泵站進水閘復核計算過程與評價

張 威

（廣州市河涌監測中心，廣州 510635）

廣州市三涌聯合補水工程是大型城市中心城區復雜環境長距離有壓調補水工程， 運行超過10 年，需要對工程所涉泵站進行安全評估， 以確保工程安全平穩運行。

1 工程概況

廣州市東圃泵站是三涌聯合補水工程的一級泵站， 主要功能是從珠江前航道取水， 經壓力管道（DN1800）輸送至長虹調蓄湖，沿泵站進水方向依次設置引水渠、進水閘、前池、進水池、泵房、壓力水箱等。該工程于2009 年6 月完工， 總裝機容量4500 kW，設5 臺單機900 kW 的單級雙吸中開離心泵，設計揚程37.02 m，設計流量5.775 m3/s。設計主要建筑物級別為3 級泵站，次要建筑物級別為4 級。

泵站進水閘與珠江堤防連接， 按1 級建筑物設計，與珠江堤防標準一致，為200 年一遇，采用3 孔布置，孔口尺寸為寬（6 m）×高（3 m），孔底高程-2.50 m，另設擋水胸墻，胸墻底高程0.50 m，閘頂高程3.70 m。泵站閘室長9.0 m，底板厚1.0 m，中墩厚2.2 m，邊墩厚1.2 m，閘門為平板鋼閘門，采用液壓啟閉機啟閉。進水閘基礎采用水泥攪拌樁，樁徑φ600 mm，等邊三角形布置，樁中心距為1000 mm，以Ⅴ層全風化粉砂巖作為持力層。一般情況下處于常開狀態，在珠江水位為最低運行水位-1.25 m 時，最大過閘流速0.26 m/s，在進行復核計算時，運行工況下閘前后水位差不計。閘門只有在珠江遭遇設計洪水時或天文大潮時關閘擋水， 此外在前池檢修或清淤時也可作為檢修閘門擋水。根據管理單位制定的防汛應急預案，東圃泵站遭遇洪水時關閘水位為2.5 m，如圖1。

圖1 東圃泵站平面圖

2 進水閘復核計算過程

2.1 閘頂高程計算

2.1.1 安全加高值

根據SL265—2016《水閘設計規范》［1］，水閘閘頂高程應根據擋水和泄水兩種運用情況確定。 本水閘為引水閘，主要考慮擋水時的情況，水閘擋水時，閘頂高程不應低于水閘正常蓄水位或最高擋水位加波浪計算高度與相應安全加高值之和。本閘在泵站機組運行時，最高水位為1.94 m，閘頂高程3.70 m，主要考慮擋水時的運用情況。 東圃進水閘最高擋水位即珠江200 年一遇洪（潮）水位2.68 m，1 級水閘最高擋水位時的安全加高為0.5 m。

2.1.2 波浪高度計算

波浪要素計算按照SL265—2016 《水閘設計規范》計算。

對于平原、濱海地區水庫，按莆田試驗站公式計算，如式（1）。

式中hm為平均波高（m）；Tm為平均波周期 （s）；υ0為計算風速，進水閘最高擋水位時為特殊組合，取多年平均年最大風速值，υ0=16.4 m/s；D 為風區長度，根據規范取5 倍水閘前沿寬，120 m；Hm為水域平均水深，根據地形量取Hm=7 m；g 為重力加速度， 取9.81 m/s2。Lm為平均波長（m）；H 為閘前水深（m），取5.5 m；hp為累積頻率為p 的波高 （m）；1 級水閘波列累積頻率取p=1%；hz為波浪中心線至設計水位的高差（m）；hw為波浪計算高度（m）。

波浪計算成果如表1。

表1 波浪高度計算成果

2.1.3 閘頂高程計算

閘頂高程計算成果如表2，東圃泵站進水閘閘頂高程與珠江沿岸的防浪墻頂高程同高， 且在各工況下都高于計算所需閘頂高程，滿足規范要求。

表2 閘頂高程計算成果單位：m

2.2 抗滲穩定及揚壓力計算

據東圃泵站的建筑布置情況， 泵站周圍地面高程均高于珠江水位， 進水側建筑物底板分縫處均設有止水，另外在前池斜坡段前端設有5 排排水孔；進水閘基礎巖（土）層自上而下為淤泥質細砂、全風化粉砂巖及強風化粉砂巖， 前后端齒墻以下各設有2排緊密相連的水泥土攪拌樁， 深入全風化粉砂巖約2 m。泵站正常運行時，因流量較小，最大過閘流速僅0.26 m/s，進水閘前后水位差可忽略不計，不存在滲流安全問題，但在工作閘門或前池檢修時，有可能形成閘后無水的情況，根據SL265—2016《水閘設計規范》，采用改進阻力系數法計算，以弱風化粉砂巖作為不透水層。 采用改進的阻力系數法計算閘底輪廓各關鍵點水頭和分段滲流坡降。

2.2.1 地基有效深度

根據閘基輪廓圖， 地下輪廓的水平投影長度L0為26 m，垂直投影長度S0為7.5 m，=3.47<5，地基有效深度大于實際地基深度11.9 m，取Tε=11.9 m。

