逢沙电排站自排水闸重建工程性能分析

尤伟康

（佛山市顺德区水利投资建设有限公司）

0 引言

因大良街道原逢沙电排站的老化及排涝标准低，随着顺德的城市化进程不断加快，当地水利规划对逢沙电排站的防洪及排涝能力提出了更高的需求及要求，因此，为当务之急是对其进行必要的重建改造。根据《水闸设计规范》《泵站设计规范》《堤防工程设计规范》等有关规范标准的要求，并结合工程可研阶段的批复意见，佛山市顺德区第一联围大良街道逢沙电排站重建工程确定为Ⅲ等中型工程，其主要建筑物、次要建筑物和临时建筑物依次为三级、四级及五级。其中，自排水闸建筑物划分为三级，防洪标准为五十年一遇洪水设计。

1 工程选址及选线

1.1 工程名称及位置

该重建工程选址为佛山市顺德区第一联围大良街道逢沙堤段，工程地理坐标为：东经113°18′20.71″，北纬22°49′50.62″，濒临李家沙水道，主要集中在第一联围大良堤段原逢沙闸站处，桩号为第一联围45+316。

1.2 工程主要建设内容

逢沙电排站重建工程主要内容如图1 所示。其主要内容包含多个方面，如：水泵设备项目、高低压配电设备项目、自动化监测与监控系统项目、电机设备项目、10 kV 专用线路工程（送配电工程）、清污设备项目、逢沙电排站重建工程施工等。逢沙电排站重建工程主要建筑物有两部分组成，即电排站、水闸及其他附属建筑物。该工程建设的主要任务是排水减灾，提高顺德区第一联围大良街道的排涝能力，从根本上消除原闸防洪安全隐患。电排站设计总装机容量为2 700.00 kW，叶轮直径2 050.00 mm，排水流量为46.03 m3/s，设计扬程时的总电排流量为46.77 m3/s，配套电机为TXZ900-32/2150高压（10 kV）同步电动机，安装三台2000ZXB15.4-2.9型斜式轴流泵。闸底板高程为-2.00 m，水闸单孔净宽8.00 m，设计流量为26.19 m3/s。闸顶高程按五十年一遇洪水加2.00 m超高取整为5.60 m。

图1 电排站重建工程主要内容图

2 逢沙电排站重建工程自排水闸建筑物设计

逢沙电排站重建工程自排水闸，总净宽8.00 m，单孔设计，闸孔净宽8.00 m，闸底板高程为-2.00 m，设计流量为26.19 m3/s。工程自排水闸建筑物设置在电排站的南侧，与电排站由一道宽约20.00 m的隔离岛隔开。逢沙电排站重建工程自排水闸建筑物设计大概分为三个部分，如图2所示。

图2 逢沙电排站重建工程自排水闸建筑物设计图

2.1 确定闸孔形式

根据重建后电排站工程使用（运行管理）单位的使用需求及习惯，自排水闸按带胸墙设计，考虑水闸具有排水及防洪功能，采用宽顶堰型底板，设计外江洪水位为3.43 m（p=2%），在不影响排水的前提下，让闸门不用过高，并且在水闸上设置胸墙。根据电排站重建工程的实际需要，水闸单孔设计，按构造设计确定闸室总宽度为8.00 m（根据公式（1）进行计算），满足水闸设计规范的要求。

考虑到自排水闸建成后的运行情况，当水闸处于开启状态时，围内水位一般不高于1.20 m。为防止水闸上游的漂浮物在水闸上游淤积，保证水闸正常运行，需要闸门不要过高，胸墙底部高程为2.80 m，比设计起排水位高1.60 m，可以满足水闸上有不淤积的要求和满足闸门板高宽比构造的要求。

