南照電力灌溉站拆除重建工程設(shè)計和施工

李 丹

(潁上縣水利建筑安裝工程公司，安徽 阜陽 236200)

灌溉站對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要的意義，保障該設(shè)施的正常運行具有必要性[1-2]。南照電力灌溉站是南照灌區(qū)主要樞紐工程之一，是潁上縣灌溉骨干工程。土建部分主要由上游攔污閘、進(jìn)水前池、泵房、出水涵及出口控制閘等結(jié)構(gòu)組成。南照站共裝潛水泵2臺，配電機(jī)6臺，未知型號電機(jī)2臺。水泵和電機(jī)的最早出產(chǎn)時間為1976年。設(shè)計灌溉流量4.4 m3/s，設(shè)計進(jìn)水位17.50 m，設(shè)計出水位29.50 m，設(shè)計灌溉面積3000 hm2。泵站多年帶病運行，目前無法滿足灌溉需要。泵站設(shè)計為球殼淹沒式，站前無檢修閘，僅在水泵進(jìn)水管設(shè)有檢修閘閥，因年久失修，閘閥漏水，高水位無法進(jìn)行正常的機(jī)修維修養(yǎng)護(hù)，造成機(jī)組無法保證正常運行，急需更新改造。

1 重建工程相關(guān)參數(shù)及方法研究

1.1 工程規(guī)模和主要設(shè)計參數(shù)

南照電灌站位于南照鎮(zhèn)大寺社區(qū)，工程始建于1975年，1996年技術(shù)改造。目前安裝機(jī)組8臺(套)，其中6臺20H-28型水泵配套JS117-6型電動機(jī)，2臺600HDB-50潛水泵，總裝機(jī)容量1000 kW。設(shè)計灌溉流量4.4 m3/s，設(shè)計進(jìn)水池水位17.5 m，設(shè)計出水池水位29.5 m，最枯水位17.5 m，灌溉面積約3000 hm2。根據(jù)對南照灌溉站的安全鑒定評價，該泵站為四類泵站，本次擬拆除重建。潁上縣南照站拆除重建工程主要為南照灌區(qū)的站首工程，其相應(yīng)的規(guī)模應(yīng)與2019年改造后的南照灌區(qū)相一致，南照灌區(qū)改造后恢復(fù)其灌溉面積3666.67 hm2。

工程的主要設(shè)計參數(shù)包括：設(shè)計流量、特征水位、特征揚程[3]。在工程設(shè)計的設(shè)計流量中，灌溉設(shè)計流量指該保證率下的灌區(qū)內(nèi)某一時期最大灌溉用水流量。項目區(qū)灌溉設(shè)計保證率為85%，對水稻，最大的一次灌水是在泡、整田期用水，參考《安徽省行業(yè)用水定額》(DB34/TG 9—2019)和相關(guān)資料，水稻的泡田凈定額為1050～1425 m3/hm2，考慮項目區(qū)既有水稻又有旱作物，凈定額取1050 m3/hm2，相應(yīng)的灌溉設(shè)計流量Q計算如式(1)：

(1)

式中：m為最大一次灌水定額，取1050 m3/hm2；A為灌溉面積，取3 666 367 hm2；T為輪灌天數(shù)，取12 d；t為水泵每天工作時間，取22 h；η為渠系水利用系數(shù)(一般大型灌區(qū)采用0.55，中型灌區(qū)采用0.65，小型灌區(qū)取0.75)，取0.65。考慮本次設(shè)計的灌溉渠道灌溉面積較小，參照潁上縣灌區(qū)設(shè)計相關(guān)資料，本次設(shè)計灌溉模取15 m3/(s·萬hm2)，設(shè)計流量為5.5 m3/s。

1.2 泵站規(guī)劃參數(shù)

泵站在機(jī)組設(shè)備選型、布置時遵循以下原則：(1)泵站揚程在6.5 m或以上時，原則上選擇混流泵，低于6.5 m的選擇軸流泵。對于進(jìn)水池防洪水位較高，泵軸較長需加中間軸承的泵站，原則上優(yōu)選潛水電泵。(2)裝機(jī)臺數(shù)和單機(jī)功率經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后選擇，泵站臺數(shù)按3～6臺選取。(3)電機(jī)的配套功率按不小于水泵最大軸功率的110%考慮，并考慮傳動機(jī)構(gòu)效率。(4)水泵的設(shè)計揚程按規(guī)劃設(shè)計凈揚程加上損失揚程確定。在設(shè)計揚程工況下，考慮留有適當(dāng)余量，泵站不考慮設(shè)備用泵。選型時水泵的設(shè)計揚程一般位于模型性能曲線圖高效區(qū)略偏上，以使平均揚程時水泵能在高效區(qū)運行，并兼顧到最高與最低揚程時水泵應(yīng)能安全、穩(wěn)定運行。(5)水泵在長期運行中，泵站效率較高，能量消耗少，運行費用較低；按所選的水泵型號和臺數(shù)建站，工程投資較少；便于安裝、維修和運行管理。

