淺談河口保莊圩永安泵站技術難點及要點

江 濤 唐柱閂

淺談河口保莊圩永安泵站技術難點及要點

江 濤 唐柱閂

一、概述

城西湖蓄洪區位于淮河中游南岸的霍邱縣境內，北臨淮河，西北以崗地至王截流的上格堤與臨王段洼地相鄰，東部有崗地與城東湖相隔，西部與南部為丘陵崗地，灃河由南向北匯入城西湖。結合城西湖蓄洪區最近幾年安全建設實施情況和目前存在的主要問題，按照分期實施的原則，考慮的工程措施主要為撤退道路、保莊圩加固等。工程施工內容為河口保莊圩堤防加固與擴建。

河口保莊圩現狀圩堤長2.5km，堤頂高程25.0m～28.0m。保莊圩被河口至長集公路分隔成兩個區域，每個區域均有一座泵站，分別為大堰站和永安站。永安排澇站建成于1992年，安裝500ZLB-100立式軸流泵一臺，配 套 Y250M-8-30kW 電 動 機 ，S7-50/10變壓器。設計流量0.5m3/s，設計進水位20.50m，出水位24.00m，設計揚程3.50m。采用濕室墩墻型泵房，電機層高程25.00m，鋼筋混凝土管穿堤出水，拍門斷流，外加一間管理房，無其他管理設施。大堰排澇站建成于1990年，安裝300HW-7臥式混流泵一臺，配套Y200L-6-22kW電動機，S7-30/10變壓器，設計流量0.22m3/s，采用分基型結構，配平頂泵房一間，鑄鐵管進水及穿堤出水，拍門斷流，無任何管理設施。

二、規劃參數

1.設計排澇工況

10年一遇設計自排流量0.61m3/s，抽排流量0.52m3/s，自排設計水位組合為圩內22.00m，圩外21.90m；抽排設計水位組合為圩內22.00m，圩外23.90m。

2.設計防洪工況

設計防洪的水位組合為圩內23.40m，圩外28.68m。永安泵站規劃參數見表1。

表1 永安泵站規劃參數表

三、總體布置

永安站涵中心線與圩堤正交，采取正向進出水方式。站涵順水流方向由進水口、攔污柵橋、泵房和壓力水箱、控制段、穿堤涵洞、防洪閘、消力池、出口連接段等部分組成。

1.進水口

因進水口直接面臨排澇水溝，故以圓弧形翼墻與泵站攔污柵橋相連接。進水口設10.0m長的漿砌塊石護底、護坡和4.50m長的混凝土護底、護坡，厚均為0.30m，底板頂面高程均為20.20m。翼墻采用漿砌石重力式結構，凈擋土高度3.90m。

2.攔污柵橋

攔污柵橋采用鋼筋混凝土箱式結構，共2孔，單孔凈寬1.80m，總寬5.10m，順水流方向長7.0m，底板頂面高程 20.20m，頂板頂面高程24.00m，底板和頂板厚分別為0.50m和0.20m，邊墩和中墩厚均為0.50m，柵橋前端設攔污柵，并預留檢修門槽，底板靠近泵房一側設置三排冒水孔，直徑0.10m，間距0.80m，梅花型布置。

3.泵房、壓力水箱

由于該站較小，因此泵房和壓力水箱結合成一體，采用堤后式布置。泵房內安裝2臺機組，進水流道凈寬1.80m，采用軸流潛水泵，泵房底板、水泵喇叭口、出水口中心、泵房地面等高程依次是 20.20m、20.60m、22.90m、24.00m。泵室24.00m高程上部結合工程管理，建綜合廠房，可用于檢修、放置電氣設備等。

壓力水箱分上、下兩層，下層為自排涵洞，上層為抽排壓力水箱，平面上呈梯形布置，寬度從5.10m收縮至2.0m。泵房、壓力水箱段總長11.40m，其中廠房寬5.60m。

