逢沙電排站自排水閘重建工程性能分析

尤偉康

（佛山市順德區水利投資建設有限公司）

0 引言

因大良街道原逢沙電排站的老化及排澇標準低，隨著順德的城市化進程不斷加快，當地水利規劃對逢沙電排站的防洪及排澇能力提出了更高的需求及要求，因此，為當務之急是對其進行必要的重建改造。根據《水閘設計規范》《泵站設計規范》《堤防工程設計規范》等有關規范標準的要求，并結合工程可研階段的批復意見，佛山市順德區第一聯圍大良街道逢沙電排站重建工程確定為Ⅲ等中型工程，其主要建筑物、次要建筑物和臨時建筑物依次為三級、四級及五級。其中，自排水閘建筑物劃分為三級，防洪標準為五十年一遇洪水設計。

1 工程選址及選線

1.1 工程名稱及位置

該重建工程選址為佛山市順德區第一聯圍大良街道逢沙堤段，工程地理坐標為：東經113°18′20.71″，北緯22°49′50.62″，瀕臨李家沙水道，主要集中在第一聯圍大良堤段原逢沙閘站處，樁號為第一聯圍45+316。

1.2 工程主要建設內容

逢沙電排站重建工程主要內容如圖1 所示。其主要內容包含多個方面，如：水泵設備項目、高低壓配電設備項目、自動化監測與監控系統項目、電機設備項目、10 kV 專用線路工程（送配電工程）、清污設備項目、逢沙電排站重建工程施工等。逢沙電排站重建工程主要建筑物有兩部分組成，即電排站、水閘及其他附屬建筑物。該工程建設的主要任務是排水減災，提高順德區第一聯圍大良街道的排澇能力，從根本上消除原閘防洪安全隱患。電排站設計總裝機容量為2 700.00 kW，葉輪直徑2 050.00 mm，排水流量為46.03 m3/s，設計揚程時的總電排流量為46.77 m3/s，配套電機為TXZ900-32/2150高壓（10 kV）同步電動機，安裝三臺2000ZXB15.4-2.9型斜式軸流泵。閘底板高程為-2.00 m，水閘單孔凈寬8.00 m，設計流量為26.19 m3/s。閘頂高程按五十年一遇洪水加2.00 m超高取整為5.60 m。

圖1 電排站重建工程主要內容圖

2 逢沙電排站重建工程自排水閘建筑物設計

逢沙電排站重建工程自排水閘，總凈寬8.00 m，單孔設計，閘孔凈寬8.00 m，閘底板高程為-2.00 m，設計流量為26.19 m3/s。工程自排水閘建筑物設置在電排站的南側，與電排站由一道寬約20.00 m的隔離島隔開。逢沙電排站重建工程自排水閘建筑物設計大概分為三個部分，如圖2所示。

圖2 逢沙電排站重建工程自排水閘建筑物設計圖

2.1 確定閘孔形式

根據重建后電排站工程使用（運行管理）單位的使用需求及習慣，自排水閘按帶胸墻設計，考慮水閘具有排水及防洪功能，采用寬頂堰型底板，設計外江洪水位為3.43 m（p=2%），在不影響排水的前提下，讓閘門不用過高，并且在水閘上設置胸墻。根據電排站重建工程的實際需要，水閘單孔設計，按構造設計確定閘室總寬度為8.00 m（根據公式（1）進行計算），滿足水閘設計規范的要求。

考慮到自排水閘建成后的運行情況，當水閘處于開啟狀態時，圍內水位一般不高于1.20 m。為防止水閘上游的漂浮物在水閘上游淤積，保證水閘正常運行，需要閘門不要過高，胸墻底部高程為2.80 m，比設計起排水位高1.60 m，可以滿足水閘上有不淤積的要求和滿足閘門板高寬比構造的要求。

