新建縣流湖大泵站主要建筑物設(shè)計(jì)研究

周 珺

(中鐵水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，江西 南昌 330029)

1 工程概況

流湖地區(qū)位于江西省南昌市中心城區(qū)西北的新建縣西南部，靠近錦江下游北岸、贛江西岸，總面積達(dá)到506.8 km2。該地區(qū)地形平坦，地勢(shì)低洼，以流湖導(dǎo)托渠為界分為上、下兩個(gè)區(qū)域，導(dǎo)托渠以上多丘陵崗地、以下為平原區(qū)，澇水主要由上部邊山洪水與下部低洼區(qū)澇水兩部分組成。上游邊山洪水入流湖導(dǎo)托渠經(jīng)東堡閘入贛江，當(dāng)來水超過導(dǎo)托渠過水能力時(shí)，則溪洪閘與鄧埠閘開啟，部分洪水泄入下游春風(fēng)河，經(jīng)流湖閘流入錦江或經(jīng)愚公閘流入贛江。在歷史上，該地區(qū)洪澇災(zāi)害嚴(yán)重，盡管有石埠水、羅山水、西港河等十余條河流以及肖峰、夢(mèng)山等多座中小型水庫及塘堰，但基本無法有效調(diào)節(jié)洪水。每逢雨季，北部山丘區(qū)的洪水仍然直泄而下，且中部水流不暢，南有流湖圩擋住排水出路，區(qū)內(nèi)一片汪洋，常形成嚴(yán)重澇災(zāi)。為有效治理該地區(qū)的洪澇災(zāi)害，江西省水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院于2013年計(jì)劃在下坊圩與西聯(lián)圩設(shè)置蓄澇區(qū)，同時(shí)，在流湖閘一側(cè)(或兩側(cè))新建流湖電排站，總裝機(jī)7200 kW(先期建設(shè)一期工程，裝機(jī)總功率為3600 kW，本文主要圍繞一期工程加以闡述)。主要的建設(shè)內(nèi)容包含新建引水渠、攔污閘、前池、泵房、穿堤箱涵、防洪閘及出消力池等建筑物，配套安裝相應(yīng)的機(jī)電、金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備，并新建泵站管理房，對(duì)站房、場(chǎng)區(qū)進(jìn)行適當(dāng)?shù)拿阑韀1-4]。

2 主要建筑物總體設(shè)計(jì)方案比選

2.1 站址選擇

圍繞流湖大泵站一期工程進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到泵站主要建筑物的布置，選擇了兩個(gè)站址比選，各自的情況為：

A站址位于流湖圩尾部，流湖閘左側(cè)，樁號(hào)8+850，地面高程19.90～20.20 m。地下土層勘查結(jié)果為(按照自上而下的順序)：黏土層、中粗砂層、砂卵礫石層、泥質(zhì)粉砂巖層。總體而言，該區(qū)域地基土層中廣泛分布質(zhì)地較厚的硬塑狀黏土層，地基土具有二元結(jié)構(gòu)，物理力學(xué)性質(zhì)、載荷力等均符合泵站以及主要建筑物的載荷要求。

B站址的樁號(hào)為7+350，地面高程18.10～19.40 m。地下土層勘查結(jié)果與A站址大致相當(dāng)，但在黏土層和中粗砂層之間還有細(xì)砂層，其他情況均與A站址相同。

兩個(gè)備選站址的基本情況雖然一致，但考慮到B站址在圩區(qū)地勢(shì)低洼處，且匯水渠系統(tǒng)建設(shè)水平較為完善。A站址緊挨流湖閘，泵站施工期間對(duì)現(xiàn)狀流湖閘排澇水系影響較大，加之處于宜春市豐城市的管轄范圍內(nèi)，建成后在行政管理歸屬方面容易產(chǎn)生不便。綜合考慮之下，決定選擇樁號(hào)為7+350的B站址作為流湖大泵站一期工程的建設(shè)站址。

2.2 方案比選

流湖大泵站一期工程設(shè)計(jì)的排澇流量達(dá)到32 m3/s，預(yù)設(shè)揚(yáng)程為6.54 m，最大揚(yáng)程為8.17 m?；诖朔N情況，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提出兩種設(shè)計(jì)方案。

方案一，圍繞4臺(tái)1600ZLQ-6型立式軸流泵進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。

(1)引水渠。對(duì)原春風(fēng)河老河道入口處的子堤進(jìn)行全面清理，重新挖開一條總長(zhǎng)度達(dá)到350 m，渠底高程為17.10～16.25 m，渠底寬度40～28 m，邊坡1∶2～1∶1.5的新引水渠。

(2)攔污閘。設(shè)置在引水渠和前池之間，共計(jì)4孔(每孔的凈寬度為6.0 m)，中墩厚度達(dá)到1.2 m，縫墩厚0.8 m，邊墩厚1.0 m，閘底板高程16.25 m，閘頂高程20.02 m，順?biāo)鞣较蜷L(zhǎng)6 m，垂直水流方向?qū)?0 m。

