永修縣馬口聯(lián)圩長溪排澇泵站改建工程設(shè)計(jì)

張揚(yáng)國

（永修縣水利局，江西 九江 330300）

排澇泵站作為水利工程的重要組成部分，可以保障人民生產(chǎn)生活，改善社會環(huán)境，對社會的穩(wěn)定和區(qū)域經(jīng)濟(jì)持續(xù)、快速、健康發(fā)展都將起到重要作用［1］。為了解決長溪排澇泵站保護(hù)面積內(nèi)長溪等行政村0.5 萬余人、3500 hm2耕地的排澇問題，保證當(dāng)?shù)厝罕姷纳a(chǎn)、生活條件不受內(nèi)澇影響，提高保護(hù)區(qū)內(nèi)治澇標(biāo)準(zhǔn)，充分發(fā)揮泵站排澇效益，促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)社會持續(xù)發(fā)展［2］，對長溪排澇泵站進(jìn)行改擴(kuò)建是非常必要的。

1 概況

永修縣馬口鎮(zhèn)是永修縣和九江市的南大門，長溪排澇泵站屬馬口聯(lián)圩防洪保護(hù)區(qū)范圍，位于馬口鎮(zhèn)甲赫村，排澇保護(hù)總面積2.53 km2，保護(hù)人口0.5萬人，保護(hù)農(nóng)田耕地3500 hm2，規(guī)劃長溪排澇區(qū)與內(nèi)河排澇區(qū)進(jìn)行水系連通，使長溪排澇泵站承擔(dān)部分內(nèi)河排澇任務(wù)。

長溪排澇泵站現(xiàn)狀排澇總裝機(jī)110 kW，設(shè)計(jì)排澇流量1.2 m3/s。由于該座排澇泵站興建年代較早，加上建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低，其排澇標(biāo)準(zhǔn)、排澇流量及裝機(jī)規(guī)模不滿足澇區(qū)排澇要求。經(jīng)過近30多年的運(yùn)行，主泵房框架結(jié)構(gòu)混凝土構(gòu)件碳化嚴(yán)重，強(qiáng)度較低，部分地面下沉；水泵過流部件磨損銹蝕嚴(yán)重，泵軸間隙大，工作效率低；電機(jī)電纜老化，絕緣低，開關(guān)設(shè)備陳舊，不符合安全運(yùn)行要求；攔污柵、出水鋼管及拍門嚴(yán)重銹蝕、部分變形，不能正常和安全運(yùn)行。經(jīng)安全鑒定為Ⅲ類泵站，需要拆除重建。

2 泵址選擇

現(xiàn)狀長溪排澇泵站地處馬口聯(lián)圩內(nèi)河片圩堤與長溪片外河圩堤相交處，歷史運(yùn)行中有排澇方便、可以一步排出的優(yōu)勢。該泵站若在原址重建，則無需重新開挖導(dǎo)流河道，工程量小，投資低。通過充分的對比分析，認(rèn)為在原泵址改擴(kuò)建泵站合適。

3 泵站設(shè)計(jì)流量、特征水位及特征揚(yáng)程的確定

3.1 設(shè)計(jì)流量

長溪排澇泵站設(shè)計(jì)排澇標(biāo)準(zhǔn)為5 a一遇3 d暴雨3 d 排至作物耐淹深度，按電機(jī)每天工作22 h 計(jì)，其電排歷時(shí)為237600 s。該站設(shè)計(jì)流量采用《灌溉與排水工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50288-1999）中平均排除法和保護(hù)區(qū)內(nèi)無較大湖泊、洼地作調(diào)蓄區(qū)時(shí)的設(shè)計(jì)排澇模數(shù)計(jì)算，經(jīng)計(jì)算得泵站排澇流量為1.29 m3/s。根據(jù)規(guī)劃長溪排澇區(qū)與內(nèi)河排澇區(qū)進(jìn)行水系連通的情況，該站只承擔(dān)部分內(nèi)河排澇任務(wù)，因此確定泵站排澇流量為3.06 m3/s。

3.2 特征水位及特征揚(yáng)程

3.2.1 設(shè)計(jì)外水位

根據(jù)《江西省五河治理防洪工程永修縣馬口聯(lián)圩除險(xiǎn)加固工程可行性研究報(bào)告》（深圳市水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)院，2017年）成果，長溪排澇泵站設(shè)計(jì)洪水位根據(jù)所在圩堤相應(yīng)的設(shè)計(jì)洪水位確定為24.60 m（黃海高程，下同），設(shè)計(jì)外水位取5 a 一遇外河4—7 月3 d平均水位22.38 m。

3.2.2 設(shè)計(jì)內(nèi)水位

根據(jù)泵站歷年運(yùn)行內(nèi)水位及確保保護(hù)區(qū)內(nèi)重要的設(shè)施或建筑物（學(xué)校、工廠及居民區(qū)等）不被淹，確定保護(hù)區(qū)最高限制水位為19.70 m，經(jīng)推算至長溪排澇泵站進(jìn)水池水位為19.50 m。為了保護(hù)區(qū)內(nèi)耕地（棉地）和附近菜地95%在限制水位不淹，保護(hù)區(qū)設(shè)計(jì)內(nèi)水位為18.00 m，經(jīng)推算至進(jìn)水池水位為17.80 m。