2.2 自排水閘自排能力計算

在水閘工程的水力設計中，計算過流能力可以采用閘孔的過流公式來計算，而且在調節計算過程中一般會有以下的流態形式：孔流和堰流兩種。如表1所示為判別孔流和堰流的方法。

表1 判別孔流和堰流的方法表

2.2.1 判別水閘過流形式：孔流或堰流

根據逢沙電排站重建工程的實際，水閘的e/H＞0.65、0.72H0＜hs＜0.90H0，結合上表則應按照堰流式的公式進行計算。

根據逢沙電排站重建工程的實際，水閘的e/H＞0.65、0.72H0＜hs＜0.90H0，結合上表則應按照堰流式的公式進行計算。

2.2.2 水閘過流能力的計算

根據運行情況計算水閘設計流量，當外江水位≥0.80 m時，自排水閘關閘排水，此時的自排水閘為搶排。因為水閘關閉需要一定的時間，自排水閘的最大搶排流量在設計時，需要按水閘上下游最大水頭差為0.01 m進行設計，此時的搶排流量為自排水閘的設計工況下的最大過流能力。

本工程水閘單孔設計，根據堰流式過閘流量計算公式，采用寬頂堰過流公式計算流量，其計算公式如下：

上述公式中，Q：過閘流量（m3/s）；B0：閘孔總凈寬（m）；H0：計入行近流速水頭的堰上水深（m）；Hs：由堰頂算起的下游水深（m）；g：重力加速度（9.81 m/s2）；m：堰流流量系數，采用0.39；ε：堰流側收縮系數；b0：閘孔凈寬（m）；bS：上游河道一半水深處的寬度（m）；σ：堰流淹沒系數。

通過計算得出，逢沙電排站工程自排水閘設計過閘流量為26.19 m3/s（滿足本地區水利規劃的要求），對比重建前的逢沙水閘，大大提高了自排能力。

2.2.3 確定閘底高程

經測量逢沙電排站工程上下游渠（河）道底高程為-2.10 m左右，為了防止水閘底板面淤積，且水閘閘身不宜過高，閘底板高程宜適當稍作抬高。在滿足水閘過流條件的前提下，水閘閘底板面高程可以確定為-2.00 m。

2.3 確定水閘的堤頂高程

根據水閘設計規范的要求“擋水時閘頂高程≥最高擋水位+浪波計算高度+安全超高”，本工程水閘在擋水時，風區長度按100 m 計算，相應設計最大風速按18 m/s，當在50 a 一遇（p=2%）洪水位（3.43 m，珠基）時水深約5.64 m，按照經綜合計算，本工程水閘最低閘頂高程為5.53 m，取整5.60 m 作為閘頂設計高程，滿足防洪安全及排水要求。

3 自排水閘消能防沖計算及穩定性分析

3.1 自排水閘的消能防沖設計

考慮到工程自排水閘建成后的運行情況，和水閘在運行過程中可能存在不確定性因素，在設計自排水閘的消能防沖時，決定布置消能防沖設施。如表2所示為自排水閘的下游布置情況。

表2 自排水閘的下游布置表

為防止工程自排水閘在抵擋洪潮時出現反向滲透破壞的現象，在水閘上游設置長10 m、坡度1∶20 的鋼筋混凝土鋪蓋，鋪蓋層下從下至上依次為中、粗砂的反濾層；并且在鋼筋混凝土鋪蓋上游設置長10 m的二級反濾壓重層。在消力池底板下鋪設二級反濾層，消力池底板設4 排排水孔（間距2 000 mm×2 000 mm），排水孔為梅花型布置，Φ80 硬塑管（管內填充碎石反濾排水）。

3.2 結構計算及分析

考慮到水閘各種運行條件的四種荷載組合，自排水閘穩定計算的選用，包含兩種特殊組合和兩種基本組合。回填粘土需要在墻后進行，因為工程基礎淤泥埋深較厚，考慮到樁基礎的影響，將地基摩擦和閘底板的摩擦系數取為f=0.25。汽車汽車荷載等級為公路Ⅱ級標準，公路橋為四級公路，工程主要建筑物基礎置于地質勘察中的黏土層，承載力特征值為60 kPa。根據實際情況進行分析，該自排水閘工程地基應力不滿足要求，需進行地基處理。

4 結語

逢沙電排站重建工程的自排水閘采用寬頂堰型底板作為重建水閘閘孔形式，垂直水流即閘身總長度為20.00 m，單孔設計，凈寬8.00 m。在不影響排水的前提下，在閘上設置胸墻，自排水閘最大過流能力為26.19 m3/s。根據前面的計算可知，自排水閘所需最低堤頂高程為5.53 m，本工程設計取整5.60 m作為水閘閘頂設計高程，可以滿足防洪及排水要求。而且，根據實際情況進行分析，該自排水閘地基應力不滿足要求，需進行地基處理。