茅舍岭排涝站设计方案分析与研究

蔡浩龙

（清远市清新区清西防汛工程管理所，广东 清远 511500）

1 概述

随着广东省清远市清远区经济的飞速发展，城市化面积不断扩大，涝区蓄滞洪能力下降，河道侵占现象严重，导致河道过水断面不断减少，排水能力下降，内涝频繁发生。当区域内暴雨与外江较高水位相遇时，主要依靠排涝站向外强排，达到防洪排涝的目的。茅舍岭排涝站位于清西片区茅舍岭子排涝区，是区域内的核心排涝站。茅舍岭排涝站所在的清西围堤防已达到50年一遇防洪标准，属2级堤防；但是排涝站的主要建筑物级别是3级，达不到2级水工建筑物的防洪标准。当初设计的排涝标准为5年一遇24 h暴雨产生的径流量4 d排干，排涝标准低，已不能满足社会发展的要求，每当遇到暴雨台风都会造成内涝，经济损失极大。同时，排涝站建筑物经过几十年的运行，破败不堪，存在严重的安全隐患，迫切需要进行更新改造。

2 工程设计分析

2.1 设计规模

茅舍岭排涝站控制排涝区属沿海性南亚热带气候，降雨年内分配不均匀，降雨集中在4月至9月，多年平均降雨量为2 133.6 mm。10年一遇最大24 h设计暴雨产水量为3 570.10万m3。按3 d排干，每天开机22 h，则设计排水流量为：Q3天=W总/T=3 570.1×10 000/（22×3 600×3）=150.3 m3/s。

茅舍岭排涝站控制区内建有山塘泵站，扣除其设计排水流量为16.5 m3/s。根据经验及本工程实际情况考虑：堤围渗漏量取0.05 m3/s，堤围长约68.8 km，则堤围渗漏量为3.44 m3/s；闸涵渗漏量取每米0.01 m3/s，闸涵总宽为294 m，则闸涵渗漏量为2.94 m3/s；估算工程建后排涝区内居民总人口45万，综合用水定额为180 L/p.d，则生活污水排放量为3.75 m3/s，最终得到茅舍岭泵站总设计排水流量为144 m3/s。

经复核计算，茅舍岭排涝站总装机容量12 000 kW，工程等别为I等大（2）型，装有6台10 kV、2 000 kW立式同步全调节轴流泵机组；水泵叶轮直径2 700 mm，拦污栅配装清污装备。永久性主要建筑物按2级设计；永久性次要建筑物按3级设计；设计防洪标准为50年一遇，校核防洪标准为200年一遇。

2.2 排涝站轴线选择及设计方案的比选

茅舍岭排涝站安全鉴定为三类，要求进行技术改造。根据研究论证，技术改造费用较大，推荐重建方案，因此按重建考虑布置工程方案。考虑到茅舍岭排涝站规模较大，在一个枯水季节使其达到抽排水条件可能性比较低，因此在工程具体布置时遵循尽可能利用现有泵站、水闸进行施工导流及减少永久征地的原则［1-2］，结合水闸现有位置及可能的重建位置等综合考虑后，初步选择两种布置方案。

方案一：重建泵站布置于茅舍岭水闸的右侧，利用现有水闸及茅舍岭大站进行导流。规划茅舍岭水闸（另外立项建设）重建位置位于现状水闸左侧。管理区布置在茅舍岭旧站与大站的前池处。

方案二：重建泵站布置在现有茅舍岭水闸处（该方案成立的前提条件是在茅舍岭泵站开工之前完成茅舍岭水闸的重建）。利用重建后的水闸及茅舍岭在旧站、大站进行导流。规划茅舍岭水闸重建位置位于现状水闸右侧。