在進(jìn)行泵型選擇時，需要確定水泵的型式和臺數(shù)。由于本站設(shè)計凈揚程10.7 m，灌溉流量5.50 m3/s，據(jù)本站流量揚程特點，適合選用的泵型為立式混流泵。立式泵又分為普通立式泵和立式潛水泵兩種。在技術(shù)上，這兩種泵的性能參數(shù)基本相同；在投資上，潛水泵土建投資稍有減少；運行維護(hù)上，潛水泵解體大修一般需要返廠，而普通立式混流泵的結(jié)構(gòu)簡單，可靠性比較高，有比較成熟的運行和現(xiàn)場維修經(jīng)驗。

因為引水需要流道底板較低，常規(guī)立式泵軸長超過制造廠允許值。在結(jié)構(gòu)上電機(jī)與水泵采用長軸連接，存在安裝檢修不便及運行擺度大等無法避免的問題。潛水軸流泵在土建投資、電氣設(shè)備投資方面均較省，且潛水泵在施工要求、施工難度方面比立式泵簡單。綜上所述，本項目泵型推薦潛水泵。由于本工程泵站主要功能為灌溉，個別泵組檢修對工程運行影響不大，因此不考慮備用機(jī)組。本階段設(shè)計初擬3臺1000HDB-40型混流泵和4臺800HDB-40型混流泵進(jìn)行方案比較，這2種水泵的性能曲線見圖1。

圖1 潛水混流泵性能曲線

1.3 施工圍堰

根據(jù)本區(qū)附近的周集、王家壩、潤河集、正陽關(guān)雨量站資料分析，本區(qū)多年平均降雨量為900 mm，降水量年內(nèi)和年際變化都很大，汛期6—9月雨量占全年降雨量的60%以上。年降水豐枯變化頻繁，年降水量最大值是最小值的3.8倍。由于暴雨容易產(chǎn)生區(qū)內(nèi)洪澇災(zāi)害，其特點是降雨范圍小、歷時短、強(qiáng)度大。而對應(yīng)外河水位高，持續(xù)時間長，對內(nèi)水形成頂托，在洪水期區(qū)內(nèi)往往形成外洪內(nèi)澇的局面。因此在進(jìn)行施工過程中需要進(jìn)行圍堰處理。

為防止圍堰外水位抬高圍堰內(nèi)兩側(cè)岸坡中地下水水位，圍堰位置宜離泵室較遠(yuǎn)。本次選定下游圍堰中心線布置在末端20 m處。利用棄土在下游引渠與淮河月牙堤交界處填筑施工圍堰。根據(jù)《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL 252—2017)和有關(guān)規(guī)范要求，潁上縣南照站拆除重建工程為Ⅲ等工程，主要建筑物級別為3級，次要建筑物級別為4級，臨時工程5級；施工期洪水標(biāo)準(zhǔn)選用枯水期10 a一遇的水位或洪水流量。根據(jù)《水利水電工程圍堰設(shè)計規(guī)范》(SL 645—2013)圍堰級別應(yīng)根據(jù)其保護(hù)對象、失事后果、使用年限和圍堰工程規(guī)模劃分，確定圍堰工程5級。

結(jié)合基坑開挖步驟，考慮到該圍堰的重要性及施工期間需要作為場內(nèi)交通道路，外河側(cè)圍堰頂寬4 m。堰頂高程25.30 m，河底高程16.50 m，最高擋水位24.46 m，堰頂超高0.73 m，最大擋水深度8.0 m，堰體高度8.80 m。22.00 m高程處內(nèi)坡設(shè)5 m平臺外坡設(shè)3 m平臺，22.00 m高程以上邊坡1∶3，22.00 m高程以下內(nèi)邊坡1∶3外邊坡1∶4。擋水期淮河側(cè)水深較大，波浪沖刷頻繁，為保護(hù)堰體坡面，在淮河測鋪設(shè)雨布、壓土袋。根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL 274—2020)的規(guī)定，平均波高及平均波長采用莆田試驗站公式計算。圍堰頂高程的計算如式(2)：