4.控制段

控制段是壓力水箱與穿堤涵連接的過渡段，該段由雙層變為單層結構，中間設控制閘，上部設啟閉機工作臺。自排時閘門開啟，抽排時閘門關閉。控制段長7.60m，底板和墩墻厚均為0.50m。

5.穿堤涵洞及防洪閘

穿堤涵洞考慮施工及檢修的要求，采用單孔1.2m×1.6m（寬×高）的鋼筋混凝土箱涵。涵底高程根據自排要求定為21.00m，底坡i=0。穿堤涵洞總長42.10m，共分5段，涵洞末端設防洪閘，并設2.0m寬工作便橋連接啟閉臺與圩堤的交通。涵洞頂、底板及側墻厚均為0.40m，防洪閘部位底板局部加厚至0.60m。

6.出口連接段

涵洞出口設消力池，橫斷面為“U”型鋼筋混凝土結構（結合擋土），頂部以橫梁對撐，其順水流向長10.0m。消力池后出水渠采用梯形斷面，渠底高程21.00m，底寬2.0.～1.5m，兩側邊坡1∶2。渠底設海漫和拋石防沖槽。第一段海漫長5.0m，采用M10漿砌石護底，厚0.3m；第二段海漫長 5m，采用干砌石護底，厚0.3m。其后是拋石防沖槽，長4.0m，深1.0m。海漫、防沖槽兩側設漿砌石和干砌石護坡，厚均為0.3m。

四、工程設計

1.過流能力計算

為了滿足涵洞施工及檢修要求，初擬洞身尺寸1.2m×1.6m，單孔，計算洞長60m，i=0，過水能力由自排工況控制。自排時上游水深H=1.0m，下游水深ht=0.9m，過涵落差△=0.1m，涵底高程21.00m。

