4×250kw和5×200kw四個比較方案。四個方案的裝機容量大小一致。通過兩個不同的比較方案，經過對各方案在工程總投資、總裝機容量及機組性能參數等各方面的比較，選用無錫水泵廠的900HD－9（-2°）導葉式混流泵，比其他方案裝機小，投資也稍少，運行調度更為靈活。本次設計推薦3×315kw方案。

3 電排站樞紐建筑物

3.1 進水水工建筑物

3.1.1 引渠

引水明渠斷面b×h＝3.5×1.8m2，渠道比降i＝0.001，取糙率n＝0.025，經計算得引水流量Q＝7.36m3/s，大于設計排水流量7.32m3/s，符合設計要求。

3.1.2 前池

引水渠道與泵房的連接建筑物，為正面進水前池，梯形斷面平面。長8m，前端與明渠同寬3.5m，根據《泵站設計規范》（GB/T50265－97）“正向進水的前池，擴散角不應大于40°”，連接引水明渠段擴散角取為33°，后端與檢修閘邊墩相連，后端寬14m，池底比i＝0.1，池底高程4.6m，池頂高程11.01m。前池兩端用漿砌石擋土墻護砌；池底先用漿砌石砌筑500mm，面鋪100mm砼。

3.1.3 進水閘前攔污柵

設于進水工作閘墩前端，主要用以攔截第一道攔污柵過柵和泵房之間的漂浮物和雜草等。攔污柵每個進水流道前設一道，共3道，每孔凈寬4.0m，頂高程10.41m，底高程4.60m。

3.1.4 進水閘門

檢修閘門長8.05m，采用電動葫蘆提升設備。檢修閘門共3孔，單孔凈寬4.0m，中、邊墩厚均為1.0m，閘室總寬14.0m，閘頂高程9.2m，閘底高程4.60m。閘室基礎與廠房基礎連成一體。

3.2 泵房

泵房為樁基型，廠房底板與進水流道澆成整體作為廠房基礎。主廠房布置3臺機組和一個檢修間，機組呈一列式布置，機組間距3.19m，安裝間長度4.84m。檢修間布置于進廠端部，廠房設置1個交通梯通道至水泵層上。副廠房布置于主廠房內，與機組布置在同一層，設置低壓開關柜室和、中控室、高壓開關柜室和變壓器室。

3.2.1 長度

進水流道寬4.0m，隔墩和邊墩厚1.0m，安裝間長度4.84m，廠房磚墻厚0.18m，廠房總長21.02m。

3.2.2 廠房寬度

主廠房寬度主要由吊車梁跨度決定，由于吊車選用江西起重機械總廠雙梁橋式起重機LH－5t/7.5m，跨度為7.5m，吊車梁厚0.62m，兩端壁厚均為0.18mm，則主廠房寬度為8.92m。副廠房主要為中控室、開關柜室和變壓器室，寬5.5m。加上磚墻厚，廠房寬度為14.6m。

3.2.3 廠房高度

廠房高度由水泵、電機高度與吊車安裝高度決定，本工程中，考慮實際情況，電機安裝高程為11.5m，吊車梁高程為17.9m，廠房屋頂梁高0.5m，廠房屋頂琉璃瓦高1.0m，廠房頂高程為21.9m。

3.3 出水水工建筑物

3.3.1 壓力鋼管

電排站出水管路設計采用壓力鋼管加出水明渠，壓力鋼管長47m，壓力鋼管中心線高程11.15m。由地質勘察可知“擬建場地堤內淺部發育厚層軟弱的淤泥質土層，堤外坡腳也由淤泥質土發育，對堤身穩定不利，堤坡存在滑動變形的可能性”，因此需對蟠咀堤進行抗滑動處理。在堤踵處修一排水棱體，梯形斷面，尺寸為上底寬1.5m，下底寬5.55m，高2m。

