皮洲排澇站設(shè)計(jì)綜述

張萬(wàn)里，涂超慶，吳鳳先，沈福云

(1.南京市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，南京 211100；2.國(guó)安能第二工程局有限公司，南昌 330100；3.南京市水務(wù)工程建設(shè)管理中心，南京 210004；4.江西省贛西土木工程勘測(cè)設(shè)計(jì)院， 江西 宜春 336000)

1 工程概況

皮洲自排閘位于黃崗堤樁號(hào)6+622處，自排閘建于1979年，閘基基本座落于壤土層中，且其下無(wú)軟弱下伏層。自排閘設(shè)計(jì)排澇流量12.2 m3/s，進(jìn)口閘底板高程28.55m，現(xiàn)狀混凝土箱涵孔口尺寸1.8×1.8。

該閘主要作用為排澇(自排)。主要存在的問(wèn)題是內(nèi)澇嚴(yán)重，排引流量大，單靠自排解決不了內(nèi)澇問(wèn)題；經(jīng)多年運(yùn)行，該閘出口消能設(shè)施已沖毀，不能滿足消能防沖要求，防洪閘閘門及啟閉機(jī)損壞嚴(yán)重；管身長(zhǎng)度不夠，無(wú)工作橋。本次設(shè)計(jì)擬對(duì)其進(jìn)行原址拆除重建為自排和電排相結(jié)合的排澇站。

2 排澇站特征水位

2.1 特征水位

特征水位見表1。

2.2 水泵機(jī)組選型

水泵機(jī)組選型見表2。

3 排澇站設(shè)計(jì)

3.1 排澇站總體布置

皮洲排澇站設(shè)計(jì)堤頂高程37.41m，頂寬4.0m，外河迎水邊坡1∶2.5，背水邊坡1∶2.0。皮洲排澇站設(shè)2孔箱涵，為電排與自排結(jié)合箱涵，單孔凈空尺寸為2.0m×2.0m(寬×高)。電排站由進(jìn)水渠、進(jìn)水閘、前池、機(jī)泵房、壓力水箱(含自排箱涵)、電排控制段、穿堤箱涵、出口控制段、出口消力池、護(hù)坦海漫等組成。

表1 排澇泵站特征水位成果表

排澇站閘室、消力池、箱涵、機(jī)泵房等基礎(chǔ)應(yīng)座落在壤土上，同一分縫段巖性應(yīng)相同，其承載力分別為140-160KPa，與混凝土摩擦系數(shù)0.25。基礎(chǔ)若遇粉細(xì)砂或淤泥質(zhì)土層，需進(jìn)行基礎(chǔ)處理，若粉細(xì)砂或淤泥質(zhì)土層厚<1.5m，則挖除采用C15混凝土置換，若厚度>1.5m，則采用松木樁(松木樁直徑≥150mm、長(zhǎng)度≥4m、間距0.5m、梅花形布置)結(jié)合塊石擠壓進(jìn)行基礎(chǔ)處理，要求基礎(chǔ)處理后承載力達(dá)到130 KPa以上。

表2 皮洲澇泵站機(jī)組選型表

考慮排澇站基礎(chǔ)允許承載力不高，且局部可能存在粉細(xì)砂等軟基，需基礎(chǔ)處理，該設(shè)計(jì)其基礎(chǔ)均采用鋼筋混凝土整體基礎(chǔ)，邊墻采用鋼筋混凝土懸臂式結(jié)構(gòu)。

圖1 皮洲排澇站縱剖面圖

3.2 排澇站設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)擬在原址拆除重建，為自排和電排相結(jié)合的排澇站。采用6臺(tái)900ZLB-6.8(-6°)型水泵，配有6臺(tái)JSL-14-12電機(jī)，單機(jī)功率為210kW，總功率為1260kW，總排澇流量12.2m3/s，水泵采用一列式布置，泵房結(jié)構(gòu)采用堤后濕室墩墻型。泵站建筑物由進(jìn)水閘、前池、泵房、出口壓力水箱、控制段，穿堤箱涵、出口消力池等部分組成。其中機(jī)泵房主要尺寸及高程見表3。

表3 主要尺寸及高程表

1)進(jìn)水閘：

進(jìn)水閘為一孔，順?biāo)鏖L(zhǎng)度7.5m，閘孔凈寬4.0 m，底板高程28.19m，底板為0.8m厚C25鋼筋混凝土，設(shè)檢修閘門和攔污柵。兩側(cè)邊墻采用C25混凝土結(jié)構(gòu)，頂寬0.8m，墻高4.11m，迎水坡鉛直，背水坡1∶0.3。進(jìn)水閘前襯護(hù)55m，采用現(xiàn)澆C15混凝土護(hù)底結(jié)合混凝土預(yù)制塊護(hù)坡型式與排水渠銜接。

