排水閘站的類型及對(duì)比分析

譚穎科

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510635)

水閘是一種常見(jiàn)的水利工程，在水閘設(shè)計(jì)過(guò)程中要綜合考慮其所處的自然環(huán)境條件，地質(zhì)，水文氣象條件，周邊施工環(huán)境及工期條件，水閘結(jié)構(gòu)布置形式等，確?？紤]周全，可操作性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)環(huán)保，在保護(hù)人民生命和財(cái)產(chǎn)安全中發(fā)揮重要作用。

水閘一般為低水頭水工建筑物，具有擋水、泄水的作用。水閘的主要作用除了通過(guò)閘門(mén)的啟閉控制流量和調(diào)節(jié)水位外，還擔(dān)負(fù)防止潮水倒灌及汛期排洪的功能[1]。

本文將主要介紹傳統(tǒng)閘站和新型的一體化泵閘，對(duì)比兩種類型閘站的區(qū)別，從施工組織設(shè)計(jì)、運(yùn)行方式、水力條件、后期管理維護(hù)等方面進(jìn)行比較，并結(jié)合工程實(shí)例說(shuō)明一體化泵閘的優(yōu)點(diǎn)。

1 工程中閘站類型

1.1 傳統(tǒng)的閘站

傳統(tǒng)排澇閘站工程通常采用閘門(mén)、泵站分體布置的方式，沿著河道橫截面處，在中間布置閘門(mén)，閘門(mén)兩側(cè)各布置水泵的形式。傳統(tǒng)排澇閘站見(jiàn)圖1。

圖1 傳統(tǒng)閘站

排澇時(shí)關(guān)閉閘門(mén)，開(kāi)啟軸流泵排水；不需排澇時(shí)，開(kāi)啟中間的閘門(mén)使內(nèi)外河道的水系聯(lián)通，而河道的兩岸泵室段無(wú)法過(guò)水，只有中間閘閥過(guò)水，這種方式不僅限制了河道的過(guò)水?dāng)嗝?，而且?duì)內(nèi)河的水量交換和水體循環(huán)不利。

1.2 一體化泵閘

一體化泵閘是一種將泵站和閘站一體式結(jié)合布置的泵閘。一體化泵閘由水閘、閘門(mén)泵、拍門(mén)、傳感器配置和全套控制體系等構(gòu)成，閘門(mén)既是擋水結(jié)構(gòu)又是水泵支承的基礎(chǔ)，水泵布置在閘門(mén)上，不建固定的泵室，泵組為固定在閘門(mén)上的流動(dòng)泵站，使閘門(mén)和泵站合二為一，大大提高河道排洪及水體交換能力。一體化泵閘閘門(mén)見(jiàn)圖2。

圖2 一體化泵閘

盡管一體化泵閘閘門(mén)結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，但它實(shí)際運(yùn)行是容易操作的。當(dāng)內(nèi)河水位高時(shí)，打開(kāi)閘門(mén)，水泵隨閘門(mén)同時(shí)提升(水泵為停機(jī)狀態(tài))，內(nèi)河水自流進(jìn)外河，閘孔過(guò)流能力不受泵組影響；當(dāng)內(nèi)河水位低，外河水位高時(shí)，關(guān)閉閘門(mén)，起動(dòng)水泵，內(nèi)河水泵入外河。整個(gè)泵站不需建造額外的自流結(jié)構(gòu)。

2 兩種型式閘站對(duì)比

2.1 施工條件分析

傳統(tǒng)閘站建設(shè)通常采用軸流式水泵和水閘相結(jié)合的方式，由于垂直水流方向并排布置水泵和閘門(mén)，相同閘門(mén)過(guò)流流量時(shí)傳統(tǒng)閘站河道寬度更寬，導(dǎo)致施工期間需修建導(dǎo)流明渠或明管長(zhǎng)度更長(zhǎng)，上下游擋水圍堰長(zhǎng)度與高度均需相應(yīng)增加。

