通航河流深厚淤泥質(zhì)地基超大泵站總體設(shè)計(jì)方案比選
——以珠江流域西江磨刀門(mén)水道西河泵站為例

文/王麗 吳昌新 郭瑞 吳昊天 倪言波

西河泵站工程位于珠江流域西江磨刀門(mén)水道中順大圍西干堤岐江河西出口的西河水閘西側(cè)，外臨磨刀門(mén)水道，主要功能是排澇并考慮反向引水，排澇設(shè)計(jì)流量為400m3/s，引水設(shè)計(jì)流量為145m3/s。擬建泵站進(jìn)出水河流均為通航河道，岐江航道等級(jí)為四級(jí)，西江航道等級(jí)為一級(jí)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)，擬建泵站場(chǎng)地地基土為海陸交互相沖淤積土，淤泥土局部摻夾薄砂層，厚度為40~60m，淤泥土以下為花崗巖層。擬建泵站位置見(jiàn)圖1。

西河泵站初步選擇站身主體采用堤身式塊基型結(jié)構(gòu),采用8套豎井貫流泵機(jī)組，其中4組為雙向泵，其余4組為單向泵。單機(jī)排澇流量50m3/s，反向灌溉流量36.25m3/s，水泵葉輪直徑3.9m，單機(jī)配套電機(jī)功率2300k W，總裝機(jī)容量18400k W，水泵與電機(jī)通過(guò)齒輪箱連接。站身結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

泵站選址

根據(jù)工程區(qū)現(xiàn)狀地形，擬建泵站工程初步考慮位于西河水閘西側(cè)和西河船閘東側(cè)兩個(gè)區(qū)域，詳見(jiàn)圖3-4。西河水閘西側(cè)原為舊水閘及船閘上下游引河，寬約220m，后由新西河水閘閘槽開(kāi)挖土方和岐江河疏浚土方回填，屬于原中順大圍管理處直屬的西河水閘管理范圍，歸中順大圍管理處所有，此站址用地矛盾不大。同時(shí)上下游引河開(kāi)挖量較小，投資較低。管理區(qū)位于泵站和水閘之間，亦便于樞紐后期管理和調(diào)度運(yùn)行。

經(jīng)分析，西河船閘東側(cè)站址存在以下缺點(diǎn)：

①對(duì)船閘和泵站正常運(yùn)行有較大影響；水力條件差，易產(chǎn)生回流和渦流區(qū)

>圖1 擬建泵站位置

>圖2 擬建泵站結(jié)構(gòu)示意圖

> 圖3 西河水閘西側(cè)站址方案布置BIM圖

>圖4 西河船閘東側(cè)站址方案布置BIM圖

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》第4.1.6條“水閘樞紐中的船閘、泵站或水電站宜靠岸布置，但船閘不宜與泵站或水電站布置在同一岸側(cè)。船閘、泵站或水電站與水閘的相對(duì)位置，應(yīng)滿足水閘通暢泄水及各建筑物安全運(yùn)行的要求”，船閘位于西河水閘和西河泵站之間，對(duì)船閘和泵站的正常運(yùn)行影響較大，不利于樞紐功能充分發(fā)揮；岐江河側(cè)位置有限，由于靠近船閘，受船閘上下游引航道影響，即使上游引河拓寬，其水力條件仍然較差，容易產(chǎn)生回流和旋渦區(qū)，不利于樞紐工程的正常運(yùn)行。

②需要大規(guī)模征地，容易引發(fā)社會(huì)矛盾

西河船閘東側(cè)現(xiàn)有灘涂為養(yǎng)殖池和永久性基本農(nóng)田。與西河水閘西側(cè)方案相比，東側(cè)選址方案新增征地約620畝，補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)為20600元/畝。東站址征地成本比西站址高約1300萬(wàn)元?！吨腥A人民共和國(guó)土地管理法》規(guī)定“永久性基本農(nóng)田依法劃定后，任何單位和個(gè)人不得擅自占用或者改變其用途。國(guó)家能源、交通、水利、軍事設(shè)施等重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目選址確實(shí)難以避開(kāi)永久性基本農(nóng)田，涉及農(nóng)用地轉(zhuǎn)用或者征地的，必須經(jīng)國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)”。該方案相關(guān)審批程序所需時(shí)間長(zhǎng)，而且存在許多不確定因素。

