皮洲排涝站设计综述

张万里，涂超庆，吴凤先，沈福云

(1.南京市市政设计研究院有限责任公司，南京 211100；2.国安能第二工程局有限公司，南昌 330100；3.南京市水务工程建设管理中心，南京 210004；4.江西省赣西土木工程勘测设计院， 江西 宜春 336000)

1 工程概况

皮洲自排闸位于黄岗堤桩号6+622处，自排闸建于1979年，闸基基本座落于壤土层中，且其下无软弱下伏层。自排闸设计排涝流量12.2 m3/s，进口闸底板高程28.55m，现状混凝土箱涵孔口尺寸1.8×1.8。

该闸主要作用为排涝(自排)。主要存在的问题是内涝严重，排引流量大，单靠自排解决不了内涝问题；经多年运行，该闸出口消能设施已冲毁，不能满足消能防冲要求，防洪闸闸门及启闭机损坏严重；管身长度不够，无工作桥。本次设计拟对其进行原址拆除重建为自排和电排相结合的排涝站。

2 排涝站特征水位

2.1 特征水位

特征水位见表1。

2.2 水泵机组选型

水泵机组选型见表2。

3 排涝站设计

3.1 排涝站总体布置

皮洲排涝站设计堤顶高程37.41m，顶宽4.0m，外河迎水边坡1∶2.5，背水边坡1∶2.0。皮洲排涝站设2孔箱涵，为电排与自排结合箱涵，单孔净空尺寸为2.0m×2.0m(宽×高)。电排站由进水渠、进水闸、前池、机泵房、压力水箱(含自排箱涵)、电排控制段、穿堤箱涵、出口控制段、出口消力池、护坦海漫等组成。

表1 排涝泵站特征水位成果表

排涝站闸室、消力池、箱涵、机泵房等基础应座落在壤土上，同一分缝段岩性应相同，其承载力分别为140-160KPa，与混凝土摩擦系数0.25。基础若遇粉细砂或淤泥质土层，需进行基础处理，若粉细砂或淤泥质土层厚<1.5m，则挖除采用C15混凝土置换，若厚度>1.5m，则采用松木桩(松木桩直径≥150mm、长度≥4m、间距0.5m、梅花形布置)结合块石挤压进行基础处理，要求基础处理后承载力达到130 KPa以上。

表2 皮洲涝泵站机组选型表

考虑排涝站基础允许承载力不高，且局部可能存在粉细砂等软基，需基础处理，该设计其基础均采用钢筋混凝土整体基础，边墙采用钢筋混凝土悬臂式结构。

图1 皮洲排涝站纵剖面图

3.2 排涝站设计

该设计拟在原址拆除重建，为自排和电排相结合的排涝站。采用6台900ZLB-6.8(-6°)型水泵，配有6台JSL-14-12电机，单机功率为210kW，总功率为1260kW，总排涝流量12.2m3/s，水泵采用一列式布置，泵房结构采用堤后湿室墩墙型。泵站建筑物由进水闸、前池、泵房、出口压力水箱、控制段，穿堤箱涵、出口消力池等部分组成。其中机泵房主要尺寸及高程见表3。

表3 主要尺寸及高程表

1)进水闸：

进水闸为一孔，顺水流长度7.5m，闸孔净宽4.0 m，底板高程28.19m，底板为0.8m厚C25钢筋混凝土，设检修闸门和拦污栅。两侧边墙采用C25混凝土结构，顶宽0.8m，墙高4.11m，迎水坡铅直，背水坡1∶0.3。进水闸前衬护55m，采用现浇C15混凝土护底结合混凝土预制块护坡型式与排水渠衔接。

2)前池：

前池净宽23.0m，长10.0m，底板高程28.19m，底板为500mm厚C25钢筋混凝土，两侧为C25钢筋混凝土悬臂式挡土墙，顶宽0.3m，墙高3.81m，迎水坡铅直，背水坡1:0.1，墙身设置φ100PVC排水管，孔距2.0m，管末包扎400g/m2土工布(350×350mm2)，墙后设砂卵石反滤带300×500mm2(宽×高)。

3)机泵房：

泵房为湿室型墩墙混凝土结构，泵房底板采用整体基础，底板基础厚0.6m，进水池净宽23.0m，水泵中心距为3.7m，水泵出水管中心高程为31.6m，水平进入压力水箱。

4)出口压力水箱和控制段：

压力水箱平面形状采用平面梯形，立面等高布置，与泵房中心线为其对称线，对称布置。压力水箱顺水流方向长10.0m，进出口宽23.2-4.8m，底板高程28.19m，净高2.0m。

压力水箱后紧接电排控制段，控制段顺水流方向长7.0m，底板高程28.19m，设有1道闸门，孔口尺寸2.0m×2.0m(宽×高)。

5)穿堤箱涵：

控制段后紧接穿堤箱涵。箱涵采用C25钢筋混凝土现浇，2孔，净空尺寸为2.0m×2.0m(宽×高)，管壁厚0.4m。箱涵长25.0m，共3节，进出口底板高程28.69-28.58m。箱涵与箱涵之间及箱涵与压力水箱之间设沉降缝，缝宽2cm，采用紫铜片止水，沥青杉板填缝，箱涵底部设10cm厚的C15混凝土垫层。

6)出口控制段：

出口控制段采用节能型自由侧翻式单开拍门(2.0×2.0)控制，设计水头8.16m，其二期混凝土、地脚螺栓等尺寸和布置需相应产品确定后(必须在涵管开工前确定)进行调整。拍门两侧和顶部设钢筋爬梯。