(2)

式中：Lm為平均波長，m；g為重力加速度，m/s2；Tm為均波周期，s；H為壩迎水面前水深，m。為便于施工比較，施工時段有10月—次年4月、10月—次年3月、11月—次年4月、11月—次年3月，各施工時段的5 a一遇外河水位分別為25.20 m、25.20 m、23.96 m、23.96 m，10 a一遇外河水位分別為26.11 m、26.11 m、24.46 m、24.46 m。

1.4 工程環(huán)境影響預(yù)測與評價

施工過程需要考慮對周圍環(huán)境的影響，主要包括：水環(huán)境、環(huán)境噪聲、固體廢棄物的處理等。其中施工對水環(huán)境影響是本次研究主要關(guān)注的內(nèi)容。工程施工期的水污染源主要包括混凝土養(yǎng)護(hù)及拌和系統(tǒng)沖洗廢水、機(jī)械設(shè)備沖洗含油污水、施工人員的生活污水等?；炷翝仓r將產(chǎn)生堿性廢水，澆筑1 m3混凝土約產(chǎn)生約0.35 m3堿性廢水，其pH值可達(dá)9～12。此外，混凝土拌和系統(tǒng)的轉(zhuǎn)筒和料罐的沖洗也將產(chǎn)生少量堿性廢水。堿性廢水如不經(jīng)處理、隨意排放，將對周圍土壤產(chǎn)生不利影響，不利于跡地恢復(fù)；如直接進(jìn)入淮河，將影響水質(zhì)，因此需在混凝土拌和廠設(shè)置處理設(shè)施，對廢水進(jìn)行處理。

本工程建筑施工混凝土澆筑強(qiáng)度較大，混凝土拌和與養(yǎng)護(hù)產(chǎn)生的廢水較多，同時還存在廢水排放不連續(xù)、懸浮物高等特點，因此本工程采用平流式沉淀池，利用自然沉淀的原理去除廢水中的懸浮物。由于廢水中pH值較高，可在沉淀池加適量的酸調(diào)節(jié)pH值至中性。根據(jù)施工總布置，在混凝土拌和站后采用矩形沉淀池，每臺班后的沖洗廢水排入池內(nèi)，處理后的廢水可用于施工道路和場地灑水等。

含油廢水包括機(jī)械車輛維修、沖洗廢水，廢水中主要污染物成分為石油類和懸浮物。含油廢水隨意排放，會改變土壤結(jié)構(gòu)，不利于施工跡地恢復(fù)；廢水若直接進(jìn)入水體，在水體表面形成油膜，影響水質(zhì)。因此施工區(qū)機(jī)械沖洗保養(yǎng)點需設(shè)置含油廢水處理設(shè)施，對含油廢水進(jìn)行處理。為防止含油廢水對土壤環(huán)境和水環(huán)境的污染，對機(jī)械保養(yǎng)產(chǎn)生的廢水進(jìn)行處理。由于各施工區(qū)機(jī)械數(shù)量較少，設(shè)置隔油池處理含油廢水，車輛沖洗、維修過程中的含油廢水通過場內(nèi)設(shè)置的集水溝進(jìn)入水處理裝置，廢水處理達(dá)標(biāo)后排入附近荒地或者灑水降塵等，不可直接排入水體和農(nóng)田，并對隔油池定期清理。

2 重建工程的相關(guān)評價結(jié)果研究

潁上縣南照站拆除重建工程灌溉流量5.5 m3/s，設(shè)計裝機(jī)4臺，總裝機(jī)1120 kW。工程等別為Ⅲ等，規(guī)模為中型。潁上縣南照站拆除重建工程前池及進(jìn)水池、主泵房及副廠房、出口管道、出水池等主要建筑物為3級，進(jìn)水引渠、出水渠等次要建筑物為4級，臨時建筑物為5級。主要工程量為：土方開挖19 469 m3、土方回填9468 m3、鋼筋混凝土及混凝土2461 m3、堆砌石108 m3、鋼筋144 t。