3.2.3 特征揚(yáng)程

根據(jù)長溪排澇泵站內(nèi)外水位，計(jì)算出本泵站設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程和最高凈揚(yáng)程。其中，設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程為4.58 m，最高凈揚(yáng)程為6.50 m。

4 泵型選擇

4.1 設(shè)計(jì)揚(yáng)程計(jì)算

水泵類型通常根據(jù)地區(qū)特點(diǎn)和泵站性質(zhì)來選擇。一般來說，對揚(yáng)程較高的泵站，宜選用離心泵和混流泵；揚(yáng)程較低的泵站，常選用混流泵和軸流泵。一般情況下，揚(yáng)程小于10 m時(shí)宜選用軸流泵。

長溪排澇泵站設(shè)計(jì)流量為3.06 m3/s，設(shè)計(jì)凈揚(yáng)程為4.58 m，最高凈揚(yáng)程為6.5 m。根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求，當(dāng)出水池最大運(yùn)行水位與進(jìn)水池最小運(yùn)行水位遭遇概率較小時(shí)，可適當(dāng)降低最高揚(yáng)程。

長溪排澇泵站出流方式為一機(jī)一管出流，通過壓力鋼管直接排往外河。其揚(yáng)程損失主要考慮管道沿程水頭損失和局部水頭損失。

（1）管道局部水頭損失計(jì)算公式為：

式中：S局為管道局部阻力系數(shù)（s2/m5）；Q為管道流量（m3/s）。

經(jīng)計(jì)算，得管道局部水頭損失為0.705 m。

（2）管道沿程水頭損失計(jì)算公式為：

式中：S沿為管道局部阻力系數(shù)（s2/m5）；Q為管道流量（m3/s）。

經(jīng)計(jì)算，得管道沿程水頭損失為0.204 m。

（3）揚(yáng)程損失計(jì)算公式為：

經(jīng)計(jì)算，得泵站揚(yáng)程損失為0.91 m。

根據(jù)以上計(jì)算成果，經(jīng)計(jì)算，泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程為5.49 m，最大揚(yáng)程為7.41 m?；谝话闱闆r下?lián)P程小于10 m 時(shí)宜選用軸流泵，所以長溪排澇泵站適合安裝軸流式水泵。

4.2 軸流泵類型比選

立式泵是目前國內(nèi)泵站工程中常用的一種傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，運(yùn)行可靠，制造技術(shù)成熟，電機(jī)布置在廠房運(yùn)行層，運(yùn)行條件好。同時(shí)，立式泵徑向力小，導(dǎo)水軸承受力狀況好，水泵使用壽命長，運(yùn)行可靠性高。

臥式泵主要用于低揚(yáng)程泵站。通常，可以選擇潛水貫流泵，進(jìn)出水路順直、變化平緩、水力損失小，裝置效率較高。其中，潛水貫流泵電機(jī)與水泵集成，安裝維護(hù)方便，不需要上廠房。然而，水泵結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，對水泵的密封要求較高，相應(yīng)的輔助系統(tǒng)也比較復(fù)雜，需要增加一個(gè)高位油箱等，由此增加了輔助設(shè)備方面的投資，同時(shí)不方便操作與管理。

斜軸泵泵軸傾斜放置后受力復(fù)雜，對導(dǎo)軸承要求高，故障發(fā)生較為頻繁，安裝、運(yùn)行、維護(hù)皆不方便。同時(shí)，斜軸泵的整體尺寸也較大，廠房規(guī)模也相應(yīng)增大，增加了廠房的占地面積和土建投資[3]。

通過對以上幾種軸流泵類型的分析可知，立式軸流泵結(jié)構(gòu)簡單，制造技術(shù)成熟，維護(hù)方便，該地區(qū)在施工、安裝、運(yùn)行和管理方面有著豐富的經(jīng)驗(yàn)。因此，該站擬選用立式軸流泵機(jī)組。

綜上，無論從泵站設(shè)計(jì)揚(yáng)程還是從泵站類型比選考慮，選用立式軸流泵機(jī)組最為合適。

5 工程總體布置

本工程采用堤后式泵站，從南向北依次設(shè)置進(jìn)水渠、前池、進(jìn)口閘室、泵房、排水管道等構(gòu)筑物。

5.1 進(jìn)水渠

根據(jù)泵站改擴(kuò)建現(xiàn)場地形及進(jìn)、出水布置方式，為保證水流順暢，需修建長10.0 m 進(jìn)水渠。進(jìn)水渠根據(jù)現(xiàn)狀排澇溝寬度定為26.45 m，底坡0.05，進(jìn)口底板頂高程15.68 m，末端底板高程15.20 m，底板采用500 mm厚的C20混凝土，下設(shè)10 cm厚碎石墊層，兩側(cè)設(shè)C25混凝土懸臂式擋墻。

