順德林廣電排站重建工程泵站設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析研究

盧劍文

(佛山市順德區(qū)水利投資建設(shè)有限公司，廣東 佛山 528200)

0 引 言

林廣電排站是北滘排灌區(qū)的骨干性電排站之一，在北滘排灌區(qū)防洪、排澇體系中具有極其重要的地位[1]。由于受當(dāng)時(shí)經(jīng)濟(jì)及技術(shù)條件限制，與現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)相比，林廣電排站的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低，總電排流量?jī)H為23.7 m3/s，且經(jīng)過(guò)二、三十年的運(yùn)行，該站部分水工建筑物殘舊破損、結(jié)構(gòu)老化，外江高水位運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象，在防洪及排澇期間，存在較大安全隱患。為提高北滘排區(qū)防洪排澇能力，消除安全隱患，現(xiàn)在原址新建電排站以增加排區(qū)流量。

文章以順德林廣電排站重建工程為背景，依據(jù)場(chǎng)區(qū)地質(zhì)條件、主要建筑物結(jié)構(gòu)特征和排澇規(guī)劃對(duì)泵站的工程布置和選型設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，后續(xù)對(duì)主要建筑物整體穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行計(jì)算復(fù)核，以驗(yàn)證方案的科學(xué)性，可為工程后期建設(shè)提供技術(shù)參考。

1 工程規(guī)劃及地質(zhì)概況

1.1 工程規(guī)劃概況

林廣電排站地處北滘鎮(zhèn)境內(nèi)，防洪、排灌體系屬南順第二聯(lián)圍北滘排灌區(qū)，站址位于貫穿南順第二聯(lián)圍北滘排區(qū)、東西走向的排水主動(dòng)脈細(xì)海河與外江順德水道交匯處，堤圍樁號(hào)26+589，是北滘排灌區(qū)的骨干性電排站之一，在北滘排灌區(qū)防洪、排澇體系中具有極其重要的地位。站址處水利設(shè)施現(xiàn)有水閘(三孔，凈孔寬21m)一座、電排一站(安裝4臺(tái)立式軸流泵[2]，設(shè)計(jì)排水流量為8 m3/s, 裝機(jī)容量為520KW) 、電排二站(安裝5臺(tái)立式軸流泵，設(shè)計(jì)排水流量為15.7m3/s，裝機(jī)容量為900KW)。水閘、電排站由東向西沿堤布置。

南順二聯(lián)圍北滘排灌區(qū)大部分田面高程在1.0m以上，鎮(zhèn)內(nèi)中心區(qū)域排澇主涌有林上河、細(xì)海河、南河、三馬河，其排水出口匯集于東南部的林廣、三洪奇和三豐，地面雨水自西北流向東南?，F(xiàn)有一級(jí)電排站七處，設(shè)計(jì)總排水流量173.5m3/s。根據(jù)《佛山市排澇規(guī)劃(中心組團(tuán)片區(qū))》，至規(guī)劃水平年2020年，北滘排灌區(qū)排澇能力需達(dá)到20a一遇24h暴雨一天排完標(biāo)準(zhǔn)，總規(guī)劃電排流量194.0 m2/s,目前尚欠20.5m3/s，規(guī)劃在林廣電排站增容?；谂f站存在諸多安全隱患，除險(xiǎn)加固不能從根本上消除其安全隱患，且無(wú)法通過(guò)調(diào)鞏達(dá)到規(guī)劃排澇流量。

本工程通過(guò)拆除重建電排站，提高北滘排灌區(qū)的排澇能力，排水減災(zāi)。本工程建成后，與現(xiàn)有排澇泵站一起承擔(dān)北滘排灌區(qū)的排澇任務(wù)，北沿排灌區(qū)可達(dá)到20a一遇24h暴雨量一天排干、且控制內(nèi)河涌水位≤1.20m的排澇標(biāo)準(zhǔn)。工程防洪堤按50a一遇洪水位設(shè)計(jì)，100a一遇洪水位校核，堤頂高程不低于設(shè)計(jì)洪水位+1.5m超高。電排站排水設(shè)計(jì)流量Q=42m3/s，裝機(jī)容量3000KW。