2.2 自排水闸自排能力计算

在水闸工程的水力设计中，计算过流能力可以采用闸孔的过流公式来计算，而且在调节计算过程中一般会有以下的流态形式：孔流和堰流两种。如表1所示为判别孔流和堰流的方法。

表1 判别孔流和堰流的方法表

2.2.1 判别水闸过流形式：孔流或堰流

根据逢沙电排站重建工程的实际，水闸的e/H＞0.65、0.72H0＜hs＜0.90H0，结合上表则应按照堰流式的公式进行计算。

根据逢沙电排站重建工程的实际，水闸的e/H＞0.65、0.72H0＜hs＜0.90H0，结合上表则应按照堰流式的公式进行计算。

2.2.2 水闸过流能力的计算

根据运行情况计算水闸设计流量，当外江水位≥0.80 m时，自排水闸关闸排水，此时的自排水闸为抢排。因为水闸关闭需要一定的时间，自排水闸的最大抢排流量在设计时，需要按水闸上下游最大水头差为0.01 m进行设计，此时的抢排流量为自排水闸的设计工况下的最大过流能力。

本工程水闸单孔设计，根据堰流式过闸流量计算公式，采用宽顶堰过流公式计算流量，其计算公式如下：

上述公式中，Q：过闸流量（m3/s）；B0：闸孔总净宽（m）；H0：计入行近流速水头的堰上水深（m）；Hs：由堰顶算起的下游水深（m）；g：重力加速度（9.81 m/s2）；m：堰流流量系数，采用0.39；ε：堰流侧收缩系数；b0：闸孔净宽（m）；bS：上游河道一半水深处的宽度（m）；σ：堰流淹没系数。

通过计算得出，逢沙电排站工程自排水闸设计过闸流量为26.19 m3/s（满足本地区水利规划的要求），对比重建前的逢沙水闸，大大提高了自排能力。

2.2.3 确定闸底高程

经测量逢沙电排站工程上下游渠（河）道底高程为-2.10 m左右，为了防止水闸底板面淤积，且水闸闸身不宜过高，闸底板高程宜适当稍作抬高。在满足水闸过流条件的前提下，水闸闸底板面高程可以确定为-2.00 m。

2.3 确定水闸的堤顶高程

根据水闸设计规范的要求“挡水时闸顶高程≥最高挡水位+浪波计算高度+安全超高”，本工程水闸在挡水时，风区长度按100 m 计算，相应设计最大风速按18 m/s，当在50 a 一遇（p=2%）洪水位（3.43 m，珠基）时水深约5.64 m，按照经综合计算，本工程水闸最低闸顶高程为5.53 m，取整5.60 m 作为闸顶设计高程，满足防洪安全及排水要求。

3 自排水闸消能防冲计算及稳定性分析

3.1 自排水闸的消能防冲设计

考虑到工程自排水闸建成后的运行情况，和水闸在运行过程中可能存在不确定性因素，在设计自排水闸的消能防冲时，决定布置消能防冲设施。如表2所示为自排水闸的下游布置情况。

表2 自排水闸的下游布置表

为防止工程自排水闸在抵挡洪潮时出现反向渗透破坏的现象，在水闸上游设置长10 m、坡度1∶20 的钢筋混凝土铺盖，铺盖层下从下至上依次为中、粗砂的反滤层；并且在钢筋混凝土铺盖上游设置长10 m的二级反滤压重层。在消力池底板下铺设二级反滤层，消力池底板设4 排排水孔（间距2 000 mm×2 000 mm），排水孔为梅花型布置，Φ80 硬塑管（管内填充碎石反滤排水）。

3.2 结构计算及分析

考虑到水闸各种运行条件的四种荷载组合，自排水闸稳定计算的选用，包含两种特殊组合和两种基本组合。回填粘土需要在墙后进行，因为工程基础淤泥埋深较厚，考虑到桩基础的影响，将地基摩擦和闸底板的摩擦系数取为f=0.25。汽车汽车荷载等级为公路Ⅱ级标准，公路桥为四级公路，工程主要建筑物基础置于地质勘察中的黏土层，承载力特征值为60 kPa。根据实际情况进行分析，该自排水闸工程地基应力不满足要求，需进行地基处理。

4 结语

逢沙电排站重建工程的自排水闸采用宽顶堰型底板作为重建水闸闸孔形式，垂直水流即闸身总长度为20.00 m，单孔设计，净宽8.00 m。在不影响排水的前提下，在闸上设置胸墙，自排水闸最大过流能力为26.19 m3/s。根据前面的计算可知，自排水闸所需最低堤顶高程为5.53 m，本工程设计取整5.60 m作为水闸闸顶设计高程，可以满足防洪及排水要求。而且，根据实际情况进行分析，该自排水闸地基应力不满足要求，需进行地基处理。