方案一较方案二对茅舍岭水闸何时重建没有要求，不需要征用佛山市三水区的土地，不需要开挖临时导流明果，便于施工内围堰的布置；因此本阶段推荐采用方案一。

2.3 工程总体布置

茅舍岭排涝站站址位于清西围上茅舍岭水闸的右侧，排涝站布置于清西内坑河末端，外临佛山市三水区南山镇漫水河，采用6台2700ZLQ25—5.4型立式轴流泵机组，采用正向进水和正向出水的方式。泵站采用堤后式布置方案，泵站中心与大堤中心线垂直布置，与水闸中心线平行布置［3-4］。自内河向外河顺水流大向依次布置有：内河连接段、清污桥、前池、泵房、出水涵、防洪闸、外河连接段等建筑物。泵房上部垂直水流方向自左向右依次布置有安装检修间、主厂房、副厂房，管理楼一部分结合副厂房布置。

（1）清污桥

清污桥位于前池入口处，为钢筋混凝土槽形整体结构，共分10孔，每5孔一联，底板面高程为2.70 m。顺水流方向长度16.0 m，垂直水流方向总宽度57.6 m，单孔冲宽5.0 m，总净宽50 m。为方便前池清淤、检修，同时为避免内河大量杂物进入排涝站前池，顺水流方向每孔依次布置有前池检维闸门（为平板钢闸门，平时横卧在闸墩顶上，兼作人行桥）、清污机。另外，为便于搬运垃圾杂物，在清污机后设清污桥，并配套皮带机运输垃圾。

（2）前池

前池连接清污桥与泵房进水流道，将水流平顺地导入水泵的进水流道，前池顺水流方向长度17.0 m。前池采用分离式矩形结构，两侧为钢筋混凝土扶壁式挡土墙，中间为钢筋混凝土护坦，挡墙顶高程10.5 m，护坦面高程2.7～-0.7 m；首端过水断面宽度56 m，末端过水断面宽度53.4 m。

（3）进水流道形式选择

茅舍岭排涝站所选水泵叶轮直径2.7 m，为大型水泵，其进水流道直接影响水泵叶轮进口断面的流速和压力分布，对水泵的性能有很大影响。本工程排涝站采用块基型泵房，进水流道和底板浇成整体流道形状和尺寸直接影响本站的工程投资和施工难易［5］。因此，对大型泵站的进水流道有更高的设计要求。

大型立式泵的进水流道形式主要有钟形、肘形及簸箕形三种。三种流道在国内外大中型泵站中均有应用，流道效率均比较高［6］。相比而言，肘形流道相对其他两种流道的特点是高度较大而宽度较小，即开挖深度最大但开挖宽度最小；簸箕形进水流道相对其他两种流道特点是高度较小而宽度较大，即开挖深度相对最小但开挖宽度相对最大；钟形进水流道介于肘形与簸箕形之间［7］。考虑到本工程泵闸下卧土层存在有粉砂、砾砂等土层，若开挖较深，施工难度比较大。另外，为了尽可能降低前池挡墙高度，本次设计推荐采用簸箕形进水流道。

（4）泵房

本工程排涝站采用块基型泵房，与进水流道合建。泵房由主厂房、副厂房及安装检修间组成，副厂房紧挨着主厂房布置在其右侧，安装检修间布置在左侧。主厂房自下而上分4层：进水流道层、水泵层、联轴层和电机层。

（5）防洪闸和出水口

防洪闸结合出水涵布置，出水涵末端设置拍门，拍门外设防洪闸门，按1机1涵布置，共布置6孔，每3孔一联。闸室采用钢筋混凝土整体式结构，单孔净宽6.7 m；闸室顺水流方向长22.7 m，垂直水流方向总宽度54.1 m。出水涵净宽由2.8 m渐变至6.7 m，防洪闸配套闸门选用平面滚轮钢闸门。采用卷扬式启闭机启闭，启闭机置于钢筋混凝土框架结构启闭机房中，启闭台面高程21.0 m。启闭机房垂直水流方向宽度为54 m，顺水流方向宽度为4.2 m，总建筑面积为226.8 m2。为方便运行操作，可由启闭房两侧楼梯进入启闭机房。为使排涝站出水与外江水面衔接平顺，减少水流对河床冲刷，在出水口靠近闸室段设15 m长、0.5 m厚钢筋混凝土护底，两侧挡墙根据墙高不同采用钢筋混凝土扶壁或混凝土重力式挡墙结构。