(3)前池。進(jìn)水方式為“正向”，斷面形式為“梯形”，池底寬度從上到下控制在28.0～20.0 m范圍內(nèi)，底板高程區(qū)間為16.25～12.25 m，厚度為0.4 m，順?biāo)鞣较虻拈L(zhǎng)度達(dá)到20.5 m。邊坡坡比為1∶1.5，且與兩側(cè)地面緊密銜接。護(hù)坡砌石的厚漿達(dá)到400 mm，且需要在下方鋪設(shè)厚度達(dá)到100 mm的砂卵石墊層。

(4)泵房。即地面廠房，采用堤后式的設(shè)計(jì)工藝，內(nèi)部主要設(shè)備為：4臺(tái)1600ZLQ-6型軸流泵，電機(jī)型號(hào)TL900-20/2150，單機(jī)容量900 kW，裝機(jī)總?cè)萘?600 kW。廠房下方的長(zhǎng)寬尺寸分別為23.4 m和14.5 m，機(jī)組設(shè)備之間的直接距離至少需要控制在5.30 m。水泵層的地面高程為15.77 m，密封層地面高程為20.02 m，電機(jī)層的地面高程為24.46 m，整泵房的出水形式為單機(jī)單管形式。

(5)安裝間。設(shè)置在主泵房的左側(cè)區(qū)域，長(zhǎng)寬分別為11.40 m和11.30 m，地面高程24.46 m，下層設(shè)置油庫。

(6)副廠房。設(shè)置在主泵房的右側(cè)區(qū)域，長(zhǎng)度為22.60 m，寬度、地面高程與安裝間完全相同，且設(shè)有中控室、高低壓柜室、變壓器室等具備不同功能的設(shè)備室。

(7)穿堤箱涵。結(jié)構(gòu)為現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度至少需要達(dá)到C20以上。整個(gè)穿堤箱涵共分為6節(jié)，每節(jié)的長(zhǎng)度都達(dá)到9 m，保持中間4節(jié)不變，一頭一尾兩節(jié)設(shè)置為漸變段，全長(zhǎng)54 m。每節(jié)的涵管共設(shè)有4個(gè)方孔，每個(gè)孔口的長(zhǎng)寬尺寸均為2.4 m，涵管壁厚度達(dá)到0.5 m，箱涵底板的高程為18.98 m。

(8)防洪閘。順?biāo)较虻目傞L(zhǎng)度達(dá)到11.4 m，底板高程為18.38 m，閘頂高程為27.75 m。啟閉機(jī)排架設(shè)置在防洪閘的上方，平臺(tái)高程為32.75 m，閘房的房頂高程為35.95 m。此外，防洪閘門共設(shè)置一道，防洪閘有四個(gè)方形孔，高度和寬度分別為3.0 m和2.4 m。防洪閘設(shè)有C25鋼筋混凝土交通橋與堤頂相連，交通橋長(zhǎng)18.0 m，寬2.0 m。

(9)出口消能設(shè)施具體是指出口消力池，順著水流方向的總長(zhǎng)度達(dá)到24.0 m，凈寬度為14.7 m，底板高程為16.38 m，厚度為0.5 m；消力坎頂?shù)母叱虨?7.28 m，采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度至少達(dá)到C20。位于消力池兩側(cè)的邊墻頂高程控制在21.88～20.18 m范圍內(nèi)，墻頂寬度為0.5 m，采用素混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強(qiáng)度需達(dá)到C20以上。消力池下游段需額外連接一段總長(zhǎng)度達(dá)到40 m的漿砌塊石護(hù)坦段，底部寬度和厚度分別為14.7 m和0.4 m。護(hù)坦頂面的高程為17.28 m，下方設(shè)有0.1 m厚的砂卵石墊層，漿砌石護(hù)坡的邊坡比為1∶1.5。

總體而言，流湖大泵站一期工程中的建筑物級(jí)別分布情況如表1所示。

表1 流湖大泵站1期工程建筑物級(jí)別分布

方案二，圍繞3臺(tái)1800ZLQ-7型立式軸流泵進(jìn)行設(shè)計(jì)。與方案1相比，攔污閘的基本設(shè)計(jì)思路無明顯差異，只是4個(gè)孔的凈寬降低至5.0 m，閘底板、閘頂高程等需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。此外，泵房同樣為堤后地面式廠房，裝有3臺(tái)1800ZLQ-7型軸流泵，機(jī)組間距6.1 m，水泵安裝高程15.50 m，電機(jī)型號(hào)TL1250-24/2150，單機(jī)容量1250 kW。攔污閘底板高程11.60 m，水泵層地面高程16.00 m，電機(jī)層地面高程24.87 m，主廠房下部長(zhǎng)20.3 m，寬14.7 m，安裝間地面高程24.87 m，安裝間位于主廠房左側(cè)，長(zhǎng)12.20 m，寬與主廠房相同，在主機(jī)間與安裝間交接處設(shè)置一條伸縮縫，安裝間下層為油庫。泵房基礎(chǔ)為礫砂。出水建筑物方面的設(shè)計(jì)與方案一相比基本無異。

