白水湖雙港防洪排澇站工程設(shè)計思路與方法

羅江紅

(南昌市水利規(guī)劃設(shè)計院，南昌330009)

白水湖區(qū)域位于南昌市昌北城區(qū)東北部，地處贛江主支左岸，為贛江下游濱湖尾閭地區(qū)，區(qū)域內(nèi)地勢低洼，路面高程一般在19.00～23.00 m(黃海高程系統(tǒng))，每當(dāng)汛期區(qū)內(nèi)易形成洪澇災(zāi)害。為了適應(yīng)城市工業(yè)園區(qū)規(guī)劃建設(shè)需要，確保工業(yè)園區(qū)建成后的防洪排澇安全，需提高環(huán)保工業(yè)園的防洪排澇能力，擬建白水湖雙港防洪排澇站。

1 確定防洪治澇標準

泵站設(shè)計第一步就是確定防洪治澇標準與工程規(guī)模，之后才能進行水文計算。根據(jù)國家相關(guān)規(guī)程規(guī)范的要求準確確定工程的標準和級別。有很多城市防洪工程已經(jīng)列入了前期城市水利工程規(guī)劃中，已明確工程的級別和標準，這類工程不需要確定標準和級別，只有復(fù)核正確就可以了。

白水湖雙港防洪排澇站按《防洪標準》(GB50201-94)、《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB0286-98)、國務(wù)院轉(zhuǎn)批水利部《關(guān)于加強長江近期防洪建設(shè)若干意見的通知》(國務(wù)院發(fā)(1999)12號文)和《江西省南昌市城市防洪規(guī)劃報告》(修編)審查意見(水利部辦水總［2003］59號文)，確定相應(yīng)防洪標準為50 a一遇。白水湖雙港電排站的治澇標準為20 a一遇，1 d最大暴雨加1 d污水量排出不淹重要建筑物高程。

2 水文計算

水文計算一定要精準，對有疑問地方一定要反復(fù)論證，以便為確定泵站規(guī)模提供科學(xué)依據(jù)。

2.1 設(shè)計排澇水量

2.1.1 治澇分區(qū)與治澇標準

雙港電排站位于白水湖區(qū)域的南岸堤終點與雙西堤起點的交匯處的濱江北大道上，匯水范圍為雙西堤、南岸堤、前港堤、鄧家坊導(dǎo)托渠西堤及建豐堤所合圍區(qū)域，總匯水面積10.73 km2。區(qū)內(nèi)地墊南北高，中間低，一般地面高程18.50～23.00 m，該區(qū)域來水皆由城市管網(wǎng)匯入白水湖湖區(qū)內(nèi)。白水湖環(huán)保工業(yè)園開發(fā)前，該區(qū)域來水采用自排、電排相結(jié)合的方式排入贛江。根據(jù)《南昌市城市防洪規(guī)劃(修編)》安排，為了統(tǒng)籌解決該區(qū)域治澇問題，并提高區(qū)域的治澇標準，采取改擴建原雙港電排站成站閘結(jié)合的方案，集中將區(qū)域來水排入贛江。

2.1.2 設(shè)計暴雨

移用與治澇區(qū)域鄰近的南昌站設(shè)計暴雨為治澇區(qū)設(shè)計點暴雨，根據(jù)南昌站設(shè)計暴雨分析成果，20 a一遇最大1 d暴雨量為186.8 mm。

2.1.3 污水量

雙港電排站污水量為居民生活污水加工業(yè)廢水。目前，南昌市白水湖環(huán)保工業(yè)園下莊湖污水處理廠正在規(guī)劃當(dāng)中，還未建設(shè)。根據(jù)白水湖環(huán)保工業(yè)園區(qū)的建設(shè)規(guī)模及工業(yè)園區(qū)管委會相關(guān)部門的意見，在本次設(shè)計中，該區(qū)域廢污水量按10萬 m3/d計算。

2.1.4 設(shè)計排澇水量

排澇區(qū)內(nèi)無流量觀測資料，設(shè)計排澇水量通過設(shè)計暴雨途徑推求。由于排澇區(qū)面積不大，區(qū)域暴雨點面折算系數(shù)取1.0。考慮城區(qū)房屋屋面、混凝土和瀝青路面等不透水覆蓋面面積大，綜合徑流系數(shù)取 0.9;生產(chǎn)、生活廢污水按10萬 m3/d計。