1.2 場(chǎng)地工程地質(zhì)概況

根據(jù)場(chǎng)址范圍內(nèi)鉆探揭露，場(chǎng)地普遍覆蓋有第四系(Q)堆積物：由表土層(Qml)、沖積層(Qal)及白堊系(K)泥質(zhì)粉砂巖等層組成。有關(guān)各土層特征及性質(zhì)分述如下：1層表土層(Qml)主要為素填土，稍壓實(shí)，主要由粉質(zhì)黏土、中細(xì)砂等填筑而成。2層沖積層(Qal)可分為5個(gè)亞層：2-1層淤泥質(zhì)土、2-2層粉砂、2-3層淤泥、2-4層細(xì)砂和2-5層圓礫組成。3層沖積層(Qal)本場(chǎng)地缺失。4層強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖原巖結(jié)構(gòu)大部分已破壞，礦物成分發(fā)生顯著變化，風(fēng)化裂隙較為發(fā)育，巖芯很破碎，呈半巖半土狀或巖塊狀。土的滲透變形判別[3-4]：ZK3-3為過(guò)渡滲透變形，其余為流土滲透變形，其中2-2層粉砂與第2-1層淤泥質(zhì)土和2-3層淤泥的接觸部位易產(chǎn)生接觸沖刷及接觸流失。

根據(jù)巖土室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試，場(chǎng)地內(nèi)巖土層樁的側(cè)阻力特征值和端阻力特征值，樁側(cè)阻力和端阻力特征值，見(jiàn)表1。

表1 樁側(cè)阻力和端阻力特征值 kPa

2 工程泵站布置

工程泵站縱軸線基本與現(xiàn)堤圍走向垂直，與林廣水閘縱軸線平行?？紤]林廣水閘為已建工程，從結(jié)構(gòu)上易于處理和便于施工出發(fā)，水閘與新建工程之間設(shè)人工隔離島分離[5]；考慮施工開(kāi)挖必須保證水閘和站址西側(cè)管理室的安全，水閘縱軸與泵站縱軸線相距約52.54m，電排站縱軸線堤圍樁號(hào)26+589。泵站橫軸線以滿足圍堰的施工要求、堤線順直以及各建筑物之間的互相協(xié)調(diào)為原則，新站橫軸線( 堤圍中心線)與現(xiàn)防洪堤中心線重合，沿工程橫軸線建新堤(頂寬8m，頂高程6.05m) 向兩岸延伸與舊堤圍連接，形成整體防洪體系。

工程主要由攔污柵閘、引渠、清污機(jī)段、前池、進(jìn)水池、廠房段(主、副廠房)、壓力涵、防洪閘、出水連接段以及附屬建筑物組成[5-6]。為了盡可能保證建筑物各自的進(jìn)出水流態(tài)良好，運(yùn)行時(shí)不相互干擾，并從結(jié)構(gòu)上易于處理和便于施工出發(fā)，水閘與新站之間設(shè)置人工隔離島分離[7-8]。

2.1 泵房的布置

泵房為堤后式[9]，位于林廣水閘西側(cè)，由主、副廠房組成。主廠房?jī)?nèi)布置三臺(tái)1800ZXB14.5-4.1斜式軸流泵，呈一列式布置，機(jī)組間距5.5m。主廠房底板厚1.2m，邊墻、前后墻及中隔墩厚1.0m。主廠房?jī)?nèi)布置3臺(tái)斜式軸流泵及配套電動(dòng)機(jī)，水泵軸線與水平向角度為30°水泵的進(jìn)水錐管與進(jìn)水流道的預(yù)埋件連接，出水彎管通過(guò)伸縮節(jié)與出水流道預(yù)埋固定座相連。水泵通過(guò)支墩支承在泵房底板上，電機(jī)呈30°角傾斜安裝在出水流道側(cè)支墩上。副廠房布置在主廠房與防洪堤之間、出水流道(漸變段)頂部，與主廠房連成一體。

本工程采用肘形進(jìn)水流道。流道喇叭口頂緣高程為-1.25m，在最低運(yùn)行水位-0.2m下淹沒(méi)深度為1.05m；臥式彎管上緣最低高程為-2.119m，淹沒(méi)深度1.918m；葉輪中心高程為-2.050m，淹沒(méi)深度1.850m；進(jìn)水流道全長(zhǎng)7.45m。這種進(jìn)水流道水力損失小，開(kāi)挖量小，滿足設(shè)計(jì)要求，不會(huì)因空氣從自由水面吸入進(jìn)水管而引起水泵的氣蝕和震動(dòng)。