③開(kāi)挖范圍大，對(duì)環(huán)境影響大；新開(kāi)引河土方量大、投資高

西河水閘西側(cè)方案需新建引河約620m，開(kāi)挖土方量約508400m3，西河船閘東側(cè)方案需新建引河長(zhǎng)約1060m，開(kāi)挖土方量約869200m3，東側(cè)開(kāi)挖土方量比西側(cè)增加約360800m3。引河開(kāi)挖土方需考慮外運(yùn)，按30元/m3計(jì)算，外運(yùn)成本高出1000萬(wàn)元左右。

④距離西河水閘管理所較遠(yuǎn)，不利于樞紐運(yùn)行管理

泵站位于西河船閘東側(cè)，如果泵站管理所布置于現(xiàn)有西河水閘管理所處統(tǒng)一辦公，則距離泵站較遠(yuǎn)，不利于整個(gè)樞紐運(yùn)行管理；如果泵站管理所布置于泵站東側(cè)，水閘和泵站管理分開(kāi)辦公，不利于樞紐運(yùn)行管理。

綜上所述，西河水閘西側(cè)方案在河道流態(tài)、征地拆遷、工程投資和管理等方面均具有優(yōu)勢(shì)，因此泵站站址選定在西河水閘西側(cè)。

工程布置

在綜合分析地形、地質(zhì)、水流、供電、施工、環(huán)境等條件基礎(chǔ)上，充分考慮泵站8臺(tái)機(jī)組中4臺(tái)機(jī)組單向運(yùn)行、4臺(tái)機(jī)組雙向運(yùn)行特點(diǎn)，本工程布置方案選擇8臺(tái)機(jī)組集中布置和單向、雙向機(jī)組均分布置進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析。

方案一：機(jī)組集中布置

站外交通橋與既有堤防中心線基本重合，站內(nèi)外交通橋中心線平行，間距為35m。機(jī)組一列式布置，共8臺(tái)，其中4臺(tái)為雙向泵，兼顧灌溉?？刂茦遣贾糜跂|岸，靠近管理辦公室，檢修間布置于西岸。具體布置見(jiàn)圖5。

方案二：機(jī)組均分布置

站外交通橋與既有堤防中心線基本重合，站內(nèi)外交通橋中心線平行，間距為35m。泵站中心設(shè)中墩，兩側(cè)各布置4臺(tái)機(jī)組，其中4臺(tái)機(jī)組為雙向泵，兼顧灌溉?？刂茦窃O(shè)在中墩上，兩岸各設(shè)一間檢修間。具體布置見(jiàn)圖6。

兩方案比選

在工程設(shè)計(jì)中，從水力流態(tài)、工程建設(shè)、環(huán)境影響、運(yùn)行管理、工程投資、工期等方面進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選。詳見(jiàn)表1。兩種方案水力流態(tài)計(jì)算分析如圖7、圖8所示。

表1 工程布置方案對(duì)比表

通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較分析，機(jī)組集中布置方案在水力流態(tài)、工程建設(shè)、投資和工期等方面具有一定優(yōu)勢(shì)，因此本工程總體布置方案選擇機(jī)組集中布置方案。

>圖5 機(jī)組集中布置方案

> 圖6 機(jī)組均分布置方案

>圖7 方案一上下游水力流態(tài)（機(jī)組集中布置）

> 圖8 方案二上下游水力流態(tài)（機(jī)組均分布置）

在總體布置方案選定基礎(chǔ)上，判斷泵站運(yùn)行對(duì)上下游引航道船舶安全影響是本工程成功的關(guān)鍵因素。因此使用MidasNFX對(duì)所選方案上下游航道中橫向流速進(jìn)行數(shù)值分析。計(jì)算分析結(jié)果表明：泵站運(yùn)行時(shí)，岐江河側(cè)流速為0.35～0.88m/s，泵站進(jìn)水側(cè)流態(tài)較為平順。距岸線50m處引河進(jìn)口附近橫向流速為0.16～0.29m/s，距岸線100m處引河進(jìn)口附近橫向流速為0.01～0.23m/s。西江側(cè)流速為0.25～0.76m/s，泵站出口側(cè)流態(tài)較為平順。距岸線50m處引河出水口附近橫向流速為0.08～0.36m/s，距岸線100m處引河出水口附近橫向流速為0.03～0.25m/s，距岸線200m處引河出水口附近橫向流速為0.05～0.15m/s。岐江河、西河靠近站身側(cè)航道邊線處橫向流速均小于船行安全允許值。工程總體布置合理，滿足航道安全要求。

