地下式泵闸结构设计

2021-09-16吴雄远李明治

东北水利水电 2021年9期

唐洁，吴雄远，李明治

（上海勘测设计研究院有限公司，上海200434）

水利工程担负着防洪、排涝、调水和改善水环境的任务。城市水利工程，其外形风格要与城市的建筑风格相统一，同时应重视两岸景观设计，营造人与自然和谐相处的环境。设计时可通过对水工建筑物结构造型的改变，弱化口门建筑物体量设计，来实现功能与景观的完美融合。

1 工程概况

苏州市金鸡湖水环境综合治理项目位于苏州市工业园区，项目在深化控源截污的基础上，采取以调水引流为主，同时实施出入湖河道综合整治、生态修复及智慧管控等工程与非工程措施的协同作用，提高金鸡湖及周边区域整体环境质量，改善生态环境，达到综合治理目的。

木沉港泵闸工程是苏州市金鸡湖水环境综合治理项目其中的一项工程，是调水引流的关键节点。工程位于苏州市工业园区葑亭大道南侧的木沉港河道上，距河口约1100m。木沉港泵闸由1座总流量为20m3/s的泵站和1座净宽8m的节制闸组成，并列布置在木沉港河道上。泵站布置在东岸，为单向泵站，功能为从阳澄湖向金鸡湖引水，安装4台平面“S”型轴伸贯流泵，考虑到在防汛结束或者重新启动调水引流的换水初期，需要加快金鸡湖水体置换，加大引水流量，并提高机组运行保障，泵站采用三用一备。节制闸布置在西岸，功能为泵站引水时的水位控制，单孔布置。

2 设计思路

木沉港泵闸作为城市水利工程，对其建筑物的外观要求更高。为使工程兼顾景观，要求建筑物隐蔽，人立于地面时，无凸出地面较高的建筑物遮挡视线。因此，设计时弱化泵闸体量，采用地下式结构，建筑物顶高程略高于地面但不遮挡人的视线，屋面为可上人绿化屋面，供行人驻足休憩，提升景观效果。

3 设计难点

由传统的地面式泵闸转变为地下式泵闸，存在许多设计上的难点：

1）传统的泵闸上部结构承担一定的功能，泵房上部结构设置吊车梁，水闸上部结构设置启闭机。地下式泵闸需要解决在取消建筑物上部结构的同时保留建筑物功能不变的难点。

2）水泵运行有上方净空高度的要求，地下式泵站与传统的地面式泵站相比，立于水下部分更多，犹如一个大的空箱结构立于水中，扬压力增大，自重相同的情况下，地基应力小，不同工况下受力的微小改变，容易导致泵站的稳定计算应力数值变化较大。因此，地下式泵站需要解决扬压力增大的同时泵房应力比满足规范要求的难点。

3）地下式泵站与传统的地面式泵站相比，埋深更深，承受土、水压力产生的水平力更大，由于跨度较大，钢坝和泵站采用分离式结构布置。泵闸两侧水平力相差大，泵站和闸室稳定计算中抗滑稳定安全系数难以满足规范要求。如何解决水平力增大的同时泵房抗滑稳定安全系数满足规范要求也是设计难点之一。

4）泵房屋面采用绿化屋面，覆土50cm厚，顺水流方向跨度14.5m，屋面跨度较大，荷载较大，常规的钢筋混凝土梁梁高较大，为满足泵房内泵组检修起吊净空，需抬高屋面高程；若采用反梁结构，则主梁突出地面太高，影响美观。地下式泵站还存在顶面结构与景观融合的设计难点。

解决好这些问题，才能使工程在保证结构安全可靠、内部功能使用方便的同时，达到与周围环境融合为一的效果。

4 技术方案

4.1 泵闸结构型式比选与确定

工程平面布置为“泵+闸”的形式，从优化结构型式、减少工程占地、节省工程投资等因素出发，采用两个方案进行比选：方案一，泵闸底板为整体式结构，即外闸首底板与泵站底板连成整体，形成大底板；方案二：泵闸底板为分离式结构，即外闸首底板与泵站底板分开，底板之间设沉降缝。

工程站址处为土基，地基承载力较好。考虑到闸室底板底高程为-3.70m，泵房底板底高程为-5.80m，高差为2.1m，相差较大，且泵闸站垂直水流方向宽约50m，根据SL265-2016《水闸设计规范》第4.2.13条，在闸室底板与泵房底板间设置缝墩，将闸室底板与泵房底板布置为分离式结构，见图1。

图1 木沉港泵闸横剖面示意图

4.2 节制闸

为实现节制闸与地面齐平的要求，节制闸采用钢坝（底轴翻板闸门）+空箱型式。钢坝空箱位于河岸一侧，空箱整体低于地面50cm，面上覆土种植绿化，仅留进人孔和风井露出地面。钢坝能够实现立门蓄水，卧门过流，同时还可通过闸门门顶过水，达到调节水位并形成人工景观瀑布的效果。

4.3 泵房绿化屋面

为实现泵闸顶与地面基本齐平的要求，泵房采用地下式结构。泵房整体高程下降，取消上部框架结构，采用混凝土墙。为降低屋面高程，屋面框架梁采用反梁结构。

泵房采用绿化屋面，覆土厚0.5m，顺水流方向跨度为14.5m，屋面跨度大，荷载大。若采用钢筋混凝土梁，为使结构满足要求，需加高主梁截面高度，则主梁突出地面太高，影响美观，达不到地下式结构的效果。因此，主梁采用型钢混凝土梁结构，使用PKPM计算软件，结合现行结构规范完成各种荷载的加载及荷载组合，并完成对整个屋面结构内力和配筋分析计算，实现在满足结构要求的同时减少梁截面高度。采用型钢混凝土梁比钢筋混凝土梁高程降低0.5m，结构更安全可靠。

