中小河道X 型流道泵站設計淺析

袁超

（長江勘測規劃設計研究有限責任公司上海分公司，上海 200083）

2015 年 4 月，國務院發布《水污染防治行動計劃》（“水十條”），明確提出“直轄市、省會城市、計劃單列市建成區要于2017 年底前基本消除黑臭水體”“到 2017 年，直轄市、省會城市、計劃單列市建成區污水基本實現全收集、全處理”。

上海市于2015 年11 月出臺了“上海清潔水行動計劃”，上海的“水十條” 將比國家《水污染防治行動計劃》要求更高、更嚴格，力爭于2017 年底前基本消除黑臭水體。對其中的24 條市民整治呼聲強烈的黑臭河道，要求“一河一策”整治原則制定整治方案。

1 工程概況

工程河道均位于上海市閔行區華漕鎮，均屬“淀北水利控制片”，“淀北片”位于蘇州河及老市區以南，淀浦河以北，青松大控制線以東，黃浦江以西，總面積179.28 平方公里。片內包括長寧區全部、徐匯區大部分和閔行區一部分以及青浦區與松江區的一小部分。地形趨勢是西南高、東北低，原是近郊低洼地區之一，地面高程一般在3.2 米至3.6 米左右，高的在4 米以上，低于3.5 米的面積占15%。閔行區行政區劃上屬于“淀北片”范圍的是七寶鎮、華漕鎮、虹橋鎮、龍柏街道、古美路街道全部地區及莘莊鎮、梅隴鎮的淀浦河以北區域，總面積96.38 平方公里，占“淀北片”總面積的54%。

工程所涉及河道為姚墩港、沈家角支河和藏浦及柴北門前池。新建泵站位于柴北門前池，為保持現狀封閉的柴北門前池水系能與外界溝通，故在其東北側接蘇州河處設置泵站一座，泵站主要用于排澇、蓄水及換水。新建泵站流量較小，對水流條件要求不高，為便于操作，就近設置管理房。

2 泵站運行工況

（1）當上海市進入汛期時，使用水泵將內河側河道的水體抽排至外河，降低內河的水位，達到排澇的作用。

（2）當上海市進入枯水期，冬季需要蓄水時，使用閘門及水泵將外河側河道的水體引排至內河，提高內河水位，達到蓄水的作用。

（3）當內河側的河道的水體需要換水時，先使用閘門或者水泵將內河側河道的水位降低至水泵的最低運行水位，然后使用閘門及水泵將外河側河道的水體引排至內河，達到換水的作用。

泵站運行水位組合及特征揚程見下表。

表1 正向（排澇工況）運行特征水位表（單位：m）

表2 反向（引水）運行特征水位表（單位：m）

表3 泵站特征揚程表（單位：m）

3 泵站設計

3.1 泵站結構布置型式比選

方案一：泵站與自排流道并排布置。

泵站與自排流道并排布置，采用整體現澆的施工工藝，水體由水泵抬升后，經中隔墻側向排至自排流道，泵室和流道的上下游各設置一道工作閘門，形成排澇、蓄水和換水相結合的綜合功能。

方案二：泵站與自排流道上下并列布置。

泵站與自排流道上下并列布置，泵房下層的自排流道既是排水或者引水的涵洞，又可作為進水池，泵房的上層為出水池，出水和進水都是雙向的。下層的自排流道兩端各布置一道工作閘門，與雙向出水的軸流泵的工作閘閥相結合，在立面上形成“X”型流道。這種型式同樣具有排澇、蓄水和換水相結合的綜合功能。

方案比選：傳統具有雙向引排功能的泵站需將泵站和水閘分開布置，使兩端河道的水流能夠平順銜接，但傳統的泵站結構布置型式較為疏散，占用的土地面積較大，后期泵站運行期的管理與圍護也不夠方便和集中。上述兩種結構型式與傳統的分開布置的結構型式相比，有著工程投資較經濟、占用的土地面積較小和便于管理、運營等優點。方案一泵站在工作的情況下，由于泵站是側向出水，形成自排流道閘下單側泄流的情況，使泵站的下游和上游產生出較為強烈的偏流和回流，不僅加重了整個站身的結構安全威脅，而且增加了防沖效能設施的工作負擔。方案二的土建的工程量相對經濟，占用的土地面積相對更小，水泵的價格雖然略高，但是整體的工程投資是較為節省的，而且在各種運行工況下，泵站整體都為順河方向進出水，因此避免了方案一的上下游進出水流態較為復雜的不足。雖然這種結構型式的泵站運行效率相較于方案一略低，但本工程中泵站流量較小，對水流條件要求不高，故最終選擇方案二。

圖1 方案二泵站站身結構剖面圖

3.2 泵站平面設計

站址選擇：為保持現狀封閉的柴北門前池水系能與外界溝通，故在其東北側接蘇州河處設置泵站一座，泵站主要用于排澇、蓄水及換水。擬新建泵站流量較小，對水流條件要求不高，為便于操作，管理房應就近建設。