2.4 水力计算

（1）清污机过水流速计算

前池水位为设计运行内水位7.5 m，清污机处的过水净面积144.49 m2，排涝站设计流量为144 m3/s，过栅流速0.9 m/s，满足规范要求的机械清污过栅流速可0.6～1.0 m/s的要求。

（2）进水流道进口流速计算

进水流道进口处的过水净面积为3.9 m（净高）×7.5 m（总净宽）=29.25 m2（单台机组）。根据计算，单台机组设计流量为24.0 m3/s，则进水口设计流速为0.82 m/s，满足规范要求的进水流道进口断面处流速宜取0.8～1.0 m/s的要求。

（3）出水流道出口流速计算

出水流道出口处的过水净面积为2.8 m（净高）×5.6 m（总净宽）=15.68 m2（单台机组）。根据计算，单台机组设计流量为24.0 m3/s，则出口流道设计流速为1.51 m/s，流道出口装有拍门，满足规范要求的出口装有拍门出口流速不宜大于2.0 m/s的要求。

（4）泵站消能防冲计算

因泵站出水为淹没出流，经计算其下降水深满足淹没水跃的要求，可不设消力池；但考虑排涝站出口水流较大，对下游仍有一定程度的冲刷。为削减水能，减小出水流速，分散水流，避免水流对河底的冲刷；同时结合消能防冲设计，在出口设有混凝土护坦和干砌石护底进行消能。

2.5 抗渗稳定性计算

本工程防渗段包括铺盖段（即护坦段）、防洪闸段和泵房段。根据地质勘察资料，其地基土上层为填土、粉质粘土、粉土，由于本工程地基土为复杂地基，本阶段采用有限元法进行渗透稳定计算，允许渗流坡降出口段取0.65。经分析最不利计算工况为：外河侧为泵站校核运行水位14.70 m，内河侧为最低运行水位6.28 m。经计算，出口段比降为0.56，满足允许渗流坡降要求，即本工程布置的防渗排水设计满足渗透稳定性要求。

2.6 泵房稳定分析计算

（1）计算工况及荷载组合

将3台机组的泵房作为计算单元进行稳定分析，则作用于泵房的主要荷载有自重、静水压力、扬压力（包括浮托力、渗透压力）、土压力、其他荷载等（见表1）。

表1 泵房稳定计算工况及荷载组合表

（2）泵房稳定及应力计算结果

泵房稳定及应力计算包括泵房沿基础底面的抗滑稳定计算、抗浮稳定计算、泵房基底应力、基底应力不均匀系数的计算。对泵房在各种运行工况下进行稳定计算（见表2）。

表2 泵房稳定计算成果表

由表2可以看出，抗滑、抗浮稳定安全系数、基底应力不均匀系数均满足规范要求。泵房底板坐落在粉土层上，据地质勘察结果，该土层的承载力特征值为130 kPa，修正后地基承载力特征值为178.14 kPa。在完建工况下，最大应力185.48 kPa小于1.2倍的土层允许承载力（粉土）213.77 kPa；平均应力154.16 kPa也小于粉土的允许承载力178.14 kPa，满足规范要求；因此泵房地基不需进行地基处理。

3 结语

茅舍岭排涝站于2017年建成并投入运行，经过5 a的运行观测，泵站布置合理，水泵选型合适，工作效率高，达到了排涝与灌溉的双重目的，设计思路及方法得到了验证。排涝站工程主要建筑物选型在排涝站初步设计中是一项非常重要的工作，要根据地形地质、水文条件，充分论证主体工程布置方案以及泵站对基础的适应性能，并对当地水文气象的适应能力、施工条件、工程安全性和工程投资等方面进行综合比较分析，最终选择适合工程的最优方案。