地基處理

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，該地基下面有深厚軟土層，其主要特征是天然含水量高、孔隙比大、壓縮性高、強(qiáng)度低、中高靈敏度、欠固結(jié)、觸變性、流變性、低透水性、低強(qiáng)度和不均勻性。

根據(jù)地基土工程力學(xué)特性，采用鉆孔灌注樁和預(yù)應(yīng)力管樁進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

鉆孔灌注樁優(yōu)點(diǎn)包括：樁基可至持力層，沉降小，避免了沉降引起的各類(lèi)問(wèn)題，特別是不均勻沉降；施工設(shè)備相對(duì)較輕，施工在淤泥上進(jìn)行，待填筑的施工平臺(tái)墊層較??；打樁機(jī)的移動(dòng)對(duì)已施工樁的影響較小，施工噪音也較?。还に囕^成熟，成樁質(zhì)量易于控制；施工進(jìn)度可通過(guò)增加或減少打樁機(jī)來(lái)調(diào)控，工期容易控制；樁長(zhǎng)、樁徑選擇范圍大，單樁承載力高于預(yù)制樁；與預(yù)制樁相比，在相同條件下，灌注樁具有更高水平承載力。其缺點(diǎn)是：由于地基荷載由樁基承擔(dān)，地基沉降與地基土不一致，可能導(dǎo)致底板基礎(chǔ)與底部地基土體間產(chǎn)生空隙，對(duì)地基防滲要求高；此外，在軟土上施工難度大，水下澆筑混凝土難度大，易產(chǎn)生塌孔或縮頸，影響樁身質(zhì)量，施工要求高；施工過(guò)程中如果碰到流塑狀淤泥，成孔困難，需加鋼護(hù)筒，增加施工成本。

預(yù)應(yīng)力管樁優(yōu)點(diǎn)有：可壓實(shí)土壤，提高樁間土壤密實(shí)度；工廠預(yù)制，便于保證樁身質(zhì)量；施工方便、進(jìn)度快、沉降??；造價(jià)適中。缺點(diǎn)有：施工設(shè)備重，在施工過(guò)程中容易對(duì)已施工樁造成移位；運(yùn)輸、吊裝要求高，施工震動(dòng)、噪聲大；樁間土壤容易隆起，導(dǎo)致樁體上?。划?dāng)樁身較長(zhǎng)時(shí)樁端偏移較大；水平承載力低；當(dāng)巖石基礎(chǔ)傾角較大時(shí)樁體容易斷裂或偏移。

綜上所述，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，管樁投資較小，但將管樁嵌入中風(fēng)化巖工藝復(fù)雜，仍需額外投資。在技術(shù)上，隨鉆埋管法難以將管樁嵌入中風(fēng)化巖石中，而灌注樁具有豐富嵌巖施工經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)較為成熟，效果良好。考慮到工程的重要性、施工技術(shù)和投資等因素，擬選用灌注樁基礎(chǔ)處理方案。

結(jié) 論

西河泵站設(shè)計(jì)流量為400m3/s，是中國(guó)單體規(guī)模最大泵站。工程總體設(shè)計(jì)應(yīng)綜合考慮地形、地質(zhì)、水流、潮汐、沖淤、土地征用、環(huán)境、施工、管理等因素。通過(guò)經(jīng)濟(jì)技術(shù)比選，項(xiàng)目選址合理可行；工程總體布置合適，滿足泵站功能和安全運(yùn)行要求；基礎(chǔ)處理方案適應(yīng)性強(qiáng)、投資低、工藝簡(jiǎn)單。