壓力鋼管管徑的確定：根據成都科技大學《水力學》P213頁提供的經驗——管道流速不應大于2.5～3.0m/s，不應小于0.25m/s，則壓力管管徑按下式計算為：

D＝ ＝ ≈1.115m，取1.2m。

鋼管壁厚：

δ＝ ＝ ≈9.23mm，取10mm。

3.3.2 防洪閘

防洪閘與出水池整體連接澆筑而成，其中：防洪閘長3.5m（不包括出水池后墻厚1m）。防洪閘裝設拍門和防洪門，采用電動葫蘆提升設備，在壓力管側設置人行橋。防洪閘共3孔，單孔凈寬1.9m，其中墩厚0.7m，邊墩厚0.85m，閘室總寬7.3m。閘頂高程12.9m，閘底高程10.45m（與出水池同）閘底板厚0.5m，為鋼筋混凝土整體結構。

3.3.3 消力池

為鋼筋混凝土結構，池長7m，池寬8.3m，池深1.2m，側墻高1.2m，底板厚0.35m。

4 設計計算

4.1 吊車梁計算

裝機3×315kw的泵房主廠房的吊車梁的截面形式為T型，吊車跨度Lk＝7.5m，吊車最大起重量為5t，選用電動葫蘆雙梁式起重機（LH－5t/7.5m），吊車最大輪距4m，吊車主鉤極限位置S1＝1.69m，吊車重9.9t，小車重2.9t，吊車每邊輪數m＝2個，吊車埋件重按60kg/m計算。經計算吊車梁均布荷載q＝521kg/m，垂直輪壓P＝9.88t，橫向水平力T0＝0.41t，梁的最大撓度為Fc＝0.8525<[Fcmax]＝0.917cm，梁的裂縫寬度為FL＝0.025cm<[FLmax]＝0.03cm。

4.2 泵房穩定分析

4.2.1 滲透穩定分析

泵站為堤后式塊基型泵房，沒有直接抵御外江洪水，不起防洪作用。根據結構布置及地基處理，泵站地下水輪廓線長度大于滲透穩定所需的地下水輪廓線長度，故不需做滲透穩定計算

4.2.2 整體穩定計算

地基應力計算

根據《建筑地基基礎設計規范》（GBJ7－89），其地基底面的壓力公式為：

式中 F——上部結構傳至基礎頂面的豎向力設計值；

G——基礎自重設計值和基礎上的土重設計值；

A——基礎底面面積；

M——作用于基礎底面的力矩設計值（M＝M柱+VH考慮柱底剪力產生的力矩）；

W——基礎底面的抵抗矩（W＝ba2/6，a、b為基礎長寬）

經計算，基礎底面壓力 =252.09kPa， =129.09kPa。

排澇泵站在內江水位達到最高運行水位10.71m高程時為最大地基應力工況，此時地基底面的壓力為252.09kPa。根據肇慶設計院地質勘測資料，泵站基礎接觸第四系人工堆積層(Qs)填筑土層，其地基承載力特征值的經驗值為fak＝95kpa，遠小于排澇泵站最大工況下的地基應力，所以地基承載力不滿足設計要求。根據地質鉆探資料，蟠咀電排站廠房基礎巖土分界線高程在-19.4m以下，基巖離基礎基面較深。本次設計采用鋼筋混凝土鉆孔樁，廠房底高程4.6m，樁入巖深度為1m，故取樁長為25m。