流態判別：因為上下游水深均低于涵洞頂高程，過涵落差相對于水深較小，可以近似按明渠均勻流核算過水能力。

式中：Q—過涵流量；

β—勢能修正系數；

H0—涵前水深；

i—涵洞底坡；

L—涵洞計算長度

C—謝才系數；

R—水力半徑；

ω—過水斷面面積；

μ—流量系數；

Σζ—從進口到出口前（不包括出口）的各種局部水頭損失系數之和。

計算結果Q=0.75m3/s，大于設計流量0.61m3/s，并略有富余，故滿足過水要求。

2.防滲長度計算

涵底防滲長度按《水閘設計規范》公式L=C×△H計算。

式中：C—允許滲徑系數，對壤土、有濾層，取5；

△H—上、下游水頭差6.68m。

則L=5×6.68=33.4m，遠小于實際布置防滲長度60m，滿足要求。

3.消能設計

（1）消力池深度計算

消能防沖計算選取泵站自排最不利的工況進行計算，即上游水位取設計排澇水位22.0m，下游水位取平消力坎頂，隨著閘門開度的逐漸增大，分級試算。

消力池深、躍后水深及收縮水深采用以下公式計算：

式中：

d—消力池深度，m；

ht—出口河床水深，取ht=0.9m；

T0—由消力池底板頂面算起的總勢能；

ΔZ—出池落差，m；

α—水動能校正系數，取1.05；

q—過涵單寬流量；

b1—消力池首端寬度，取b1=1.2m；

b2—消力池末端寬度，取b2=2.0m；

hc—收縮水深；

hc"—躍后水深。

經計算hc"=0.51m＜ht=0.9m，屬淹沒式水躍，不需要設置消力池，該工程僅設置構造消力池。

（2）海漫長度的計算

根據《水閘設計規范》，當消能擴散良好時，海漫長度可按下式確定：

式中：Lp—海漫的長度，m；

qs—消力池末端單寬流量，qs＝0.61/2.0=0.31m3/s；

Ks—海漫長度計算系數，對應地基為淤泥質粉土取Ks＝12。

經計算：Lp=3.76m，綜合考慮取Lp=10m。

（3）河床沖刷深度的計算

河床沖刷深度采用下式進行計算：

式中：

dm—海漫末端河床沖刷深度；

qm—海漫末端單寬流量，q=0.61/ 1.5=0.41m3/s；

［v0］—河床土質允許不沖流速，淤泥質粉土，［v0］=0.8m；

hm—海漫末端河床水深，hm=0.9m。

經計算，不需要設置防沖槽，考慮構造要求，工程設1.0m深防沖槽。

4.穩定計算

（1）擋土墻穩定計算

清污機橋前的翼墻采用漿砌石重力式結構，凈擋土高度3.6m，和大堰站的翼墻極為接近，可以參考大堰站翼墻相應成果，不再贅述。

（2）泵房段穩定計算

泵房段穩定主要為抗滑穩定和抗浮穩定，抗滑穩定應驗算抗滑和地基應力，計算工況主要有：①施工完建期；②校核抽排工況時，進水池～外河水位組合為21.50～26.40m；③設計抽排工況時遭遇機組突然停機而引起水錘壓力的情況，進水池～外河水位組合為22.00～23.90m。

從表2可以看出，這校核抽排和設計抽排的情況下，泵房段出口受外河高水壓力、水推力（水錘發生時包括水錘壓力）和局部土壓力使其有向圩區內滑動的趨勢，抗滑穩定滿足規范要求，安全系數偏大的主要原因是因為該站規模較小，揚程較低，水平合力較小，相對建筑物自重較大。

表2 泵房段穩定計算成果表

表3 主泵房抗浮穩定計算成果表

表4 檢修工況攔污柵橋穩定計算成果表

表5 設計擋洪期防洪閘穩定計算成果表

表6 泵站各部位基底應力和地基承載力表

抗浮穩定選取泵站檢修工況計算，即進水池～外河水位組合為 21.50～20.20m。

計算公式：

式中：Kf—抗浮穩定安全系數；

∑V—作用于基礎底面以上全部重力，kN；

∑U—作用于基礎底面上的揚壓力，kN。

計算成果見表3。計算成果表明，抗浮穩定滿足規范要求。

（3）攔污柵橋穩定計算

因攔污柵橋前端設有檢修門槽，故在檢修工況時應核算其穩定情況。另外，完建期時基底應力較大，故攔污柵橋穩定計算選取完建期和檢修期進行計算，計算成果如表4所示，各項指標均滿足要求。

（4）防洪閘穩定計算

設計擋洪期，防洪閘關門擋洪，由于外河側高水位對防洪閘水壓力較大，使防洪閘有向圩內滑動的趨勢。另外，完建期時基底應力較大，故防洪閘計算選取完建期及擋洪期進行計算，其穩定情況計算成果如表5所示，各項指標均滿足要求。

5.地基處理

（1）泵站各部位基底應力和地基承載力

泵站各部位的地基承載力由完建期工況控制。泵站各部位的基底應力和相應的地基承載力見表6。

（2）地基加固設計

從表6中地基承載力和基底應力對比來看，除中間涵洞段外，其余部位承載力均能滿足要求。根據地質勘察報告，持力層為（5-1）層粉質粘土，物理力學性能良好。擬對中間涵洞段地基重點加固處理，為減小不均勻沉降差，對兩端涵洞段也進行適當處理。目前水泥土攪拌樁加固處理地基方案在技術、經濟上有明顯優勢，因此該站地基也采用這種處理方式。

根據《建筑地基處理技術規范》（JGJ 79-2002），計算出攪拌樁的置換率、樁長等成果見表7。

表7 攪拌樁設計參數表

五、結語

河口保莊圩加固擴建后，新保莊圩的面積由0.90km2變為1.78km2，新圩區匯水面積2.37km2，其匯水地面被老保莊圩堤、河口至長集公路分隔成北、中、南3個區域。永安泵站現已建成并完成了機組啟動和單位工程驗收，工程運行良好，并于近年發揮了巨大的排澇和灌溉效益

（作者單位：安徽省淮河河道工程有限公司 233000）