泵站規模：柴北門前池泵站的規模根據河道的排澇需求確定，估算柴北門前池宅河的匯水面積為56 萬m2（村宅南北、東西長各750m），24 小時面雨量按排澇標準為192.9mm 計算，需要排水量為10.8 萬m3，全部雨水按48 小時排出計算得到的泵站流量為0.63m3/s，故確定泵站流量按1.0m3/s 設計。

泵站平面布置：充分考慮和利用地形、地質自然條件和現有的建筑物，力求少占地，方便施工，便于管理，投資省。泵站集中布置在蘇州河擋墻南側，泵站設計流量1.0m3/s，機組選用2 臺泵，單泵流量0.5m3/s，管理房布置在站身上方。

3.3 泵站結構設計

站身：泵站站身采用整體鋼筋砼結構，底板不設分縫，結構整體性好，可承受不均勻沉降，尤其適合上海市軟土地基。為節約用地與造價，站身上設置控制房兼管理房。泵站進口處設一道工作閘門和攔污柵。推薦方案站身根據選用站身底板采用平底板，底板厚1.0m。泵站站身（閘室）長 15.0m，機組凈距為2.5m。

消力池：泵站內河側設置消力池，順水流方向長度為8.0m，寬 6.2～12.2m，池底面高程為 0.50m，底板厚度均為0.60m，并設置排水孔。外河側出水池由已建的DN600 鋼管連接蘇州河，不設消力池。外河側出水池墻頂高程為+5.20m。

海漫段：內河消力池外側設置8.0m 漿砌塊石海漫段防沖，斷面為復合式斷面結構形式，渠底高程1.0m，底寬均由12.2～15.3m 與河道接順，底部及岸坡采用漿砌塊石護砌，岸墻與河道岸墻接順，圩區側岸墻墻頂高程為+4.1m。海漫段以外設4m 防沖槽。

斷流方式設計：根據對應的流動型式和使用機組的特點，在上下層流道的出口和進口位置，分別布置一道閘門和電控拍門，借助拍門和閘門及水泵的抽水之間的配合，實現斷流。

管理用房設計：根據水利部相關標準，并結合上海市類似工程的管理經驗，初步確定本工程管理人員配備如下：生產人員1 名及服務人員1 名。按照上海市關于水利工程管理用房的有關規定，并結合上海的工程特點及工程管理用房實際情況，以上所有用房中供配電、中央控制等生產及生產輔助用房按需進行經濟合理配置，辦公、值班以及宿舍等生活文化設施用房的總面積按定員人數人均15m2統籌考慮。確定泵站管理房面積約30m2。管理房建筑采用普通砌體結構。出入管理房道路，借用原現場道路。

泵型選擇：根據水泵的流量和揚程應選用軸流泵。軸流泵的結構形式很多，在實際工程中已經采用有立式軸流泵、臥式軸流泵、貫流泵和潛水軸流泵等幾種結構形式。立式軸流泵的價格比較低，但安裝比較麻煩、運行時噪音比較大，需要的輔助設備多，通常需要上部廠房，土建部分費用較高。臥式軸流泵雖然裝置效率高，但占地面積比其他泵大，導致土建投資比較大，需要的輔助設備方面同立式軸流泵。潛水軸流泵的突出優點是安裝簡單、運行時幾乎沒有噪音，不需要技術供排水等輔助設備，無需上部泵房，土建費用省，近十年發展很快。貫流泵雖然裝置效率高，特別是潛水貫流泵，也不需要上部廠房，但相對于潛水軸流泵來說，價格較高，安裝較為麻煩，下部泵房需要考慮通風、照明和排水系統，整個系統比潛水軸流泵復雜。由于泵站的年運行時間比較短，效率不是主要考慮因數，這里推薦使用結構簡單、安裝方便、噪音小、輔助設備少、占地面積小、投資少的潛水軸流泵。

3.4 泵站工程管理

泵站的開啟和關停是泵站主機、電氣設備和閘門聯合運轉調度的復雜過程，在這個過程中，為了盡量避免運行故障，需要實時檢查和檢測各種設備的運行情況。在需要水泵停機時，過程中，需要注意閘門的閉門速率，尤其不能過快，導致閘門在閉門過程中對門槽底板產生過大的沖擊力。

4 結語

在城市中小河道的治理過程中，結合城市中小河道的特點，選擇具有“X”型流道結構型式的泵站，具有如下優點：

（1）應用靈活，可以滿足多種工況的需要。

（2）工程所需的占地面積相對較小，有效減少了工程實施過程中可能帶來的騰地動拆遷矛盾，進而有效降低了社會穩定風險。

（3）工程總體土建工程量相對較小，投資較經濟，施工周期相對較短。

（4）在泵站建成交付使用后，管理運行較為方便，有效降低了管理和維護成本。