為了減少雙港電排站裝機規(guī)模和年運行費用，將白水湖湖區(qū)及晨鳴路段的后港堤挖除，使現(xiàn)有白水湖湖區(qū)與部分渠道合二為一成為電排站的調(diào)蓄區(qū)，根據(jù)調(diào)蓄區(qū)現(xiàn)有水面并結(jié)合城市景觀建設(shè)需要，調(diào)蓄區(qū)水面面積定為0.40 km2。經(jīng)分析，電排站外江(贛江)汛期(4—7月)平均水位約16.5 m，根據(jù)防護區(qū)地形條件結(jié)合城市下水管道埋設(shè)以及外江水位情況，調(diào)蓄區(qū)最高水位確定為17.5 m，最低水位16.5 m，調(diào)蓄水深1.0 m，調(diào)蓄容積為40萬 m3。

雙港電排站排澇標準為20 a一遇1 d暴雨一日排至不淹重要建筑物高程。20 a一遇最大1 d暴雨為186.8 mm，相應(yīng)凈雨水量為180.39萬 m3，1 d內(nèi)總污水量為11萬 m3，總水量為190.39萬m3。考慮40萬m3的調(diào)蓄水量后，總排水量為150.39萬 m3。計算成果見表1。

表1 雙港電排站排澇計算成果表

2.2 特征水位

蓄區(qū)正常蓄水位為16.0 m(景觀水位)，最高蓄澇水位為17.50 m，起調(diào)水位(即電排站起排水位)為16.50 m，調(diào)蓄水深1.0 m。

設(shè)計最高內(nèi)水位:由于區(qū)域內(nèi)調(diào)蓄較小，且區(qū)內(nèi)城市建設(shè)用地高程基本已填至19 m以上，電排站最高內(nèi)水位按略高于地面高程確定，取為19.20 m。

設(shè)計內(nèi)水位:根據(jù)調(diào)蓄要求，取調(diào)蓄區(qū)平均水位為設(shè)計內(nèi)水位，為16.50 m。

最高運行內(nèi)水位:取調(diào)蓄區(qū)最高蓄澇水位，為17.50 m。

最低運行內(nèi)水位:根據(jù)城市規(guī)劃及排湖要求確定，為15.00 m。

防洪外水位:取相應(yīng)外江50 a一遇洪水位，為22.22 m。

設(shè)計外水位:取排水期外江20 a一遇最高3 d平均水位，為21.65 m。

最高運行外水位:取相應(yīng)外江50 a一遇洪水位22.22 m為最高運行外水位。

最低運行外水位:采用起排內(nèi)水位加0.1 m作為最低運行外水位，最低運行外水位為16.60 m。

特性水位見表2。

表2 雙港電排站特征水位表

3 工程規(guī)模和工程布置

水文計算完成后，可進行水力學(xué)計算，計算出泵站設(shè)計排水流量，據(jù)此確定泵站規(guī)模，進行設(shè)備選型。

3.1 確定排澇流量

雙港電排站位于白水湖區(qū)域的南岸堤終點與雙西堤起點的交匯處的濱江北大道上，匯水范圍為雙西堤、南岸堤、前港堤、鄧家坊導(dǎo)托渠西堤及建豐堤所合圍區(qū)域，總匯水面積10.73 km2。其排水量為該治澇區(qū)域內(nèi)的雨水加污水量。據(jù)表1成果，區(qū)域內(nèi)需排水總量為150.39萬m3，按電排站日開機時間22 h計，用平均排除法求得雙港電排站的設(shè)計排水流量為18.99 m3/s。

雙港電排站為站閘結(jié)合工程，其調(diào)度運行原則的確定依據(jù)為:白水湖平均湖底高程約為14.0～14.5 m，根據(jù)景觀要求與市政下水管出口高程要求，白水湖正常蓄水位(即景觀水位)為16.5 m;據(jù)水文分析，電排站出口處贛江汛期平均水位約16.5 m;經(jīng)綜合分析，自排閘關(guān)閘水位和電排站起排水位確定為16.5 m;最高蓄澇水位為17.5 m，調(diào)蓄水深為1.0 m。據(jù)此，電排站的運行方式確定為:當(dāng)外江水位低于16.5m時，由自排閘控制下泄水量等于來水量并維持內(nèi)湖水位為景觀水位16.0 m;當(dāng)外江水位高于16.5 m時，閘門關(guān)閉，啟動電排站抽排來水并使內(nèi)湖水位盡可能維持在16.5 m，當(dāng)來水大于排水能力時，來水滯蓄于調(diào)蓄區(qū)內(nèi)，直至最高蓄澇水位;當(dāng)外江水位在16.0～16.5 m時，仍由自排閘自泄來水，以減少電排站的運行費用，但此時內(nèi)湖水位將超出景觀水位，由于超出較少，對景觀水位影響不大。