箱涵要求当外河水位低于涝区水位，区内涝水自排，涝水由箱涵排向外河；当外河水位高于内河水位，区内涝水不能自排时，所有涝水均滞留在涝区内，等外河水位下降后排向外河或采用电排排涝。

节能型自由侧翻式单开拍门要求(特点)如下：①其工作原理是：当涵内水压力大于拍门外部背压时，拍门自动开启；当涵闸内介质压力小于或等于拍门外部背压时，拍门自动关闭。根据力学原理，将门瓣铰轴竖向布置，并向内倾斜一定角度，利用门瓣的自重水平分力作为闭门动力，以达到减少拍门开启阻力和自动闭门的目的，内外水位差0.1m以上就可开闭，并可根据流量和水头差自动调整拍门开度。②阻力系数≤0.1，水头损失系数≤0.1，门的开启角度可达到85°以上,开启时间5-10s、关闭时间5-20s。③无论是淹没还是未淹没状态，拍门都能启闭自如。④拍门采用预埋安装，结构简单牢靠。⑤要求门轴选择最佳倾斜角，从而形成拍门最佳启闭速度，减少撞击力，消除水击。⑥拍门门体采用Q235碳素钢，绞轴为不锈钢材料，轴套以铜合金为基体的球铰式自润滑轴承，密封可靠[1-2]。

7)消力池：

防洪闸外接消力池。经水力分析计算，消力池长10.0m，池深0.5m。消力池底板采用50cm厚C25混凝土浇筑，底板下设10cm厚C15混凝土垫层。两侧边墙为C25钢筋混凝土结构，顶宽0.3m，迎水坡铅直，背水坡1:0.1，墙身设置φ100PVC排水管，孔距2.0m，管末包扎400g/m2土工布(350×350mm2)，后设砂卵石反滤带300×500mm2(宽×高)；消力池底板采用紫铜片止水，底板排水孔采用φ100PVC排水管，孔距2.0m，排距2.0m，呈梅花型布置，管末包扎400g/m2土工布。底板分缝与挡土墙连接缝均采用沥青杉板填缝[3]。

消力池后接长6.0m的C25钢筋混凝土护坦渐变段和14.0m长的的海漫，海漫采用100mm厚现浇C15混凝土结合混凝土预制块护坡型式，底板高程26.60-26.46m。

4 设计计算

4.1 泵房结构计算

1)抗渗计算：

排涝站基础为壤土层，排涝站防渗长度按壤土长度计算。壤土层允许渗透坡降J允=0.4，泵站实际防渗长度：L1=70.2m；

泵站所需防渗长度：

L2=ΔH/J允=6.52/0.4=16.3m

(1)

式中：ΔH为上下游水位差，ΔH=36.71-30.19=6.52m(考虑外河设计洪水位，内河运行最低水位情况)。

因L1>L2，故泵房满足防渗要求。

2)稳定计算：

排涝站抗滑稳定、抗浮稳定计算结果表见表4。

表4 排涝站抗滑稳定、抗浮稳定计算结果表

由表4知，排涝站抗滑稳定、抗浮稳定计算结果均满足规范要求。

4.2 箱涵水力计算

1)箱涵过流能力计算：

本次设计箱涵按有压流计算，经计算电排时箱涵最大过流能力为13.55m3/s。排涝站设计排涝流量为12.2m3/s，箱涵能满足过流要求。

2)消能防冲设计：

本次设计消能防冲设计选用外河已经退水(即外河河滩地无水)，内河为最高内水位的工况进行计， 经计算，取消力池水平池长10.0m、深0.5m，底板厚0.5m，护坦海漫总长20.0m[4]。

5 金属结构设计

进水闸检修闸门设于拦污栅后共1孔设1扇闸门，孔口尺寸(宽×高)为4.0×2.8m2。检修闸门为平面钢闸门，运行方式为静水关闭、动水开启，启闭设备选用QL-2×80KN-SD螺杆启闭机。

为防止杂物阻塞水泵，故在进口处设置拦污栅，进水闸拦污栅设在前池前，共1孔设1扇拦污栅，孔口宽度4.0m，栅体高度为2.81m。拦污栅为平面滑动钢栅，运行方式为静水启闭，选用2只30KN手动葫芦启闭。

自排闸门设2孔2扇闸门，孔口尺寸(宽×高)为2.0×2.0m2。底坎高程28.19m，电排时关闭该闸门,闸门挡外河设计洪水位36.71m。选用高压SPZ-2m×2m-8m双向受力铸铁闸门，运行方式为动水启闭，启闭设备选用QL-250KN-SD螺杆式启闭机。

防洪闸共2孔，设2套控制闸门，孔口尺寸(宽×高)为2 m×2m。底坎高程28.55m，闸门挡外河设计洪水位36.71m。控制闸门选用2m×2m节能型自由侧翻式单开钢拍门[5]。

皮洲排涝站采用自排与电排相结合的运行方式排水。当外河水位较低时，排涝站的自排闸开启，涝水通过自排闸排出，防洪闸自控拍门通过水压力自动开启，水流至外河；当外河水位增高时，自排无法排出涝水，为防止外河洪水倒灌，自排闸关闭，电排站启动运行，防洪闸自控拍门通过水压力自动开启；在洪水期时，防洪闸自控闸门自动关闭，以防外河水倒灌。

6 结 语

皮洲排涝站由进水闸、前池、泵房、压力水箱、控制段，穿堤箱涵、出口消力池等部分组成，整个工程建筑物较多，设计情况比较复杂，对设计人员的综合能力要求较高，设计者根据工程实际情况采取最优设计方案，设计思路比较清晰，设计方案合理，可为类似工程设计提供参考与借鉴。