水泵出水直管通過(guò)伸縮節(jié)與出水流道進(jìn)口連接。出水流道采用直徑為φ 1800的現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，管中心高程為-1.107m，管中流速為5.50m/ s，擴(kuò)散段長(zhǎng)8.7m，位于副廠房下部，管中心高程為-1.107～-0.7m，斷面由圓變方，與主廠房連成一體，泵房采用整板基礎(chǔ)。

2.2 進(jìn)水水工建筑物的布置

進(jìn)水水工建筑物由簡(jiǎn)易攔污柵閘(粗柵、人工清污)、引渠、清污機(jī)段、前池、進(jìn)水池五部分組成。電排站自細(xì)海河引水，在引渠進(jìn)口設(shè)置簡(jiǎn)易攔污柵閘，攔污柵縱軸線與泵站縱軸線成60°夾角。采用扁鋼做柵條的攔污柵，柵距500mm，主要用于攔截較大的水面漂浮物和表層水草，人工清除污物。閘底板面高程與水閘底板面高程一致為-2.2m，底板厚0.7m；閘頂高程為1.6m，閘頂交通橋?qū)?.0m。

進(jìn)水池段長(zhǎng)15.0m， 為平面正向進(jìn)水。為分離式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，兩側(cè)翼墻為現(xiàn)澆C25鋼筋混凝土懸臂式擋墻結(jié)構(gòu)，擴(kuò)散角8.55°。進(jìn)水池底板面高程-4.3m，底板厚0.6m，為減小滲透壓力，在池底設(shè)φ80排水孔，底部設(shè)反濾層。

2.3 出水水工建筑物的布置

建筑物由壓力涵管、防洪閘、外江連接段組成。壓力涵段長(zhǎng)20.0m， 為現(xiàn)澆鋼筋混凝土整底板箱型結(jié)構(gòu)，單機(jī)單涵，共三孔，孔口尺寸為3.0×2.6m (寬×高)，管中心高程為-0.7～-0.6m，底板厚0.6m，側(cè)墻及頂板厚0.5m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25。設(shè)計(jì)工況下壓力涵出口流速為1.79m/s，符合規(guī)范要求的2.0m/ s以下；壓力涵出口頂緣高程0.7m，滿足外江最低運(yùn)行水位(1.2m)時(shí)至少淹沒(méi)0.2m的要求。

防洪閘長(zhǎng)12.0m，裝設(shè)拍門和防洪門。防洪門采用手電兩用固定卷?yè)P(yáng)式平面閘門啟閉機(jī)啟閉，并在外江側(cè)設(shè)置檢修門槽和人行橋。防洪閘共三孔，單孔凈寬3.6m，中墩厚1.2m，邊墩厚0.9m，閘室總寬15.0m，為鋼筋混凝土整底板U型槽結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C25；閘底板面高程-2.2m，底板厚0.9m。為增加防滲，在底板上、下游設(shè)置齒墻，并在底板上游端布設(shè)鋼板樁連續(xù)墻。外江連接段由鋪蓋段、海漫段、明渠段三部分組成。

3 泵站設(shè)計(jì)計(jì)算復(fù)核

3.1 消能防沖設(shè)計(jì)

出水流道頂緣高程0.7m，滿足出水流道的出口。上緣應(yīng)淹沒(méi)在出水池最低運(yùn)行水位1.2m以下0.1～0.2m的規(guī)范要求。出水管出流形成的是屬于有限空間三元擴(kuò)散的淹沒(méi)射流，根據(jù)水面旋滾消能理論和試驗(yàn)，原蘇聯(lián)A.A特瑞卡柯夫提出了出水池長(zhǎng)度的計(jì)算公式：

L=Kh淹最大

(1)

式中：h淹最大為出水管口最大淹沒(méi)深度3.79m；K為系數(shù)，查表得，垂直池臺(tái)坎高度/口管徑=0.6/2.6=0.23，K=4.0。故L=4.0×3.79=15.16m，現(xiàn)出水管口至出水池臺(tái)坎距離為18.5m，滿足要求。

