淺談城市治水中的排澇泵站重建設計

曾維杰

(廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司，廣東 廣州 510170)

城市內河涌整治過程中往往會修建配套排澇泵站，此類型泵站往往規模不大，但對片區防洪排澇起到關鍵性作用，配套城中村魚塘起到一個蓄水排澇的重要作用。

1 工程概況

廣州市細陂河下游左岸榕村東聯學校附近的小泵站重建設計屬于廣州市黃埔區細陂河綜合整治工程?，F狀小泵站位于魚塘上，設計流量為0.25 m3/s。由于泵站的設計流量偏小，近幾年經常遇到泵站無法快速排出澇水，導致魚塘的澇水漫過附近的道路或者倒灌進村民房子里的情況，并且，目前水泵老化嚴重，常出現運行故障，泵房破舊。因此需要重建細陂河泵站，并重新計算泵站的規模。

按《廣東省防洪(潮)標準和治澇標準(試行)》(粵水電總字[1995]4號)[1]及廣東省人民政府《關于廣州市防洪(潮)規劃的批復》(粵府函[1998]51號)[2]確定，東聯學校附近的小泵站的排澇標準為20年一遇24小時暴雨不成災。

2 泵站選址

泵站選址方案一：因為旱期和魚塘水放干之后，需要從細陂河引水至魚塘，所以保留該閘，并且為了避免重建泵站出水管和水閘出水口的交錯布置，泵站的重建位置位于在舊泵房西側，泵房擋土墻與現狀水閘連接。

泵站選址方案二：拆除舊泵站，在舊址上重建泵房。

泵站選址方案三：工程實際開工后，由于原河岸兩側有部分堤岸進行房屋加建，若按照方案一、方案二選址，排水鋼管將曲折繞行房屋，經參建單位與當地村委進行相關協調，將泵站選址于魚塘西南角，該選址可便于排水鋼管鋪設，沿途無需經過民屋，與細陂河直線距離最短，可直線連通至細陂河，且施工作業場地寬闊，地質復探符合要求。

故最終以方案三作為最終選址。

3 泵站流量、特征水位、運行方式的設計

3.1 泵站設計流量

根據1∶500地形圖，泵站的排澇面積為0.0513 km2，其中魚塘水面0.0111 km2，草地0.0066 km2，建筑道路0.0336 km2。

泵站排澇流量計算公式：

式中：Q為設計排水流量，m3/s；F1為水田面積，取值為0 km2；F2為旱地面積，0.0402 km2；F3為河湖面積，0.0111 km2；h1、h2為水田、河湖調蓄深度，h1取值為0 mm，h2取值2500 mm；P為設計暴雨，取值286 mm；Φ為旱地暴雨徑流系數0.59；T、N為抽排時間，T取值24 h、N取值1 d。

根據泵站排澇流量公式計算，計算泵站的流量為0.54 m3/s，本次設計泵站的設計流量取0.6 m3/s。

3.2 泵站特征水位

(1)進水池水位

設計水位：以排水區內部90%以上的地面不受澇的高程作為設計水位，經分析采用2.0 m。

最高運行水位：取按排水區允許最高澇水位的要求推算到站前的水位，經分析采用2.5 m。

最低運行水位：最低地面高程減去淹沒深度(0.5 m)，取1.5 m。

(2)出水池水位

防洪水位：取細陂河20年一遇洪水位，即采用4.36 m。

設計水位：若無實測資料，可取用5年一遇的水位作為設計水位，采用細陂河5年一遇洪水位3.44 m。

最高運行水位：據泵站設計規范(GB/T 50265-97)[3]，從偏于安全考慮，排水泵站進水池最高運行水位采用細陂河10年一遇的水位3.88 m。

最低運行水位：取細陂河歷年排水期最低水位的平均值，本工程可取泵站出水溝渠的渠底高程，即2.2 m。

泵站的設計參數見表1。

表1 泵站設計參數列表

3.3 泵站運行方式

本片的泵站承擔著周邊0.0513 km2范圍內的排澇任務。由于周邊地區地勢低洼，匯水速度快，洪水有峰值大、匯流持續時間短的特點，所以在設計排澇工況下，當魚塘的水位接近2.0 m時立即開泵排水，雖然及時開泵排水但是魚塘的水位還是會上升至2.5 m左右，之后水位降至2.0 m時關泵。

在枯水季節，維持魚塘水位在2.0 m左右；在汛期，魚塘的水位可適當降低0.2 m左右，為了本區的排澇更安全，可以結合天氣預報，在大暴雨到來之間，可以提前開泵預排，使魚塘水位降至1.5 m～1.6 m，騰空魚塘的容積來調蓄洪水，可以有效減少本區的排澇壓力。

4 泵站抗滑及地基應力計算

根據《泵站設計規范》，設計荷載組合分為正常情況和非正常情況兩類。泵房基底應力計算分為以下三種情況考慮：①工況一，完建期(無水)；②工況二，設計工況(魚塘側水位2.0 m，河涌水位3.44 m)；③工況三，校核工況(魚塘側水位2.5 m，河涌水位3.88 m)。