4.4 泵闸结构优化

1）泵闸之间采用并缝

由于跨度较大，钢坝和泵站采用分离式结构布置。地下式结构埋置深，泵闸两侧土压力产生的水平力较大，因水平力大、自重轻，泵站稳定计算和闸室稳定计算中抗滑稳定安全系数难以满足规范要求。因此，在泵与闸之间局部设置并缝结构，两侧部分土压力互相抵消，减少水平力，提高抗滑稳定安全系数，同时满足泵闸之间沉降缝的要求。

2）优化底板尺寸

地下式结构扬压力大，地基应力小，泵站稳定计算不易满足规范要求。泵站采用的泵型为“S”型轴伸贯流泵，底板为不规则结构，通过对泵房顺水流和垂直水流双向计算分析，在地基应力小的一端延伸底板尺寸，增加土重，来调节地基应力比。

4.5 优化进出水池

为改善泵站进水水流流态，进水池坡比采用1∶5从河底高程渐变至底板底高程，进水池中墩开设城门洞，使进水池形成一个水系连通的结构，见图2。

图2 进水池剖面示意图

4.6 通风及采光

地下式泵房相较于常规泵房，存在通风及采光条件较差的问题，设计时通过在泵房内增设机械通风系统、机械补风系统和排烟系统来满足地下式泵房通风要求；同时在泵房顶开设了天窗以满足地下式泵房采光要求。

4.7 大体积混凝土温控防裂措施

泵房出水侧泵墩厚3.2m，进水侧泵墩厚2.8m，钢坝闸底板局部厚3.0m。泵墩、闸底板体积较大、形体较复杂，施工周期短。因此，需对大体积混凝土的浇筑采取相应的温控防裂措施：

1）尽量缩短底板与墩墙混凝土浇筑的间隔时间，加强混凝土后期养护，选用低水化热水泥；

2）在大体积混凝土中采用M20砌块以减小混凝土水化热，抛入量不大于30%，砌块距构件边界的距离不小于0.5m；

3）对混凝土防裂要求较高的部位适当掺入混凝土抗裂剂或抗裂纤维；

4）采取控制入仓温度、浇筑时间、埋设冷却水管等温控措施。

5 地下式泵闸结构设计

5.1 泵站

1）主泵房布置

泵站布置在木沉港东侧，单泵流量为5m3/s，设计总流量为15m3/s（单向泵站），校核引水流量为20m3/s。水泵中心线高程为-3.00m，水泵机组中心线间距为6.0m。主泵房垂直水流方向长36.3m，底板宽（顺水流方向）27.1m，底板顶面高程为-3.85～4.30m，底板底高程为-5.80m。

泵房宽26.8m、长27.1m，为适应周围景观环境的要求，降低泵房高度，采用绿化屋面。管理区地面高程为3.50m，泵房屋面顶高程为4.65m，屋面梁顶高程为5.45m，梁底高程为4.05m。泵房侧墙为钢筋混凝土墙，屋面为板梁结构，内部设10t+10t电动葫芦桥式起重机。泵房均采用C30钢筋混凝土现浇结构，侧墙牛腿上设吊车梁，轨顶高程为2.25m。

2）安装间布置

安装间布置在泵房东侧，宽9.5m、长14.5m，安装间与泵房为整体结构，吊车梁延伸至安装间内，便于机组的吊装、检修。安装间的底板及屋面高程同泵房高程，设备平台高程为-1.15m，为框架结构。屋顶设吊物孔，孔口尺寸为3.0m×6.0m。

3）进、出水池布置

进、出水池顺水流均为15.0m。进水池临水侧边墩厚1.1m，顶高程为3.00m；临土侧边墩厚1.0m，顶高程为3.70m；中墩厚1.0m，顶高程1.00m。底板顶高程由-3.85m按坡比1∶5渐变至现状河底高程-2.00m，底板厚1.0m。进、出水池的底板上均设置ϕ75mm的排水孔，间距为1.5m，梅花形布置，下铺150mm厚碎石垫层和150mm厚中粗砂垫层。

底板顶高程由-3.85m按坡比1∶4渐变至现状河底高程-2.00m，底板厚1.0m。

工作桥位于进水池进水侧，顺水流向长3.5m。临水侧边墩厚1.1m，其余边墩和中墩厚1.0m。工作桥桥面宽2.0m，为板梁结构，梁底高程为3.0m，桥面高程为3.70m。根据泵站运行管理需要，在工作桥进水侧设置1道拦污栅。

5.2 节制闸

节制闸顺水流方向长约14.5m，宽约15.2m，采用钢筋混凝土整体坞式结构，底板顶高程为-3.50～-2.00m，底板厚1.5～3.0m。工作门门型为钢坝（底轴翻板闸门），采用液压启闭机操作，液压启闭设备放置于边墩空腔内。边墩空箱宽6.0m，顶高程为2.50m，上部覆盖0.5m耕植土种植绿化。局部设进人孔顶高程3.0m与地面齐平，进人孔设置钢盖板。

出水侧（阳澄湖侧）消力池采用U型钢筋混凝土结构，底板顶高程由-3.85m按坡比1∶4渐变至现状河底高程-2.00m，底板厚1.0m。进、出水侧消力池底板上设置ϕ75mm的排水孔，间距1.5m，梅花形布置，下铺150mm厚碎石垫层和150mm厚中粗砂垫层。