新建县流湖大泵站主要建筑物设计研究

2022-06-17周珺

水利科学与寒区工程 2022年5期

周珺

(中铁水利水电规划设计集团有限公司，江西南昌 330029)

1 工程概况

流湖地区位于江西省南昌市中心城区西北的新建县西南部，靠近锦江下游北岸、赣江西岸，总面积达到506.8 km2。该地区地形平坦，地势低洼，以流湖导托渠为界分为上、下两个区域，导托渠以上多丘陵岗地、以下为平原区，涝水主要由上部边山洪水与下部低洼区涝水两部分组成。上游边山洪水入流湖导托渠经东堡闸入赣江，当来水超过导托渠过水能力时，则溪洪闸与邓埠闸开启，部分洪水泄入下游春风河，经流湖闸流入锦江或经愚公闸流入赣江。在历史上，该地区洪涝灾害严重，尽管有石埠水、罗山水、西港河等十余条河流以及肖峰、梦山等多座中小型水库及塘堰，但基本无法有效调节洪水。每逢雨季，北部山丘区的洪水仍然直泄而下，且中部水流不畅，南有流湖圩挡住排水出路，区内一片汪洋，常形成严重涝灾。为有效治理该地区的洪涝灾害，江西省水利规划设计院于2013年计划在下坊圩与西联圩设置蓄涝区，同时，在流湖闸一侧(或两侧)新建流湖电排站，总装机7200 kW(先期建设一期工程，装机总功率为3600 kW，本文主要围绕一期工程加以阐述)。主要的建设内容包含新建引水渠、拦污闸、前池、泵房、穿堤箱涵、防洪闸及出消力池等建筑物，配套安装相应的机电、金属结构设备，并新建泵站管理房，对站房、场区进行适当的美化整理[1-4]。

2 主要建筑物总体设计方案比选

2.1 站址选择

围绕流湖大泵站一期工程进行设计时，考虑到泵站主要建筑物的布置，选择了两个站址比选，各自的情况为：

A站址位于流湖圩尾部，流湖闸左侧，桩号8+850，地面高程19.90～20.20 m。地下土层勘查结果为(按照自上而下的顺序)：黏土层、中粗砂层、砂卵砾石层、泥质粉砂岩层。总体而言，该区域地基土层中广泛分布质地较厚的硬塑状黏土层，地基土具有二元结构，物理力学性质、载荷力等均符合泵站以及主要建筑物的载荷要求。

B站址的桩号为7+350，地面高程18.10～19.40 m。地下土层勘查结果与A站址大致相当，但在黏土层和中粗砂层之间还有细砂层，其他情况均与A站址相同。

两个备选站址的基本情况虽然一致，但考虑到B站址在圩区地势低洼处，且汇水渠系统建设水平较为完善。A站址紧挨流湖闸，泵站施工期间对现状流湖闸排涝水系影响较大，加之处于宜春市丰城市的管辖范围内，建成后在行政管理归属方面容易产生不便。综合考虑之下，决定选择桩号为7+350的B站址作为流湖大泵站一期工程的建设站址。

2.2 方案比选

流湖大泵站一期工程设计的排涝流量达到32 m3/s，预设扬程为6.54 m，最大扬程为8.17 m。基于此种情况，设计团队提出两种设计方案。

方案一，围绕4台1600ZLQ-6型立式轴流泵进行整体设计。

(1)引水渠。对原春风河老河道入口处的子堤进行全面清理，重新挖开一条总长度达到350 m，渠底高程为17.10～16.25 m，渠底宽度40～28 m，边坡1∶2～1∶1.5的新引水渠。

(2)拦污闸。设置在引水渠和前池之间，共计4孔(每孔的净宽度为6.0 m)，中墩厚度达到1.2 m，缝墩厚0.8 m，边墩厚1.0 m，闸底板高程16.25 m，闸顶高程20.02 m，顺水流方向长6 m，垂直水流方向宽30 m。

(3)前池。进水方式为“正向”，断面形式为“梯形”，池底宽度从上到下控制在28.0～20.0 m范围内，底板高程区间为16.25～12.25 m，厚度为0.4 m，顺水流方向的长度达到20.5 m。边坡坡比为1∶1.5，且与两侧地面紧密衔接。护坡砌石的厚浆达到400 mm，且需要在下方铺设厚度达到100 mm的砂卵石垫层。

(4)泵房。即地面厂房，采用堤后式的设计工艺，内部主要设备为：4台1600ZLQ-6型轴流泵，电机型号TL900-20/2150，单机容量900 kW，装机总容量3600 kW。厂房下方的长宽尺寸分别为23.4 m和14.5 m，机组设备之间的直接距离至少需要控制在5.30 m。水泵层的地面高程为15.77 m，密封层地面高程为20.02 m，电机层的地面高程为24.46 m，整泵房的出水形式为单机单管形式。

(5)安装间。设置在主泵房的左侧区域，长宽分别为11.40 m和11.30 m，地面高程24.46 m，下层设置油库。

(6)副厂房。设置在主泵房的右侧区域，长度为22.60 m，宽度、地面高程与安装间完全相同，且设有中控室、高低压柜室、变压器室等具备不同功能的设备室。

(7)穿堤箱涵。结构为现浇钢筋混凝土结构，混凝土强度至少需要达到C20以上。整个穿堤箱涵共分为6节，每节的长度都达到9 m，保持中间4节不变，一头一尾两节设置为渐变段，全长54 m。每节的涵管共设有4个方孔，每个孔口的长宽尺寸均为2.4 m，涵管壁厚度达到0.5 m，箱涵底板的高程为18.98 m。