計算成果見表2。

表2 泵房抗滑及基礎應力成果表

從上述計算可知：泵站的抗滑穩定和抗浮穩定滿足要求。

泵房地基允許承載力按照下列公式進行計算：

[R1/4]=NBγBB+NDγDD+NCC

式中：[R1/4]為限制塑性區開展深度，為泵房基礎底面寬度的1/4時的地基允許承載力，kPa；B為泵房基礎底面寬度，按基礎短邊計，本工程取值為4.6 m；D為泵房基礎埋置深度，m，本工程取值為0；C為地基土粘結力，kPa，本工程取值為140；γB為泵房基礎底面以下土的重力密度，kN/m3，地下水位以下取有效重力密度，本工程取值為1.65；γD為泵房基礎底面以下土的加權平均重力密度，kN/m3，地下水位以下取有效重力密度，本工程取值1.6；NB、ND、NC為承載力系數，本工程取值分別為0.014、1.056、3.229。

根據計算結果，[R1/4]為452.16。

泵站地基處理擬采用400 mm×400 mm砼預制方樁，樁長14 m，間距1 m，平行布置。復合地基承載力2350 kPa≥4[R1/4]=1808.64。滿足設計要求。

5 水泵機組的選擇

5.1 泵站揚程初步計算

根據泵站初步布置，初步計算泵站揚程見表3。

表3 泵站揚程初步計算表

泵站出水口最低運行水位低于泵站進水口最高運行水位，故泵站最低凈化揚程為0。

5.2 泵型選擇

根據細陂河排澇泵站上述設計參數(流量、揚程特點：流量相對較大，而揚程較低)和工程周邊環境，泵型應選用軸流泵，泵型宜采用立式安裝或潛水泵立式安裝，不宜采用臥式安裝或貫流泵。考慮到防止水泵被雜物堵塞，水泵口徑宜大不宜小，因此細陂河排澇泵站采用2臺機組，選用2臺350QZB-125立式潛水軸流泵。

5.3 水泵型號校核

重新計算水力損失、揚程校核后，細陂河排澇泵站泵型特性見表4。350QZB-125泵型性能曲線圖見圖1(圖中標示工況點同表4相對應)。

▲——設計工況，■——最高揚程工況

表4 細陂河排澇泵站泵型特性表

最高校核揚程工況下功率校核：細陂河排澇泵站單泵軸功率N泵=ρQHg/η=1×0.296×5.3×9.81÷0.76≈20.2 kW。

細陂河排澇泵站單泵需配用電機功率N機=N泵/η機×K安=20.2÷0.87×1.10≈25.5 kW。

其中η機=0.87，K安=1.10。

按照電機的功率系列，細陂河排澇泵站配用電機功率為30 kW，泵站總裝機功率60 kW。

6 泵站的布置

6.1 安裝高程

細陂河排澇泵站內涌進水側最低運行水位為1.5 m，350QZB-125泵型進水口淹沒深度要求0.8 m，考慮到進水坡降和安全裕量約0.30 m，故確定細陂河排澇泵站水泵進水口高程1.5-0.8-0.30=0.4 m。

6.2 進出水流道

350QZB-125泵型進水口懸空高度為0.35 m，則進水流道底板高程為0.4-0.35=0.05 m；根據進水流速確定機組進水流道寬度為1.50 m。

由于細陂河排澇泵站附近地面高程在3 m左右，出水管高程不宜太高，否則將抬高泵站頂的高程，影響周邊景觀，出水管高程還應考慮井筒內電機的高度對水泵出水的影響，推薦出水管中心線高程為2.50 m。

細陂河排澇泵站出水拍門推薦采用DN400 mm的復合材料拍門。

6.3 機組布置

地面高程3.0 m。為節約投資和協調周邊景觀，泵站無地上廠房部分。為便于工作人員安裝檢修水泵設備，在進水池水泵頂部須設置一個安裝檢修孔，根據機組結構尺寸確定孔寬1.5 m，孔長3.4 m，安裝檢修孔須設置蓋板。

6.4 輔助設備

泵站進水流道設攔污柵，出水斷流采用拍門。水泵啟動時，直接啟動水泵即可；關閉水泵時，也是直接關閉水泵即可。

泵組檢修時，擰下機組連接穿墻管部位螺栓和地腳螺栓螺母，整體起吊機組即可(具體操作要求按照供貨廠家檢修要求進行)。

機修設備的配置應滿足水泵的安全運行和日常檢修、裝拆(檢查葉片汽蝕情況、電機絕緣情況、軸承磨損情況等)，配置包括千斤頂、手拉葫蘆、臺鉗、小五金工具等。泵組大修時考慮聯系附近檢修廠或泵組供貨廠家進行檢修。

350QZB-125型潛水軸流泵為電機與水泵共軸整體安裝的機組，機組檢修時需要整體吊裝，最大起重量約0.8 t。機組檢修時，打開安裝檢修孔蓋板，汽車起重機在地面檢修通道從檢修孔中起吊機組，考慮到起重臂伸長距離，汽車起重機最大起重量應不低于10 t。

7 結論

本文通過對一個中小排澇泵站進行泵站選址、流量及水位計算、地基承載力計算、水泵選型等方面的探討，為城市治水中，尤其這種穿插在城中村中的中小類型的泵站的設計提供一定的借鑒經驗。