一體化泵閘將水泵與閘門(mén)結(jié)合，閘站垂直水流方向?qū)挾葹殚l門(mén)寬度，既有河道不需進(jìn)行大面積擴(kuò)寬，根據(jù)原有河道寬度或工程修建河堤寬度調(diào)整泵閘垂直水流方向跨度，在保證泵閘安全穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，可縮短導(dǎo)流明渠長(zhǎng)度同時(shí)減小基坑面積，可廣泛應(yīng)用于重建或改建的小型水閘。

水閘修建應(yīng)盡量選擇地質(zhì)情況較好的、征地拆遷量少的位置布置。根據(jù)閘址區(qū)水流條件、原有建筑物布置情況，協(xié)調(diào)與水閘、通航、施工導(dǎo)流建筑物之間相互的關(guān)系，保證結(jié)構(gòu)可靠、運(yùn)行安全，并盡可能做到施工方便、占地拆遷少、節(jié)約工程投資、管理靈活方便。在此基礎(chǔ)上，建設(shè)一體化泵閘避免了占地面積大、建設(shè)周期長(zhǎng)等問(wèn)題，在保留原河道現(xiàn)狀、保證河岸線平順、控制水流流態(tài)良好等方面有較大優(yōu)勢(shì)。

2.2 運(yùn)行方式分析

傳統(tǒng)水閘運(yùn)行單一、操作簡(jiǎn)單、起吊力量小，但過(guò)流面積小，過(guò)流斷面為水流中部，進(jìn)出口水流較湍急，流速較大，下游需設(shè)置消能設(shè)施，水閘側(cè)和泵站側(cè)完全分離。

一體化泵閘的運(yùn)行方式：當(dāng)內(nèi)河水位高時(shí)，打開(kāi)閘門(mén)，水泵隨閘門(mén)同時(shí)提升(水泵為停機(jī)狀態(tài))，內(nèi)河水自流進(jìn)外河，閘孔過(guò)流能力不受泵組影響；當(dāng)內(nèi)河水位低，外河水位高時(shí)，關(guān)閉閘門(mén)，起動(dòng)水泵，內(nèi)河水泵入外河。

(1)當(dāng)干流水位高于內(nèi)水位時(shí)(即外江水位高于堤內(nèi)水位時(shí))，關(guān)閉水閘；關(guān)閘后內(nèi)涌水位高于設(shè)計(jì)進(jìn)水口正常水位時(shí)，開(kāi)啟泵站抽水，當(dāng)澇區(qū)在降雨時(shí)，內(nèi)涌水位抽降至設(shè)計(jì)進(jìn)水口最低運(yùn)行水位，當(dāng)內(nèi)澇區(qū)沒(méi)有降雨時(shí)，內(nèi)涌水位降至正常水位。

(2)干流洪潮水位較低時(shí)(低于內(nèi)水位)，開(kāi)啟水閘，內(nèi)澇自排。

(3)維持內(nèi)河水位在正常蓄水位上下波動(dòng)。當(dāng)天氣預(yù)報(bào)有降雨時(shí)，應(yīng)提前降低閘內(nèi)水位。

泵閘一體型：配有大流量低揚(yáng)程的潛水泵，安裝方便，迅速高效、投資配有大流量低揚(yáng)程的潛水泵，安裝方便，迅速高效、投資經(jīng)濟(jì)又能達(dá)到防洪排澇目的，同時(shí)通過(guò)實(shí)時(shí)調(diào)控，增強(qiáng)河涌水動(dòng)力，改善區(qū)域水經(jīng)濟(jì)又能達(dá)到防洪排澇目的。環(huán)境。但適用性較差，多適用于低揚(yáng)程的小型泵閘[1]。

2.3 水力條件分析

傳統(tǒng)閘站布置方式泵組垂直水流方向占用大部分河道過(guò)水?dāng)嗝妫l凈寬通常小于原有河道寬度的三分之一，通過(guò)水閘自引自排的過(guò)流能力受到極大的限制，泵組上下游岸邊存在水流循環(huán)緩慢區(qū)域，水環(huán)境受到嚴(yán)重影響。

