雙向泵站在姚家匯閘站改建工程中的應用

蘇 丹，趙 地

(1.黃河勘測規劃設計研究院有限公司，河南 鄭州 450003；2.水利部黃河流域水治理與水安全重點實驗室(籌)，河南 鄭州 450003；3.河南省城市水資源環境工程技術研究中心，河南 鄭州 450003)

1 項目概況

姚家匯閘站改建工程，屬于平湖市城市防洪擴展工程中的一座閘站工程。平湖是典型的平原河網地區，境內的河道以東湖為中心，呈放射性分布。根據最新的城市國土空間規劃，中心城區的面積由原來的13.6km2，調整為90.1km2。近年來，極端天氣及超標洪水頻發多發，給未設防的區域造成了嚴重影響。在充分考慮防洪保護圈外部的防洪形勢，內部的排澇能力以及對活水的需求，整合防洪、排澇兩大功能，銜接海綿城市建設、綠道建設、內澇治理建設等規劃成果，通過建設水閘、閘站、堤防、河道、濕地等工程措施，充分發揮閘、泵的作用，構建“風雨無憂、排擋結合”的防洪排澇體系；充分利用水利建筑物在非汛期的作用，銜接碧水繞城成果，利用雙向泵站[1]、岸坡綠化、濕地等工程，引活水入城，打造“水活景美、動靜結合”的生態水系廊道。

在新工程任務的前提下，原姚家匯水閘需改建為閘站，承擔起防洪排澇、兼顧引水的工程任務。

2 閘站改建工程布置方案

姚家匯水閘位于平湖市老城區的西側，所在的西文王港河，在平善大道下下穿，與西側的南市河相連通。水閘為人字門，凈寬為16m，于2008年建成投入運行，目前水閘狀況良好。現狀姚家匯水閘東側是住宅小區，西側距離小博士幼兒園約30m。閘站改建只能在現狀水閘與小博士幼兒園圍墻之間有限的空間內布置。

根據周邊地形和引水排水的條件，初步考慮2種改建方案：①在原址改建老閘，做一體化泵站[2]方案，水泵與閘門結合為一個整體裝置系統，構成一扇裝有潛水泵的水閘。泵閘采用側開型式，閘門開啟時，不占用河道，有利于通航。②老閘維持現狀，新增傳統泵站的方案。共考慮了5種具體的方案。

方案一：利用老閘改建一體化閘站+單向水泵

該方案做四孔流道，每個閘門上裝2臺單向泵，2個流道引水，2個流道排水。拆除原有水閘的2側邊墩及啟閉機井，利用原閘基及部分老閘底板。

方案二：利用老閘改建一體化閘站+雙向水泵

該方案做2孔流道，每個閘門上裝2臺雙向泵，2個流道既引水，又排水。底板部分拆除，部分保留，改造邊墩，增加中墩做閘門的鎖止裝置。

方案三：原水閘底板結構加水泵改造方案

(1)在老閘底板上設置4臺泵，通過改造底板的相應措施，將泵焊接在底板上；

(2)水泵后端設置特殊裝置實現閘門開閉時候與閘門的連接和分離；

(3)在閘門外側設置自動啟閉閘板(共計4塊)，泵站運行時，水通過洞口向外側輸水。泵站不運行時，關閉閘板保證閘門的密合性。

方案四：新增雙向泵站—干室泵坑方案

本方案保持原水閘現狀不動，在原閘西南側增加雙向泵站，泵房采用干室，上部做泵房建筑，泵室南北側地埋箱涵，與河道連通。

方案五：新增雙向泵站—濕室泵坑方案

方案五的布置與方案四基本相同，不同的是水泵的伸縮節與出水管之間有縫隙，泵坑為濕室型，水泵完全潛入水中，運行時噪音小，對周邊的噪聲影響小。上部不做泵房，采用鋼蓋板覆蓋。后期檢修采用臨時設備起吊。