表1為南照電灌站運行設(shè)計參數(shù)表。本次設(shè)計灌溉模取15 m3/(s·萬hm2)。設(shè)計流量為5.5 m3/s。進(jìn)水池設(shè)計水位，取值為19.00 m；進(jìn)水池最低運行水位，取值為17.50 m；進(jìn)水池最高水位，取值為29.01 m；進(jìn)水池防洪水位，取值為28.02 m；出水池設(shè)計水位，取值為29.70 m；出水池最高運行水位，取值為29.70 m；出水池最低運行水位，取值為28.80 m，等。設(shè)計凈揚程為10.7 m，最低凈揚程為5.3 m，最高凈揚程為12.2 m。

表1 南照電灌站運行設(shè)計參數(shù)

表2為水泵技術(shù)、經(jīng)濟(jì)綜合性能方案比較結(jié)果。從泵型方案主要參數(shù)表及圖1中的性能曲線看出，2個方案在流量、揚程等方面都能滿足規(guī)劃設(shè)計要求。方案一設(shè)計工況效率高，運行不靈活，總裝機(jī)功率較大，運行成本較高，金結(jié)和土建投資較大。方案二設(shè)計工況效率較高，運行工況基本位于高效區(qū)中心，運行較靈活；總裝機(jī)功率較少，土建投資較少。結(jié)合水工專業(yè)布置需求，綜合考慮，本站推薦方案二，即選用4臺800HDB-40型潛水混流泵。

表2 泵站機(jī)組選型方案比較

由式(2)的計算結(jié)果可知，采用的設(shè)計堰頂高程25.23 m?？紤]到該圍堰的重要性取堰頂高程25.30 m，擬定的圍堰斷面見圖2。圍堰滲流及滑動穩(wěn)定計算對上述圍堰斷面最高擋水時期的圓弧滑動穩(wěn)定，采用河海大學(xué)《土石壩穩(wěn)定分析系統(tǒng)》分析計算。通過計算可得，本工程圍堰為5級圍堰，圍堰邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)高于1.05。

圖2 圍堰斷面圖(單位：m)

根據(jù)《水利水電工程環(huán)境保護(hù)概估算編制規(guī)程》(SL 359—2006)概算本工程環(huán)境保護(hù)投資。本工程環(huán)境保護(hù)投資包括施工期環(huán)境監(jiān)測投資、環(huán)境保護(hù)臨時措施投資和獨立費用三部分。水土保持防治措施投資已列入主體工程中，施工人員噪聲、粉塵防治等勞動保護(hù)投資在工程現(xiàn)場經(jīng)費中考慮。本工程環(huán)境保護(hù)總投資為20.04萬元，包括：環(huán)境監(jiān)測投資為4.13萬元，環(huán)境保護(hù)臨時措施投資為7.21萬元，獨立費用為7.57萬元，基本預(yù)備費為1.13萬元。

從總體上來分析，本工程主要體現(xiàn)了有利影響，且具有長效顯著性。工程施工產(chǎn)生的廢水、廢氣、噪聲、固廢、臨時占壓對環(huán)境的不利影響，是短期可逆的，且在施工期采取相應(yīng)的保護(hù)措施后可以減免。本工程不存在制約工程實施的環(huán)境問題，從環(huán)境角度分析，在實施有效的環(huán)境保護(hù)措施基礎(chǔ)上，本工程是可行的。

3 結(jié) 論

在南照電力灌溉站的拆除重建可行性分析的報告中，本次設(shè)計灌溉模取15 m3/(s·萬hm2)；設(shè)計流量為5.5 m3/s；進(jìn)水池設(shè)計水位，取值為19.00 m；進(jìn)水池最低運行水位，取值為17.50 m；進(jìn)水池最高水位，取值為29.01 m；進(jìn)水池防洪水位，取值為28.02 m；出水池設(shè)計水位，取值為29.70 m；出水池最高運行水位，取值為29.70 m；出水池最低運行水位，取值為28.80 m，等。設(shè)計凈揚程為10.7 m，最低凈揚程為5.3 m，最高凈揚程為12.2 m。選用4臺800HDB-40型潛水混流泵，采用的設(shè)計堰頂高程25.30 m。本工程環(huán)境保護(hù)總投資為20.04萬元，包括：環(huán)境監(jiān)測投資為4.13萬元，環(huán)境保護(hù)臨時措施投資為7.21萬元，獨立費用為7.57萬元，基本預(yù)備費為1.13萬元。綜合分析來看，在實施有效的環(huán)境保護(hù)措施基礎(chǔ)上，本工程是可行的。