2.2.2 各分段阻力系數

式中ξ0為進、出口段阻力系數；ξy為內部垂直段的阻力系數；ξx為水平段阻力系數；S 為板樁或齒墻的入土深度（m）；T 為地基透水層深度（m）。S1、S2為進、出口段板樁或齒墻的入土深度（m）；Lx為水平段長度（m）。

2.2.3 各分段水頭損失值

式中 ξi為各分段阻力系數；hi為各分段水頭損失值（m）；n 為分段總數。

2.2.4 進、出口段水頭損失值修正

式中h'0為修正后的進、 出口段水頭損失值（m）；h0為進、出口段水頭損失值（m）；β'為阻力修正系數，當β'≥1 時， 采用β'=1；S' 為底板埋深與板樁人土深度之和（m）；T'為板樁另一側地基透水層深度（m）。

2.2.5 滲流計算

在檢修工況下， 珠江水位按多年平均高潮位1.94 m，閘后無水。滲透壓力分布如圖2，流透坡降計算值如表3。

表3 檢修工況下水平段與出口段滲流坡降

圖2 工作閘門或前池檢修時閘基滲透壓力分布

進水閘閘基礎為淤泥質細砂， 參考SL265—2016《水閘設計規范》中細砂的允許滲流坡降值。滲流出口為前池底板的排水孔，根據前池底板的結構，從下至上依次為：中粗砂厚500 mm，土工布1 層，碎石墊層厚200 mm，C15 混凝土墊層厚100 mm， 鋼筋混凝土底板厚500 mm，按照規范要求，允許滲透坡降值可加大30%。經計算，閘基各水平段及出口段的滲透坡降均小于規范允許值。

2.3 閘室穩定計算

2.3.1 計算工況

根據東圃泵站的布置與運行調度情況， 泵站運行時最大過閘流速僅0.26 m/s，進水閘前后水位差可忽略不計，當水泵機組停機時，進水閘工作閘門保持常開，閘前后水位一致，在這種情況下，閘室荷載主要為結構自重與水的浮力，水位越高受到的浮力越大，地基應力越小，因此在閘前后都無水時地基應力最大。

當水閘前后存在水位差時， 則最大地基應力有可能超過完建工況下的地基應力。 進水閘在設計洪水時，關閘水位為2.5 m 高程，而珠江200 年一遇設計洪（潮）水位為2.68 m，水位差較小。在檢修時，進水閘采用臨時的檢修閘門擋水，此時前后水位差較大。

本泵站處于Ⅶ度地震區，需要進行抗震復核，水平向地震動峰值加速度取0.1 g， 考慮地震遭遇設計水位的情況，采用擬靜力法計算地震作用。

綜上所述，閘室穩定計算主要考慮檢修工況、完建工況、地震工況，各工況水位情況如表4。

表4 閘室穩定計算工況

2.3.2 荷載計算

檢修工況荷載計算簡圖如圖3， 各工況荷載計算成果如表5～表7。

表5 完建工況進水閘荷載計算

表6 檢修工況進水閘荷載計算

表7 地震工況進水閘荷載計算

圖3 進水閘檢修工況荷載計算簡圖

2.3.3 地基應力

根據SL 265—2016《水閘設計規范》，閘室基底應力計算公式如式（7）。

各工況的閘室基底應力值如表8。

表8 進水閘基底應力計算成果

根據SL 265—2016《水閘設計規范》，土基上的閘室平均基底應力小于地基允許承載力， 最大基底應力小于地基允許承載力的1.2 倍。 東圃泵站進水閘基礎為淤泥質細砂，承載力特征值為70 kPa，基礎采用水泥攪拌樁處理，樁徑φ600 mm，等邊三角形布置，樁中心距1000 mm，以Ⅴ層全風化粉砂巖作為持力層。根據東圃泵站竣工圖，水泥土攪拌樁處理后的復合地基承載力不小于143 kPa，因此進水閘地承載力與應力比均滿足規范要求。

2.3.4 抗滑穩定

完建工況和正常運行時進水閘承受水平荷載較小，抗滑穩定計算主要復核檢修工況和地震工況。東圃泵站進水閘基礎為淤泥質細砂， 采用水泥攪拌樁處理后填中粗砂墊層， 土基上沿閘室基底面的抗滑穩定安全系數按式（8）計算。

式中f 為底板與地基之間的摩擦系數（kPa），參考規范取0.4；ΣG 為所有垂直力的總和（kN）；ΣH 為所有水平力的總和（kN）。

抗滑穩定計算成果如表9， 各工況下進水閘抗滑穩定最小安全系數均大于規范允許值，滿足設計要求。

表9 進水閘抗滑穩定計算成果

2.4 過流能力復核

東圃泵站設計流量5.775 m3/s，進水閘底板高程為-2.5 m， 最低運行水位為-1.25 m， 閘孔過流凈寬18 m。 在最低運行水位下的最小過流斷面面積為22.5 m2，平均流速僅0.26 m/s。按照SL 265—2016《水閘設計規范》進行水力計算，閘前后水位差小于0.01 m，過閘水頭損失較小，滿足設計要求。

3 結語

經復核，東圃泵站進水閘結構完整，閘頂高程、抗滲穩定性、閘室穩定性、過流能力等均滿足規范要求，安全評價類別為一類。