方案一、二、三皆具有一定的創新性，一體化閘門側開控制，雖技術成熟，但與水泵結合的一體化型式，還未有已建成的工程案例，應用效果尤未可知。方案五雖不做上部房建省了投資，但后期運行檢修維護，需要租用臨時起吊設備，存在檢修不便的問題。水泵檢修時要排出進出水流道和水泵內的水，閘門的滲漏水。由于水泵檢修時的排水量，遠大于滲漏排水量，因此需要做單獨的檢修排水系統，與滲漏排水不能共用，因此需做2套獨立的設計。通過方案比選，姚家匯閘站改建采用方案四。

3 水泵型式選擇

姚家匯閘站的引水和排水流量均為12m3/s，具有低揚程、大流量的特點。可選擇潛水軸流泵，使用X型流道，通過控制工作閘門和拍門實現雙向運行；也可以選擇潛水貫流泵雙向泵型，該泵為S型葉輪，可以實現電機的反轉從而實現雙向引排水[3-7]，如圖1所示。對2種泵型的技術經濟進行比較，潛水貫流泵的裝置效率高于潛水軸流泵，潛水貫流泵的機電設備投資雖然較高，但是輔助設備較少，運行費用低。

從泵室泵房的土建布置上進行比較，潛水軸流泵的泵室順水流向長度比貫流泵泵室短，但埋深要更深，上部泵房的高度也更高，相應土建開挖量較小，土建投資較低。綜合比較，采用潛水貫流泵更經濟合理。

4 泵站工程設計

姚家匯新建泵站在汛期，當外河水位達到起排水位并有持續上漲趨勢時，關閉水閘，啟動水泵向外河排水，當內河水位低于內河運行最低水位時，關閉水泵。當處于非汛期或根據水質監測數據，內河水質有變壞趨勢，且最高水位在1.4m以下時，可關閉水閘，啟動水泵由外河向內河引水。

姚家匯新建泵站軸線與原閘軸線基本平行，地下泵室為整體混凝土結構，泵室順水流向長33.9m，垂直水流向寬11.7m。因是雙向泵站，因此泵室下部對稱布置。泵站從外河到內河側順水流向布置為：外河側快速閘門及攔污柵段、外河側流道段、主泵室、內河側流道段、內河側快速閘門及攔污柵段。內外河側出口采用地埋箱涵與河道相連通，箱涵上部回填土恢復廠區地坪。

內外河側水泵流道段，水泵流道的底板頂高程為-2.5m，底板厚度為1.5m，流道頂部平臺頂高程為0.5m，流道從水泵接口向外是從圓形到矩形的漸變，圓形直徑為1.8m，矩形寬×高為3.6m×2.5m。中間主泵室的底板頂高程為-3.05m，底板厚度為1.5m。泵室中間不設中墩，邊墩厚度為1m。水泵葉輪中心安裝高程為-1.6m。

泵站選用2臺潛水貫流泵，單泵流量6m3/s，裝置最高效率為67%。單臺泵組的最大起吊件為泵組，最大起吊重量約16.5t，因此，選用起吊重量為20t/5t的電動雙梁橋式起重機1臺，起重機起升高度為8m，橋機跨度為10m。快速閘門采用液壓啟閉機進行起吊，攔污柵與檢修閘門共槽，也采用橋機進行起吊。

圖1 潛水軸流泵站布置方案(左)與潛水貫流泵站布置方案剖面圖(右)

泵房建筑上部采用白色穿孔鋁板裝飾，同時結合開窗等立面元素設計。下部及控制室部分采用灰色真石漆設計，同時屋頂形式設計為波浪的曲線形式，營造韻律與生趣，與周邊環境相結合。

在姚家匯閘站上下游布置雷達水文測站，監測實時水位，數據接入閘站控制數據網。姚家匯閘站水位通過本地通訊接入LCU屏柜后使其得以在上位機軟件中實時展示。雷達水位計數據接入計算機監控系統，系統通過RS485串口接入公用LCU屏中，并經過分析處理得以展示，并存儲在本地數據庫中，在中控室的值班人員可在本地計算機監控系統畫面上看到實時監測數據。

5 結語

姚家匯閘站改建選用雙向潛水貫流泵進行布置，滿足閘站改建的功能需求，排出澇水，保障內河區域的防洪安全；引入活水，促進內外河水動力改善和水質提升。該項目計劃于2023年開工建設，建成后將發揮防洪排澇和水環境改善的重要作用。可為類似工程的方案設計提供一定參考。