(8)防洪闸。顺水方向的总长度达到11.4 m，底板高程为18.38 m，闸顶高程为27.75 m。启闭机排架设置在防洪闸的上方，平台高程为32.75 m，闸房的房顶高程为35.95 m。此外，防洪闸门共设置一道，防洪闸有四个方形孔，高度和宽度分别为3.0 m和2.4 m。防洪闸设有C25钢筋混凝土交通桥与堤顶相连，交通桥长18.0 m，宽2.0 m。

(9)出口消能设施具体是指出口消力池，顺着水流方向的总长度达到24.0 m，净宽度为14.7 m，底板高程为16.38 m，厚度为0.5 m；消力坎顶的高程为17.28 m，采用钢筋混凝土结构，混凝土强度至少达到C20。位于消力池两侧的边墙顶高程控制在21.88～20.18 m范围内，墙顶宽度为0.5 m，采用素混凝土结构，混凝土强度需达到C20以上。消力池下游段需额外连接一段总长度达到40 m的浆砌块石护坦段，底部宽度和厚度分别为14.7 m和0.4 m。护坦顶面的高程为17.28 m，下方设有0.1 m厚的砂卵石垫层，浆砌石护坡的边坡比为1∶1.5。

总体而言，流湖大泵站一期工程中的建筑物级别分布情况如表1所示。

表1 流湖大泵站1期工程建筑物级别分布

方案二，围绕3台1800ZLQ-7型立式轴流泵进行设计。与方案1相比，拦污闸的基本设计思路无明显差异，只是4个孔的净宽降低至5.0 m，闸底板、闸顶高程等需要进行相应的调整。此外，泵房同样为堤后地面式厂房，装有3台1800ZLQ-7型轴流泵，机组间距6.1 m，水泵安装高程15.50 m，电机型号TL1250-24/2150，单机容量1250 kW。拦污闸底板高程11.60 m，水泵层地面高程16.00 m，电机层地面高程24.87 m，主厂房下部长20.3 m，宽14.7 m，安装间地面高程24.87 m，安装间位于主厂房左侧，长12.20 m，宽与主厂房相同，在主机间与安装间交接处设置一条伸缩缝，安装间下层为油库。泵房基础为砾砂。出水建筑物方面的设计与方案一相比基本无异。

两种方案投资方面的对比结果如表2所示。经过比对，尽管方案二的投资相对较少，但泵房建基面高程更低，施工期基坑排水更困难，且方案一在装机容量、运行灵活性及电气主接线方面更优，故决定选择方案一。

表2 两种方案工程量与成本对比

3 主要建筑物具体设计

基于方案一的泵站主要建筑的各项参数已在上文进行详细叙述，本段不再赘述，只围绕重要参数的计算方法进行介绍。受篇幅所限，无法一一列举出所有泵站主要建筑物的计算设计过程，只选取引水渠、拦污闸、前池、主泵房四项主要建筑物的部分设计计算过程进行介绍。

3.1 引水渠

对引水渠而言，最重要的参数为过流能力计算，见式(1)：

(1)

式中：Q为流量，m3；A为过水断面面积，m2；R为过水断面的水力半径，m；n为糙率，取0.025%；i为渠道底坡，取2.528%。

A的求解公式如式(2)：

A=(b+mh)h

(2)

式中：b为渠道底宽，取28 m；m为渠道边坡；h为过水断面水深，m。经过计算后发现，最低运行水位达到17.50 m，设计水位达到18.56 m,两种状态下对应的引水渠过流能力分别为59.16 m3/s和168.02 m3/s,均大于Q设=32 m3/s，能够满足设计要求，故可按照既定方案施工。

3.2 拦污闸

3.2.1 布置位置比选

拦污闸的位置选择方案有两种：方案一，前池与泵房检修闸之间，共设4孔；方案二，引水渠与前池交界处上游。两种方案的工程量和成本投入如表3所示。

表3 拦污闸主要工程量与成本投入对比

3.2.2 拦污闸闸孔宽度计算

拦污闸的宽度计算公式(3)为：

nb=Q/μH0V

(3)

式中：n为孔数，取4个；b为每个孔的净宽度，取6 m；Q为设计流量，取32 m3/s；μ为拦污栅过流面积折减系数，取0.7；H0为行进流速水头的堰前水头，取2.31 m；V为拦污栅过栅流速，取0.8 m/s。在最低运行水位为17.50 m工况下，拦污闸的过闸流量为16.8 m3/s。

3.3 前池

按1∶1.5边坡开挖后用400 mm厚浆砌石护坡。经过计算，土方开挖、土方填筑、浆砌石护坡及护底、砂卵石垫层、素混凝土挡墙C20、素混凝土垫层C15、闸室底板混凝土C20、闸墩混凝土C20、闸室板梁柱混凝土C25、前池底板混凝土C20、挡墙混凝土C20、钢筋工程量分别为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，总体投资为92.15万元。