5.2 前池

前池布置于進(jìn)水渠與進(jìn)口閘室之間，長6.0 m，寬由26.45 m 漸變?yōu)?0.20 m，池底采用30 cm 厚C25鋼筋混凝土，邊墻采用C25 混凝土懸臂式擋墻。根據(jù)水泵安裝要求，結(jié)合泥沙淤積情況，前池底高程定為15.20 m。

前池邊墻采用C25 混凝土懸臂式擋墻，墻后回填砂卵石，填土高度為20.00～20.60 m，擋墻基礎(chǔ)寬2.7 m，墻體上部寬0.3 m、下部寬0.4 m，墻體與下部底板均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。擋墻底板下設(shè)齒槽，以增大擋墻整體的抗滑穩(wěn)定性，擋墻底板寬2.7 m，墻后填土長度2.1 m，回填土方增大墻體自重，提升擋墻抗傾覆穩(wěn)定性。邊墻懸臂段墻體高4.8～5.4 m 不等，墻頂迎水面設(shè)高1.2 m 欄桿。具體布置，如圖1所示。

圖1 前池結(jié)構(gòu)

5.3 進(jìn)口閘室

進(jìn)口閘室布置于前池與泵房之間，長8.0 m，底板高程15.20 m，寬度10.20 m。進(jìn)口閘室采用40 cm厚C25鋼筋混凝土底板，下設(shè)10 cm厚C10混凝土墊層，C25鋼筋混凝土邊墩中間按水泵分流要求設(shè)2個(gè)60 cm厚分流墩，分流墩頂高程20.6 m，并設(shè)置寬1.5 m檢修便橋。進(jìn)口閘室前段設(shè)3.0 m×3.0 m 檢修閘，啟閉平臺高程24.10 m，后段設(shè)攔污柵。檢修閘采用1扇平板鑄鐵閘門，閘門尺寸300 cm×300 cm，選用4臺QL-15-SD手電兩用螺桿式啟閉機(jī)。

5.4 泵房

長溪排澇泵站改擴(kuò)建工程布置于老泵站原址，仍采用堤后式泵站。泵房采用濕室結(jié)構(gòu)建設(shè)，順?biāo)鏖L6.0 m，垂直水流總寬18 m，底板頂高程15.50 m，電機(jī)層高程20.80 m，水泵安裝高程17.10 m。

泵房由進(jìn)水層、水泵層和電機(jī)層三部分組成。進(jìn)水層高程為15.50～17.10 m，主要布置進(jìn)水喇叭管和水泵葉輪。水泵層高程為17.10～20.80 m，主要設(shè)有機(jī)泵彎管、伸縮器、翻板閥、異徑管、拍門、水泵轉(zhuǎn)軸等零部件。電機(jī)層高程位于20.80 m以上，主要設(shè)備為電機(jī)，共3 臺機(jī)組，間距3.6 m。泵房采用70 cm 厚C25 鋼筋混凝土底板，水泵層（梁柱）、電機(jī)層（梁板）、泵房排架和圈梁及樓（屋）面梁板等均采用C25鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。具體布置，如圖2所示。

圖2 排澇泵站廠房正向立視

5.5 出水鋼管

本次設(shè)計(jì)擬對現(xiàn)狀出水鋼管進(jìn)行拆除重建，鋼管高程根據(jù)出水口排澇期最大3 d平均水位22.38 m確定，經(jīng)計(jì)算得出水鋼管出口管中心線高程為22.38 m。出水鋼管為內(nèi)徑80 cm壓力鋼管，長27.0 m。

5.6 出口消能段

出水鋼管后接陡槽段，陡槽段長13.0 m、寬9.4 m，采用30 cm 厚C25 鋼筋混凝土底板，底板下設(shè)10 cm厚C10混凝土墊層。消力池底板長6 m，高程16.88 m，尾坎高程17.68 m，均采用50 cm 厚C25 鋼筋混凝土底板，底板下設(shè)10 cm 厚C10 混凝土墊層。陡槽段、消力池段兩側(cè)設(shè)C20 混凝土重力式邊墻，邊墻與底板間分沉降縫，縫內(nèi)設(shè)瀝青杉板。出水渠段長10 m，采用40 cm 厚M7.5 漿砌石底板，底板下設(shè)10 cm 厚碎石墊層，邊墻采用M10 仰斜式邊墻，兩側(cè)邊墻內(nèi)設(shè)75 mmPVC管排水孔，間距2 m，呈梅花型分布，排水孔后設(shè)排水反濾。

隨著長溪排澇泵站改擴(kuò)建工程的逐步實(shí)施，社會效益和環(huán)境效益將會逐步得到充分體現(xiàn)，社會環(huán)境將會得到進(jìn)一步改善，從而對當(dāng)?shù)厣鐣€(wěn)定和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)持續(xù)、快速、健康發(fā)展起到重要作用。