逢沙電排站自排水閘重建工程性能分析

尤偉康

（佛山市順德區(qū)水利投資建設(shè)有限公司）

0 引言

因大良街道原逢沙電排站的老化及排澇標(biāo)準(zhǔn)低，隨著順德的城市化進(jìn)程不斷加快，當(dāng)?shù)厮?guī)劃對(duì)逢沙電排站的防洪及排澇能力提出了更高的需求及要求，因此，為當(dāng)務(wù)之急是對(duì)其進(jìn)行必要的重建改造。根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》等有關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求，并結(jié)合工程可研階段的批復(fù)意見，佛山市順德區(qū)第一聯(lián)圍大良街道逢沙電排站重建工程確定為Ⅲ等中型工程，其主要建筑物、次要建筑物和臨時(shí)建筑物依次為三級(jí)、四級(jí)及五級(jí)。其中，自排水閘建筑物劃分為三級(jí)，防洪標(biāo)準(zhǔn)為五十年一遇洪水設(shè)計(jì)。

1 工程選址及選線

1.1 工程名稱及位置

該重建工程選址為佛山市順德區(qū)第一聯(lián)圍大良街道逢沙堤段，工程地理坐標(biāo)為：東經(jīng)113°18′20.71″，北緯22°49′50.62″，瀕臨李家沙水道，主要集中在第一聯(lián)圍大良堤段原逢沙閘站處，樁號(hào)為第一聯(lián)圍45+316。

1.2 工程主要建設(shè)內(nèi)容

逢沙電排站重建工程主要內(nèi)容如圖1 所示。其主要內(nèi)容包含多個(gè)方面，如：水泵設(shè)備項(xiàng)目、高低壓配電設(shè)備項(xiàng)目、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與監(jiān)控系統(tǒng)項(xiàng)目、電機(jī)設(shè)備項(xiàng)目、10 kV 專用線路工程（送配電工程）、清污設(shè)備項(xiàng)目、逢沙電排站重建工程施工等。逢沙電排站重建工程主要建筑物有兩部分組成，即電排站、水閘及其他附屬建筑物。該工程建設(shè)的主要任務(wù)是排水減災(zāi)，提高順德區(qū)第一聯(lián)圍大良街道的排澇能力，從根本上消除原閘防洪安全隱患。電排站設(shè)計(jì)總裝機(jī)容量為2 700.00 kW，葉輪直徑2 050.00 mm，排水流量為46.03 m3/s，設(shè)計(jì)揚(yáng)程時(shí)的總電排流量為46.77 m3/s，配套電機(jī)為TXZ900-32/2150高壓（10 kV）同步電動(dòng)機(jī)，安裝三臺(tái)2000ZXB15.4-2.9型斜式軸流泵。閘底板高程為-2.00 m，水閘單孔凈寬8.00 m，設(shè)計(jì)流量為26.19 m3/s。閘頂高程按五十年一遇洪水加2.00 m超高取整為5.60 m。

圖1 電排站重建工程主要內(nèi)容圖

2 逢沙電排站重建工程自排水閘建筑物設(shè)計(jì)

逢沙電排站重建工程自排水閘，總凈寬8.00 m，單孔設(shè)計(jì)，閘孔凈寬8.00 m，閘底板高程為-2.00 m，設(shè)計(jì)流量為26.19 m3/s。工程自排水閘建筑物設(shè)置在電排站的南側(cè)，與電排站由一道寬約20.00 m的隔離島隔開。逢沙電排站重建工程自排水閘建筑物設(shè)計(jì)大概分為三個(gè)部分，如圖2所示。

圖2 逢沙電排站重建工程自排水閘建筑物設(shè)計(jì)圖

2.1 確定閘孔形式

根據(jù)重建后電排站工程使用（運(yùn)行管理）單位的使用需求及習(xí)慣，自排水閘按帶胸墻設(shè)計(jì)，考慮水閘具有排水及防洪功能，采用寬頂堰型底板，設(shè)計(jì)外江洪水位為3.43 m（p=2%），在不影響排水的前提下，讓閘門不用過高，并且在水閘上設(shè)置胸墻。根據(jù)電排站重建工程的實(shí)際需要，水閘單孔設(shè)計(jì)，按構(gòu)造設(shè)計(jì)確定閘室總寬度為8.00 m（根據(jù)公式（1）進(jìn)行計(jì)算），滿足水閘設(shè)計(jì)規(guī)范的要求。

考慮到自排水閘建成后的運(yùn)行情況，當(dāng)水閘處于開啟狀態(tài)時(shí)，圍內(nèi)水位一般不高于1.20 m。為防止水閘上游的漂浮物在水閘上游淤積，保證水閘正常運(yùn)行，需要閘門不要過高，胸墻底部高程為2.80 m，比設(shè)計(jì)起排水位高1.60 m，可以滿足水閘上有不淤積的要求和滿足閘門板高寬比構(gòu)造的要求。

2.2 自排水閘自排能力計(jì)算

在水閘工程的水力設(shè)計(jì)中，計(jì)算過流能力可以采用閘孔的過流公式來計(jì)算，而且在調(diào)節(jié)計(jì)算過程中一般會(huì)有以下的流態(tài)形式：孔流和堰流兩種。如表1所示為判別孔流和堰流的方法。

表1 判別孔流和堰流的方法表

2.2.1 判別水閘過流形式：孔流或堰流

根據(jù)逢沙電排站重建工程的實(shí)際，水閘的e/H＞0.65、0.72H0＜hs＜0.90H0，結(jié)合上表則應(yīng)按照堰流式的公式進(jìn)行計(jì)算。