一體化泵閘通過(guò)利用閘門(mén)上的水泵流道和增設(shè)控制閘門(mén)數(shù)量的方式實(shí)現(xiàn)增大過(guò)流面積的目的，提高河道排洪及內(nèi)外河水體交換能力，但由于流道閘門(mén)控制方式比較復(fù)雜，且閘孔過(guò)流均為有壓過(guò)流方式，閘門(mén)前后水流流態(tài)及水壓變化均需進(jìn)行全面分析與詳細(xì)計(jì)算。

2.4 維護(hù)和管理分析

結(jié)合后期整體規(guī)劃及路網(wǎng)布置，以及與之相襯的人行交通需求；建筑物布置應(yīng)結(jié)合城市景觀規(guī)劃布局，兼顧近期各方面需求。

與傳統(tǒng)的閘站相比，泵閘結(jié)合一體化最直接的優(yōu)勢(shì)在于節(jié)省了建筑占地面積。傳統(tǒng)閘站都是在閘門(mén)的兩側(cè)再建造泵站安裝水泵，現(xiàn)在完全省去了再建泵站的土地，自然也壓縮了工程建設(shè)時(shí)間。閘泵一體化結(jié)合后，更加便于設(shè)備的日常維修保養(yǎng)，傳統(tǒng)閘站遇到水泵故障需將泵體用設(shè)備吊裝至地面進(jìn)行維修，一體化泵閘可僅通過(guò)啟閉機(jī)將閘門(mén)升起來(lái)就能在閘門(mén)平臺(tái)上進(jìn)行檢修[2]。

而且閘泵結(jié)合兼顧了河道“活水換水”功能，能夠?qū)崿F(xiàn)“雨天排澇、晴天活水換水”的需求。

(1)潛水泵與閘門(mén)聯(lián)結(jié)成一體，與閘門(mén)可整體吊裝，機(jī)組安裝、檢修十分方便，同時(shí)節(jié)約了額外的起吊設(shè)備和安裝設(shè)備的投資。

(2)由于該泵站只需要水泵、閘門(mén)和拍門(mén)，不建主廠房，只建配電室，沒(méi)有輔助油、水、氣系統(tǒng)，可節(jié)約大量配件，大大降低了泵站的維護(hù)費(fèi)用。操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行方便，附屬設(shè)備少，便于管理。

(3)安裝液位控制系統(tǒng)和閘門(mén)自動(dòng)控制系統(tǒng)，可以使整個(gè)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，自動(dòng)控制。

3 工程實(shí)例

鐵塔路～西涌段是廣州市新塘鎮(zhèn)防洪潮連圍的重要組成部分，在新塘堤圍加固工程中首要的任務(wù)是提高堤圍防洪能力，新塘大圍加固工程的實(shí)施可有效提高流域防洪排澇能力，其中西涌水閘改建工程為新塘大圍加固工程的重要部分內(nèi)容。

西涌水閘是屬于新塘大圍的穿堤水閘，其任務(wù)是排內(nèi)澇擋外江洪潮，但由于本工程范圍河涌在一天內(nèi)排水都是根據(jù)外江即東江北干流潮水位而定的，因?yàn)槌毕刻彀磧纱胃叱?、兩次低潮運(yùn)行，當(dāng)潮汐高潮時(shí)，外江水位增高，此時(shí)圍內(nèi)河涌受外江頂托無(wú)法向外江排水，只有低于2 m時(shí)可自排，圍內(nèi)發(fā)生洪水時(shí)更無(wú)法排水而形成的澇災(zāi)。根據(jù)以上情況，確定西涌水閘改建工程在原位上修建一體化閘站[3]。

為攔截污物，避免堵塞水泵，在泵站進(jìn)水口設(shè)置1道攔污柵。攔污柵后設(shè)置一道一體化泵閘，一閘一泵，露頂式布置，共1孔。主體閘門(mén)孔口尺寸為4.5 m×4.5 m，型式為平面滑動(dòng)鋼閘門(mén)。門(mén)葉上設(shè)井筒，水泵臥式安裝在井筒內(nèi)，井筒與閘門(mén)焊接為整體。泵的設(shè)計(jì)參數(shù)為Q=1.0 m3/s，H=3.0 m，最低運(yùn)行水位為0.5 m。井筒出水口設(shè)拍門(mén)，當(dāng)水泵正常停機(jī)或事故停機(jī)時(shí)，可迅速截?cái)嗨?。啟閉機(jī)采用固定式卷?yè)P(yáng)機(jī)，揚(yáng)程8.0 m。啟閉容量為QP-2×250 kN，設(shè)現(xiàn)地控制，預(yù)留遠(yuǎn)控接口。西涌泵閘縱剖圖見(jiàn)圖3。