端承樁承載力驗算

本次設計鋼筋混凝土鉆孔樁打至基巖弱～微風化花崗質糜棱巖層，為端承樁。根據《建筑地基基礎設計規范》（GBJ7－89）的公式，單樁極限承載力為：

Rk＝qpAp

式中 Rk——單樁豎向承載力標準值； qp ——樁端土承載力標準值； Ap——樁身截面積。

由《建筑地基基礎設計規范》（GBJ7－89）附表十五查得qp 取4500KPa，則：

Rk＝qpAp＝4500×3.14×0.52＝3534.188 KN

R＝1.2Rk＝4217.026KN

端承樁中單樁所承受的外力，由下列公式計算而得：

單樁平均所承受的外力： = =3227.55KN

單樁所承受的外力設計值：

單樁所承受的最大外力： =4647.669KN＜ =5060.431KN

由上可見，本次設計采用的鋼筋混凝土樁滿足承載力設計要求。

4.3 進水前池擋土墻穩定計算

前池斷面從引水渠到進水閘門前呈漸變形式，與引水渠銜接處斷面較小，其穩定計算采用PC-1500軟件“G－6”程序計算，計算簡圖及計算過程如下：

計算方式選擇 I=0.000 擋土面鉛直角 R=27.000 墻頂土體坡角P= 0.000

基底坡角R0=0.000 土壤內摩擦角F=35.000 土與墻背間摩擦角D=11.600

摩擦系數U=0.350 土體上均布荷載Q=0.000 墻體尺寸數據H1=2.400

墻體尺寸數據H2=0.000 墻體尺寸數據H3=0.000 墻體尺寸數據H4=1.800

墻體尺寸數據H5=0.600 墻體尺寸數據 A=0.500 墻體尺寸數據C=0.000

墻體尺寸數據B=0.500 墻體尺寸數據 B1=2.400 墻體尺寸數據B2=2.400

墻體尺寸數據B4=1.400 土壤容重 MS=1.800 土壤浮容重ML=0.800

墻體容重MK=2.100

計算成果：

墻體抗滑穩定系數 KC=1.417＞1.3

墻體抗傾穩定系數 K0= 6.268＞1.5

墻趾處基底應力CX=4.747t/m2＜[σ]＝9.5 t/m2

墻踵處基底應力CN=2.070 t/m2＞0

可見前池該斷面擋土墻安全。

4.4 出水壓力鋼管地基承載力設計計算

由《建筑地基基礎設計規范》（GBJ7－89）附錄五給出的各種土（巖）的承載力標準值，按下面公式計算地基承載力：

壓力鋼管直徑為1.2m，管徑較大，采用混凝土剛性座墊。查表有墊層承載力標準值 ＝200kPa，基礎埋深取最深處計算，為8.55m。

根據《建筑地基基礎設計規范》（GBJ7－89），地基承載力修正系數 。則墊層承載力設計值為：

＝362.05（kPa）

基礎寬度為 ≥ ＝1.17（m）

取基礎寬度 ＝1.2m。

假定座墊厚度為 ＝0.3m。根據《建筑地基基礎設計規范》（GBJ7－89）有：

355.08（kPa）

式中 ——墊層底面處土層的地基承載力設計值； ——墊層厚度。

161.96（kPa）

式中 ——墊層底面處的自重應力。

由 =0.25，則混凝土座墊壓力擴散角 20°，故： 180.39（kPa）

式中 ——墊層底面處的附加應力；

——基礎底面壓力；

——墊層的壓力擴散角。

于是有

342.34（kPa）＜ ＝355.08（kPa）

可見出水壓力鋼管基礎采用厚度為0.3m的混凝土剛性座墊基本能滿足地基承載力要求。

4.5 出水池擋土墻穩定計算

出水池擋土墻穩定計算采用PC-1500軟件“G－6”程序計算，計算簡圖及計算過程如下：見圖1

圖1 重力式擋土墻計算書

計算方式選擇I=0.000 擋土面鉛直角R=22.000 墻頂土體坡角P=0.000

基底坡角R0=5.000 土壤內摩擦角F= 35.000 土與墻背間摩擦角D=11.660

摩擦系數U=0.300 土體上均布荷載Q= 0.000 墻體尺寸數據H1=3.170

墻體尺寸數據H2=0.000 墻體尺寸數據 H3=0.220 墻體尺寸數據H4=2.450

墻體尺寸數據H5=0.500 墻體尺寸數據 A=0.500 墻體尺寸數據C=0.000

墻體尺寸數據B=0.500 墻體尺寸數據 B1=2.510 墻體尺寸數據B2=2.500

墻體尺寸數據B4=2.000 土壤容重 MS=1.800 土壤浮容重ML=0.800

墻體容重MK=2.100

計算結果：

墻體抗滑穩定系數 KC=1.596＞1.3 墻體抗傾穩定系數 K0= 5.785＞1.5

墻趾處基底應力CX=6.614t/m2＜[σ]＝8.5 t/m2 墻踵處基底應力CN=3.017 t/m2＞0

可見出水池擋土墻安全。

5 結束語

綜上所述，蟠咀電排站建成，將使排澇提高到十年一遇24h 暴雨徑流量3 天排干的標準。有效的減少圍內澇水災害，其工程設計可為其他工程建設提供經驗和設計參考。