2)前池：

前池凈寬23.0m，長(zhǎng)10.0m，底板高程28.19m，底板為500mm厚C25鋼筋混凝土，兩側(cè)為C25鋼筋混凝土懸臂式擋土墻，頂寬0.3m，墻高3.81m，迎水坡鉛直，背水坡1:0.1，墻身設(shè)置φ100PVC排水管，孔距2.0m，管末包扎400g/m2土工布(350×350mm2)，墻后設(shè)砂卵石反濾帶300×500mm2(寬×高)。

3)機(jī)泵房：

泵房為濕室型墩墻混凝土結(jié)構(gòu)，泵房底板采用整體基礎(chǔ)，底板基礎(chǔ)厚0.6m，進(jìn)水池凈寬23.0m，水泵中心距為3.7m，水泵出水管中心高程為31.6m，水平進(jìn)入壓力水箱。

4)出口壓力水箱和控制段：

壓力水箱平面形狀采用平面梯形，立面等高布置，與泵房中心線為其對(duì)稱線，對(duì)稱布置。壓力水箱順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)10.0m，進(jìn)出口寬23.2-4.8m，底板高程28.19m，凈高2.0m。

壓力水箱后緊接電排控制段，控制段順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)7.0m，底板高程28.19m，設(shè)有1道閘門，孔口尺寸2.0m×2.0m(寬×高)。

5)穿堤箱涵：

控制段后緊接穿堤箱涵。箱涵采用C25鋼筋混凝土現(xiàn)澆，2孔，凈空尺寸為2.0m×2.0m(寬×高)，管壁厚0.4m。箱涵長(zhǎng)25.0m，共3節(jié)，進(jìn)出口底板高程28.69-28.58m。箱涵與箱涵之間及箱涵與壓力水箱之間設(shè)沉降縫，縫寬2cm，采用紫銅片止水，瀝青杉板填縫，箱涵底部設(shè)10cm厚的C15混凝土墊層。

6)出口控制段：

出口控制段采用節(jié)能型自由側(cè)翻式單開拍門(2.0×2.0)控制，設(shè)計(jì)水頭8.16m，其二期混凝土、地腳螺栓等尺寸和布置需相應(yīng)產(chǎn)品確定后(必須在涵管開工前確定)進(jìn)行調(diào)整。拍門兩側(cè)和頂部設(shè)鋼筋爬梯。

箱涵要求當(dāng)外河水位低于澇區(qū)水位，區(qū)內(nèi)澇水自排，澇水由箱涵排向外河；當(dāng)外河水位高于內(nèi)河水位，區(qū)內(nèi)澇水不能自排時(shí)，所有澇水均滯留在澇區(qū)內(nèi)，等外河水位下降后排向外河或采用電排排澇。

節(jié)能型自由側(cè)翻式單開拍門要求(特點(diǎn))如下：①其工作原理是：當(dāng)涵內(nèi)水壓力大于拍門外部背壓時(shí)，拍門自動(dòng)開啟；當(dāng)涵閘內(nèi)介質(zhì)壓力小于或等于拍門外部背壓時(shí)，拍門自動(dòng)關(guān)閉。根據(jù)力學(xué)原理，將門瓣鉸軸豎向布置，并向內(nèi)傾斜一定角度，利用門瓣的自重水平分力作為閉門動(dòng)力，以達(dá)到減少拍門開啟阻力和自動(dòng)閉門的目的，內(nèi)外水位差0.1m以上就可開閉，并可根據(jù)流量和水頭差自動(dòng)調(diào)整拍門開度。②阻力系數(shù)≤0.1，水頭損失系數(shù)≤0.1，門的開啟角度可達(dá)到85°以上,開啟時(shí)間5-10s、關(guān)閉時(shí)間5-20s。③無(wú)論是淹沒(méi)還是未淹沒(méi)狀態(tài)，拍門都能啟閉自如。④拍門采用預(yù)埋安裝，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單牢靠。⑤要求門軸選擇最佳傾斜角，從而形成拍門最佳啟閉速度，減少撞擊力，消除水擊。⑥拍門門體采用Q235碳素鋼，絞軸為不銹鋼材料，軸套以銅合金為基體的球鉸式自潤(rùn)滑軸承，密封可靠[1-2]。

7)消力池：

防洪閘外接消力池。經(jīng)水力分析計(jì)算，消力池長(zhǎng)10.0m，池深0.5m。消力池底板采用50cm厚C25混凝土澆筑，底板下設(shè)10cm厚C15混凝土墊層。兩側(cè)邊墻為C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，頂寬0.3m，迎水坡鉛直，背水坡1:0.1，墻身設(shè)置φ100PVC排水管，孔距2.0m，管末包扎400g/m2土工布(350×350mm2)，后設(shè)砂卵石反濾帶300×500mm2(寬×高)；消力池底板采用紫銅片止水，底板排水孔采用φ100PVC排水管，孔距2.0m，排距2.0m，呈梅花型布置，管末包扎400g/m2土工布。底板分縫與擋土墻連接縫均采用瀝青杉板填縫[3]。