出水池出口與外江連接段，由于水流紊亂，可能形成沖刷，因此應(yīng)采取必要的護(hù)底措施，采用鋼筋混凝土、干砌塊石、拋石護(hù)砌，其長(zhǎng)度Lh= (4～5)h渠大，Lh=26.76m，現(xiàn)總長(zhǎng)約38m (最短處)，滿足要求。

3.2 防滲排水設(shè)計(jì)

最不利工況為泵站校核運(yùn)用工況，站前外江水位4.49m(P=2%) ，進(jìn)水池水位-0.2m，防滲長(zhǎng)度L=78.46m，滲徑系數(shù)C=L/H=16.73>[C]=9，滲徑L滿足要求。

泵站底板水平段最大坡降Jx=0.062<[J]=0.091，閘底板出口段坡降Jx=0.373<[J]=0.39，故地基土抗?jié)B穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。

3.3 主要建筑物整體穩(wěn)定分析

1)泵房和防洪閘：采用完建、設(shè)計(jì)、校核、檢修、施工、地震(正常水位)及校核運(yùn)用七種工況進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算，泵房和防洪閘穩(wěn)定性計(jì)算表，見(jiàn)表2。

表2 泵房和防洪閘穩(wěn)定性計(jì)算表

從以上計(jì)算結(jié)果可知，泵房及防洪閘的抗滑和抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)均>規(guī)范基本組合的1.30和特殊組合的1.05、1.15，均滿足規(guī)范要求。

2)外江U型槽、擋土墻等：完建期外江鋪蓋段U型槽抗滑安全系數(shù)為3.78; 進(jìn)水池?fù)鯄够踩禂?shù)為1.35，均>正常運(yùn)用條件安全系數(shù)1.2，滿足規(guī)范要求。

3.4 主要結(jié)構(gòu)計(jì)算

各建筑物均根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL191-2008)的要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。防洪閘底板結(jié)構(gòu)采用倒置梁法[10]進(jìn)行計(jì)算，邊墩按一邊簡(jiǎn)支一邊固支的支擋結(jié)構(gòu)計(jì)算；泵房底板結(jié)構(gòu)采用倒置梁法進(jìn)行計(jì)算，主廠房機(jī)組段邊墩按懸臂板進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算；壓力涵按平面鋼架計(jì)算。本工程為III等工程，主要建筑物級(jí)別為3級(jí)，最大裂縫寬度限值0.3mm。建筑物結(jié)構(gòu)計(jì)算表，見(jiàn)表3。

表3 建筑物結(jié)構(gòu)計(jì)算表

續(xù)表3 建筑物結(jié)構(gòu)計(jì)算表

4 泵站主機(jī)組選型

在滿足排水流量及總揚(yáng)程要求的前提下，從技術(shù)參數(shù)方面對(duì)斜式軸流泵機(jī)組和臥式軸流泵機(jī)組進(jìn)行方案比較，以確定主機(jī)組形式，泵機(jī)選型技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較表，見(jiàn)表4。

表4 泵機(jī)選型技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較表

綜合以上兩種機(jī)型的比較，由于斜式軸流泵泵站裝置效率較高，設(shè)備安裝檢修方便。雖然軸承承受徑向和軸向二種負(fù)荷，對(duì)水導(dǎo)軸承運(yùn)行有不利的因素，但隨著新材料新技術(shù)的發(fā)展，水泵導(dǎo)軸承的使用壽命完全不影響泵站壽命期的運(yùn)行。因此本工程推薦1800ZXB14.5-4.1型斜式(斜30°)軸流泵機(jī)組。

5 結(jié) 論

文章根據(jù)北滘排區(qū)防洪排澇規(guī)劃，以新建林廣電排站工程為背景，從方案論證和理論計(jì)算角度對(duì)工程布置和主要建筑進(jìn)行設(shè)計(jì)及計(jì)算復(fù)核，泵站消能防沖、防滲排水、主要建筑物整體穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變均符合規(guī)范要求，工程方案有效可行，建成可提高北滘排灌區(qū)的排澇能力，排水減災(zāi)。

文章泵站主機(jī)選型主要從技術(shù)參數(shù)和特征性能進(jìn)行論證，對(duì)泵站水力損失和特征揚(yáng)程相關(guān)分析較少，后續(xù)應(yīng)補(bǔ)充研究。