根據(jù)逢沙電排站重建工程的實(shí)際，水閘的e/H＞0.65、0.72H0＜hs＜0.90H0，結(jié)合上表則應(yīng)按照堰流式的公式進(jìn)行計(jì)算。

2.2.2 水閘過流能力的計(jì)算

根據(jù)運(yùn)行情況計(jì)算水閘設(shè)計(jì)流量，當(dāng)外江水位≥0.80 m時(shí)，自排水閘關(guān)閘排水，此時(shí)的自排水閘為搶排。因?yàn)樗l關(guān)閉需要一定的時(shí)間，自排水閘的最大搶排流量在設(shè)計(jì)時(shí)，需要按水閘上下游最大水頭差為0.01 m進(jìn)行設(shè)計(jì)，此時(shí)的搶排流量為自排水閘的設(shè)計(jì)工況下的最大過流能力。

本工程水閘單孔設(shè)計(jì)，根據(jù)堰流式過閘流量計(jì)算公式，采用寬頂堰過流公式計(jì)算流量，其計(jì)算公式如下：

上述公式中，Q：過閘流量（m3/s）；B0：閘孔總凈寬（m）；H0：計(jì)入行近流速水頭的堰上水深（m）；Hs：由堰頂算起的下游水深（m）；g：重力加速度（9.81 m/s2）；m：堰流流量系數(shù)，采用0.39；ε：堰流側(cè)收縮系數(shù)；b0：閘孔凈寬（m）；bS：上游河道一半水深處的寬度（m）；σ：堰流淹沒系數(shù)。

通過計(jì)算得出，逢沙電排站工程自排水閘設(shè)計(jì)過閘流量為26.19 m3/s（滿足本地區(qū)水利規(guī)劃的要求），對(duì)比重建前的逢沙水閘，大大提高了自排能力。

2.2.3 確定閘底高程

經(jīng)測(cè)量逢沙電排站工程上下游渠（河）道底高程為-2.10 m左右，為了防止水閘底板面淤積，且水閘閘身不宜過高，閘底板高程宜適當(dāng)稍作抬高。在滿足水閘過流條件的前提下，水閘閘底板面高程可以確定為-2.00 m。

2.3 確定水閘的堤頂高程

根據(jù)水閘設(shè)計(jì)規(guī)范的要求“擋水時(shí)閘頂高程≥最高擋水位+浪波計(jì)算高度+安全超高”，本工程水閘在擋水時(shí)，風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度按100 m 計(jì)算，相應(yīng)設(shè)計(jì)最大風(fēng)速按18 m/s，當(dāng)在50 a 一遇（p=2%）洪水位（3.43 m，珠基）時(shí)水深約5.64 m，按照經(jīng)綜合計(jì)算，本工程水閘最低閘頂高程為5.53 m，取整5.60 m 作為閘頂設(shè)計(jì)高程，滿足防洪安全及排水要求。

3 自排水閘消能防沖計(jì)算及穩(wěn)定性分析

3.1 自排水閘的消能防沖設(shè)計(jì)

考慮到工程自排水閘建成后的運(yùn)行情況，和水閘在運(yùn)行過程中可能存在不確定性因素，在設(shè)計(jì)自排水閘的消能防沖時(shí)，決定布置消能防沖設(shè)施。如表2所示為自排水閘的下游布置情況。

表2 自排水閘的下游布置表

為防止工程自排水閘在抵擋洪潮時(shí)出現(xiàn)反向滲透破壞的現(xiàn)象，在水閘上游設(shè)置長(zhǎng)10 m、坡度1∶20 的鋼筋混凝土鋪蓋，鋪蓋層下從下至上依次為中、粗砂的反濾層；并且在鋼筋混凝土鋪蓋上游設(shè)置長(zhǎng)10 m的二級(jí)反濾壓重層。在消力池底板下鋪設(shè)二級(jí)反濾層，消力池底板設(shè)4 排排水孔（間距2 000 mm×2 000 mm），排水孔為梅花型布置，Φ80 硬塑管（管內(nèi)填充碎石反濾排水）。

3.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算及分析

考慮到水閘各種運(yùn)行條件的四種荷載組合，自排水閘穩(wěn)定計(jì)算的選用，包含兩種特殊組合和兩種基本組合?；靥钫惩列枰趬筮M(jìn)行，因?yàn)楣こ袒A(chǔ)淤泥埋深較厚，考慮到樁基礎(chǔ)的影響，將地基摩擦和閘底板的摩擦系數(shù)取為f=0.25。汽車汽車荷載等級(jí)為公路Ⅱ級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，公路橋?yàn)樗募?jí)公路，工程主要建筑物基礎(chǔ)置于地質(zhì)勘察中的黏土層，承載力特征值為60 kPa。根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行分析，該自排水閘工程地基應(yīng)力不滿足要求，需進(jìn)行地基處理。

4 結(jié)語

逢沙電排站重建工程的自排水閘采用寬頂堰型底板作為重建水閘閘孔形式，垂直水流即閘身總長(zhǎng)度為20.00 m，單孔設(shè)計(jì)，凈寬8.00 m。在不影響排水的前提下，在閘上設(shè)置胸墻，自排水閘最大過流能力為26.19 m3/s。根據(jù)前面的計(jì)算可知，自排水閘所需最低堤頂高程為5.53 m，本工程設(shè)計(jì)取整5.60 m作為水閘閘頂設(shè)計(jì)高程，可以滿足防洪及排水要求。而且，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行分析，該自排水閘地基應(yīng)力不滿足要求，需進(jìn)行地基處理。