消力池后接長(zhǎng)6.0m的C25鋼筋混凝土護(hù)坦?jié)u變段和14.0m長(zhǎng)的的海漫，海漫采用100mm厚現(xiàn)澆C15混凝土結(jié)合混凝土預(yù)制塊護(hù)坡型式，底板高程26.60-26.46m。

4 設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1 泵房結(jié)構(gòu)計(jì)算

1)抗?jié)B計(jì)算：

排澇站基礎(chǔ)為壤土層，排澇站防滲長(zhǎng)度按壤土長(zhǎng)度計(jì)算。壤土層允許滲透坡降J允=0.4，泵站實(shí)際防滲長(zhǎng)度：L1=70.2m；

泵站所需防滲長(zhǎng)度：

L2=ΔH/J允=6.52/0.4=16.3m

(1)

式中：ΔH為上下游水位差，ΔH=36.71-30.19=6.52m(考慮外河設(shè)計(jì)洪水位，內(nèi)河運(yùn)行最低水位情況)。

因L1>L2，故泵房滿足防滲要求。

2)穩(wěn)定計(jì)算：

排澇站抗滑穩(wěn)定、抗浮穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表見表4。

表4 排澇站抗滑穩(wěn)定、抗浮穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

由表4知，排澇站抗滑穩(wěn)定、抗浮穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果均滿足規(guī)范要求。

4.2 箱涵水力計(jì)算

1)箱涵過(guò)流能力計(jì)算：

本次設(shè)計(jì)箱涵按有壓流計(jì)算，經(jīng)計(jì)算電排時(shí)箱涵最大過(guò)流能力為13.55m3/s。排澇站設(shè)計(jì)排澇流量為12.2m3/s，箱涵能滿足過(guò)流要求。

2)消能防沖設(shè)計(jì)：

本次設(shè)計(jì)消能防沖設(shè)計(jì)選用外河已經(jīng)退水(即外河河灘地?zé)o水)，內(nèi)河為最高內(nèi)水位的工況進(jìn)行計(jì)， 經(jīng)計(jì)算，取消力池水平池長(zhǎng)10.0m、深0.5m，底板厚0.5m，護(hù)坦海漫總長(zhǎng)20.0m[4]。

5 金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

進(jìn)水閘檢修閘門設(shè)于攔污柵后共1孔設(shè)1扇閘門，孔口尺寸(寬×高)為4.0×2.8m2。檢修閘門為平面鋼閘門，運(yùn)行方式為靜水關(guān)閉、動(dòng)水開啟，啟閉設(shè)備選用QL-2×80KN-SD螺桿啟閉機(jī)。

為防止雜物阻塞水泵，故在進(jìn)口處設(shè)置攔污柵，進(jìn)水閘攔污柵設(shè)在前池前，共1孔設(shè)1扇攔污柵，孔口寬度4.0m，柵體高度為2.81m。攔污柵為平面滑動(dòng)鋼柵，運(yùn)行方式為靜水啟閉，選用2只30KN手動(dòng)葫蘆啟閉。

自排閘門設(shè)2孔2扇閘門，孔口尺寸(寬×高)為2.0×2.0m2。底坎高程28.19m，電排時(shí)關(guān)閉該閘門,閘門擋外河設(shè)計(jì)洪水位36.71m。選用高壓SPZ-2m×2m-8m雙向受力鑄鐵閘門，運(yùn)行方式為動(dòng)水啟閉，啟閉設(shè)備選用QL-250KN-SD螺桿式啟閉機(jī)。

防洪閘共2孔，設(shè)2套控制閘門，孔口尺寸(寬×高)為2 m×2m。底坎高程28.55m，閘門擋外河設(shè)計(jì)洪水位36.71m。控制閘門選用2m×2m節(jié)能型自由側(cè)翻式單開鋼拍門[5]。

皮洲排澇站采用自排與電排相結(jié)合的運(yùn)行方式排水。當(dāng)外河水位較低時(shí)，排澇站的自排閘開啟，澇水通過(guò)自排閘排出，防洪閘自控拍門通過(guò)水壓力自動(dòng)開啟，水流至外河；當(dāng)外河水位增高時(shí)，自排無(wú)法排出澇水，為防止外河洪水倒灌，自排閘關(guān)閉，電排站啟動(dòng)運(yùn)行，防洪閘自控拍門通過(guò)水壓力自動(dòng)開啟；在洪水期時(shí)，防洪閘自控閘門自動(dòng)關(guān)閉，以防外河水倒灌。

6 結(jié) 語(yǔ)

皮洲排澇站由進(jìn)水閘、前池、泵房、壓力水箱、控制段，穿堤箱涵、出口消力池等部分組成，整個(gè)工程建筑物較多，設(shè)計(jì)情況比較復(fù)雜，對(duì)設(shè)計(jì)人員的綜合能力要求較高，設(shè)計(jì)者根據(jù)工程實(shí)際情況采取最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)思路比較清晰，設(shè)計(jì)方案合理，可為類似工程設(shè)計(jì)提供參考與借鑒。