圖3 西涌泵閘縱剖圖

當(dāng)一體化泵閘需要檢修時(shí)，可通過(guò)啟閉機(jī)將其起吊至檢修平臺(tái)進(jìn)行維修；啟閉平臺(tái)下方設(shè)臺(tái)移動(dòng)式電動(dòng)葫蘆，可將水泵吊出井筒進(jìn)行維修。

在外江側(cè)設(shè)置檢修閘門(mén)，以供一體化泵閘及其門(mén)槽檢修。檢修閘門(mén)孔口寬度4.5 m，底檻高程為-1.2 m，檢修平臺(tái)高程為3.3 m，擋至外江最高水位3.0 m。閘門(mén)尺寸為4.5 m×4.5 m，采用平面滑動(dòng)疊梁鋼閘門(mén)。閘門(mén)平時(shí)放置于檢修平臺(tái)，設(shè)置1臺(tái)懸掛式啟閉機(jī)進(jìn)行操作，啟閉容量為2×100 kN，揚(yáng)程8 m。

當(dāng)東江北干流水位高于內(nèi)水位時(shí)(即外江水位高于堤內(nèi)水位時(shí))，關(guān)閉水閘；關(guān)閘后內(nèi)涌水位高于1.0 m時(shí)，開(kāi)啟泵站抽水，當(dāng)澇區(qū)在降雨時(shí)，內(nèi)涌水位抽降至0.5 m，當(dāng)內(nèi)澇區(qū)沒(méi)有降雨時(shí)，內(nèi)涌水位降至1 m。東江北干流洪潮水位較低時(shí)(低于內(nèi)水位)，開(kāi)啟水閘，內(nèi)澇自排。正常蓄水位初定為1.0 m。當(dāng)天氣預(yù)報(bào)有降雨時(shí)，應(yīng)提前降低閘內(nèi)水位。

4 結(jié)語(yǔ)

本文將通過(guò)對(duì)比傳統(tǒng)閘站和一體化泵閘，明確兩種類型閘站的差異，從施工組織設(shè)計(jì)、運(yùn)行方式、水力條件、后期管理維護(hù)等多方面說(shuō)明了泵閘的優(yōu)點(diǎn)，說(shuō)明一體化泵閘實(shí)際運(yùn)行時(shí)難易程度以及對(duì)內(nèi)外河水量與水位的控制效率。

本文針對(duì)河涌有可能造成內(nèi)澇的情況，提出通過(guò)泵閘一體化型式控制內(nèi)外河水位是一種較經(jīng)濟(jì)有效的布置方式，在閘站實(shí)際運(yùn)行時(shí)，可將水泵和閘門(mén)聯(lián)合調(diào)度，滿足內(nèi)外河水量與水位的需求。

泵閘在工程設(shè)計(jì)及實(shí)際運(yùn)行需要考慮的問(wèn)題。

1)閘門(mén)與潛水泵合二為一，一體型泵閘整體重量大，同時(shí)閘門(mén)體寬度變大，設(shè)計(jì)閘門(mén)時(shí)在結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度及穩(wěn)定性上需充分校核，設(shè)計(jì)起閉機(jī)時(shí)應(yīng)充分考慮起閉力和平衡起閉。閘門(mén)設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮潛水泵的重量布置，保證潛水泵與閘門(mén)聯(lián)接后潛水泵的重心在閘門(mén)的重心平面內(nèi)，保證一體型泵閘起吊平穩(wěn)啟閉。

2)水泵停機(jī)與開(kāi)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)換，水泵前后水流流態(tài)穩(wěn)定。調(diào)節(jié)停機(jī)時(shí)水泵開(kāi)度大小，同時(shí)保證水泵平穩(wěn)開(kāi)啟。