3.2 泵站規(guī)模和基本布置

按照《泵站設(shè)計規(guī)范》GB/T50263-97，泵站規(guī)模屬中型，泵站等別為Ⅲ等，泵站主要建筑物級別為3級，次要建筑物4級。

雙港電排站設(shè)計排澇流量為18.99 m3/s，采用4臺1400QZB-70型潛水軸流泵，單機功率為500 kW，排澇總裝機容量為2 000 kW，另外為白水湖湖區(qū)換水之用的提灌設(shè)計流量為2.5 m3/s，采用兩臺700QZB-50型潛水泵，提灌裝機容量為320 kW，電排站排、灌總裝機容量為2 320 kW，泵站由進水系統(tǒng)、泵房、出水系統(tǒng)、消力池及提灌系統(tǒng)組成。進水建筑物主要包括進水渠、檢修閘、攔污柵、工作橋、前池等。

圖1 白水湖雙港防洪排澇平面布置圖

4 部分要點計算詳解

4.1 設(shè)計揚程計算

4.1.1 泵站凈揚程Hst

確定內(nèi)外河水位差

4.1.2 裝置揚程

1)進口水頭損失

(計算公式查泵站設(shè)計手冊公式)

包括閘墩的水頭損失、攔污柵的水頭損失、閘門水頭損失

2)出口水頭損失

3)管道損失揚程

4.1.3 考慮出水池水位最大涌高

電排出水時有一個出水涌高，出水池水位最大涌高計算如下:

1)最大水位涌高計算

式中:YM為最大水位涌高值，見《給排水設(shè)計手冊第5冊》(3-16)式;Q為水泵出水量，m3/s;L為出水總管長度，m;A為出水池面積，m2;a為出水總管斷面積，m2;g為重力加速度，9.81m/s。

2)出水池至放流河道之間的全部水頭損失

式中:YO為出水箱涵的全部水頭損失，見《給排水設(shè)計手冊》(第5冊3-17式);V為出水總管流速，m/s;C為流速系數(shù);R為出水總管水力半徑，m;ζ進為出水總管進口水頭損失系數(shù);ζ出為出水總管出口水頭損失系數(shù)。

3)出水池最大涌水高程

式中:ZO為放流河道最高水位。

本工程出水池的水位涌高計算，按照調(diào)壓塔原理分析計算，確定最大涌水位高程。

泵站設(shè)計揚程為凈揚程Hst加上以上損失之和。

4.2 進水閘設(shè)計計算

1)進水閘水力計算按《水閘設(shè)計規(guī)范》(A.0.1-1)公式計算:

式中:B為總凈寬，m;Q為過閘流量，m3/s;(設(shè)計流量18.99 m3/s);σ為堰流淹沒系數(shù);ε為堰流側(cè)收縮系數(shù);m為堰流流量系數(shù)，取m=0.35;H0為計入行進流速水頭的堰上總水深，m;按泵站設(shè)計內(nèi)水位，設(shè)計流量控制及泵站最低內(nèi)水位，設(shè)計流量的1/4控制，經(jīng)計算滿足上述條件，進水閘底板高程13.30 m，閘孔寬度3.0 m。

2)閘室抗滑穩(wěn)定計算:

①抗滑穩(wěn)定按《水閘設(shè)計規(guī)范》(7.3.6-1)公式計算，

式中:［Kc］為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)允許值;Kc為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);∑G為全部豎向荷載之和;∑H為全部水平荷載之和;f為基底磨擦系數(shù)。

②水閘基底應(yīng)力計算按《水閘設(shè)計規(guī)范》(7.3.4-1)公式計算。

式中:P max，Pmin為水閘基礎(chǔ)底面應(yīng)力的最大值或最小值，kPa;∑M為水閘基底以上全部豎向和水平荷載對基座垂直水流向的形心軸的力矩KN·M;W為水閘基底對該面垂直水流向的形心軸的截面矩，m3。

根據(jù)進水閘各工況驗算閘室穩(wěn)定情況，驗證閘室能否滿足抗滑要求及基礎(chǔ)能否滿足承載能力。

其它常用計算在給類水力學(xué)書中都有敘述，也可參考泵站設(shè)計規(guī)范，在此就不重復(fù)介紹。

5 結(jié)論

泵站設(shè)計比較復(fù)雜，對技術(shù)要求較高，設(shè)計人員在設(shè)計時，一定要掌握正確的方法，有一套清晰的設(shè)計思路，否則設(shè)計出來的成果很容易前后矛盾，重新推翻原有設(shè)計方案，設(shè)計質(zhì)量也不高。設(shè)計步驟正確，步步相關(guān)，前后驗證，方案反復(fù)比較，這樣才能設(shè)計出高質(zhì)量高水平的排澇泵站。

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