兩種方案投資方面的對(duì)比結(jié)果如表2所示。經(jīng)過比對(duì)，盡管方案二的投資相對(duì)較少，但泵房建基面高程更低，施工期基坑排水更困難，且方案一在裝機(jī)容量、運(yùn)行靈活性及電氣主接線方面更優(yōu)，故決定選擇方案一。

表2 兩種方案工程量與成本對(duì)比

3 主要建筑物具體設(shè)計(jì)

基于方案一的泵站主要建筑的各項(xiàng)參數(shù)已在上文進(jìn)行詳細(xì)敘述，本段不再贅述，只圍繞重要參數(shù)的計(jì)算方法進(jìn)行介紹。受篇幅所限，無法一一列舉出所有泵站主要建筑物的計(jì)算設(shè)計(jì)過程，只選取引水渠、攔污閘、前池、主泵房四項(xiàng)主要建筑物的部分設(shè)計(jì)計(jì)算過程進(jìn)行介紹。

3.1 引水渠

對(duì)引水渠而言，最重要的參數(shù)為過流能力計(jì)算，見式(1)：

(1)

式中：Q為流量，m3；A為過水?dāng)嗝婷娣e，m2；R為過水?dāng)嗝娴乃Π霃?，m；n為糙率，取0.025%；i為渠道底坡，取2.528%。

A的求解公式如式(2)：

A=(b+mh)h

(2)

式中：b為渠道底寬，取28 m；m為渠道邊坡；h為過水?dāng)嗝嫠?，m。經(jīng)過計(jì)算后發(fā)現(xiàn)，最低運(yùn)行水位達(dá)到17.50 m，設(shè)計(jì)水位達(dá)到18.56 m,兩種狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的引水渠過流能力分別為59.16 m3/s和168.02 m3/s,均大于Q設(shè)=32 m3/s，能夠滿足設(shè)計(jì)要求，故可按照既定方案施工。

3.2 攔污閘

3.2.1 布置位置比選

攔污閘的位置選擇方案有兩種：方案一，前池與泵房檢修閘之間，共設(shè)4孔；方案二，引水渠與前池交界處上游。兩種方案的工程量和成本投入如表3所示。

表3 攔污閘主要工程量與成本投入對(duì)比

3.2.2 攔污閘閘孔寬度計(jì)算

攔污閘的寬度計(jì)算公式(3)為：

nb=Q/μH0V

(3)

式中：n為孔數(shù)，取4個(gè)；b為每個(gè)孔的凈寬度，取6 m；Q為設(shè)計(jì)流量，取32 m3/s；μ為攔污柵過流面積折減系數(shù)，取0.7；H0為行進(jìn)流速水頭的堰前水頭，取2.31 m；V為攔污柵過柵流速，取0.8 m/s。在最低運(yùn)行水位為17.50 m工況下，攔污閘的過閘流量為16.8 m3/s。

3.3 前池

按1∶1.5邊坡開挖后用400 mm厚漿砌石護(hù)坡。經(jīng)過計(jì)算，土方開挖、土方填筑、漿砌石護(hù)坡及護(hù)底、砂卵石墊層、素混凝土擋墻C20、素混凝土墊層C15、閘室底板混凝土C20、閘墩混凝土C20、閘室板梁柱混凝土C25、前池底板混凝土C20、擋墻混凝土C20、鋼筋工程量分別為22 066 m3、1956 m3、129 m3、85 m3、126 m3、30 m3、175 m3、143 m3、51 m3、240 m3、161 m3、56 m3，總體投資為92.15萬元。

3.4 主泵房

主泵房抗滑穩(wěn)定計(jì)算見公式(4),泵房基地應(yīng)力計(jì)算見公式(5)，抗浮穩(wěn)定計(jì)算見公式(6)：

Kc=f∑G/∑H

(4)

(5)

Kf=∑V/∑U

(6)

經(jīng)計(jì)算，泵房地基允許承載力為258 kPa，受振動(dòng)荷載影響，振動(dòng)折減系數(shù)取0.8，則地基允許承載力為206 kPa。

4 結(jié) 語

在新建縣流湖大泵站一期工程主要建筑物設(shè)計(jì)過程中，每一個(gè)主要建筑物的設(shè)計(jì)計(jì)算過程均有兩種備選方案，通過對(duì)具體工程所在區(qū)域的實(shí)際情況、成本投入等情況進(jìn)行綜合比對(duì)后，選擇了合適的方案，并根據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中的有關(guān)公示，代入真實(shí)測(cè)量值進(jìn)行計(jì)算，使得載荷力、流量等參數(shù)均達(dá)到要求，最終順利完成了一期工程的建設(shè)。