基于城市区域水环境优化的活水泵站工程设计与应用研究

陈淑华

(佛山市南海区九江水利所，广东 佛山，528000)

0 引言

随着城市化进程的加快，对水资源的不合理利用问题愈加突显，制约着城市的可持续发展，为此进行以水系沟通、活化水体为目的的活水工程对于城市水系建设和维持至关重要[1]。九江镇为广东省佛山市南海区辖镇，九江水系南北主涌排出口处于西江九江段下游水资源保护区范围内，水质目标为Ⅱ类，主涌内河水质难以达标。在取水口进行水质检测时，南北主涌排口封闭导致九江镇引水无法从排口排出，无法改善水质，使得镇区排涝及水资源调节体系受到很大程度的制约，九江水系优化调整迫在眉睫。

现有关于城市水系治理的研究主要集中在水系连通调度[2－4]、水质检测及雨污治理[5，6]、水系空间规划[7]、海绵城市水系与生态修复[8－10]等方面。在上述研究的基础上为改善南北主涌、十三湾主涌水质，本工程兴建九江镇沙口活水泵站，引入活水，增加英雄水系水量，增强水流动力，并从活水泵站工程设计与应用论证其在活水工程的价值，可为类似城市水系活化提供参考。

1 工程规划及地质概况

1.1 工程规划

根据«南海区活水规划报告»英雄水系活水规划主要活水路线是通过人字水引水泵站、河清引水泵站与会龙闸加挂泵引水泵站引水，通往南北主涌，由沙口泵站排出至西江。但是南北主涌排出口(沙口泵站位置)处于鲤鱼洲取水口等西江九江段下游水资源保护区范围内，该保护区范围内水质目标为Ⅱ类，南北主涌内河水质难以达到该要求。如果鲤鱼洲取水口进行水质检测时，南北主涌排口需要封闭，出现九江镇引水无法从南北主涌排口排出，无法改善南北主涌的水质，使得镇区排涝及水资源调节体系受到很大程度的制约，此次水系优化方案研究为后续镇区水系整治调整提供重要依据。

在封闭南北主涌排口期间，本工程在沙口水闸内涌连接段内增设泵室闸门水泵，从西江引水，增强河涌水体流动性，使河涌南北主涌流动，最终流入顺德河涌，排到外江，从而改善相关河涌水质属于近期工程计划，增设新水泵的引水流量为6m3/s，满足规划引水的要求。工程规模为小(一)型，工程等别为Ⅳ等，主要建筑物为4级，次要建筑物为5级，临时性建筑物为5级。

1.2 特征水位

1.2.1 内涌水位

九江内河涌水位一般保持不低于0.50m，平时保持1.0m～1.5m，按南北主涌水位0.5m～1.5m、按设计引水流量6m3/s。相应水位:

(1)设计工况:引水内涌设计运行水位为1.25m。

(2)校核工况:引水内涌最高运行水位为1.50m。

1.2.2 外江水位

根据附近甘竹水文站资料统计，历年最低水位平均值为－0.496m，为了提高引水保证率，则水泵前水位为－0.5m。

1.2.3 各种工况水位组合

(1)设计工况:外江泵前水位0.00m，相应内涌水位取南北主涌控制水位1.25m。

(2)校核工况:外江泵前水位－0.5m，相应内涌水位取南北主涌最高水位常水位1.50m。

1.3 工程地质条件评价

(1)堤身下主要为稍压实的筑填土(粉质粘土)，堤基土主要为流塑状的淤泥质土、松散状的粉砂，属软弱地基土。按«岩土工程勘察规范»(GB 50021－2001)的划分，工程重要性等级为二级工程、场地等级为中等复杂场地、地基等级为中等复杂地基。

(2)场地内的地下水主要赋水层为第四系砂土层，或淤泥质土层内砂土薄夹层，含水量较丰富，与河水有弱水力联系。

(3)第3层粉砂平均K20＝5.70×10－5cm/s，属弱透水性，含较多粉粘粒，易发生以管涌为主的渗透变形。各岩土层力学参数详见表1。

表1 岩土层力学参数

2 工程总体布置设计

工程充分利用现有水利工程及河涌条件，结合现状，因地制宜地进行全面的规划和综合治理。

2.1 工程总体布置

为了减少泵站对原有船闸正常运行的影响，泵站布置在船室与后闸首连接处，保留现有的挡土墙与后闸首，泵室内布置门槽与工作桥，顶面设启闭室，4台水泵布置在闸门中间，为了减少垃圾对水泵的影响，在船闸前闸首的现有检修门槽安装拦污栅，管理室布置在船室旁边，内布置水泵启闭设备。工程拟采用全贯流卧式电泵，考虑到不影响现有的船闸的运行，全贯流卧式电泵的对进水要求不高的特点，泵室采用开敞进水型式。工程布置平面图如图1。

图1 活水泵站布置

主要建筑物布置如下:

(1)泵室的布置

为了减少泵站对现有船闸正常运行的影响，泵站布置在船室与后闸首连接处，保留现有的挡土墙与后闸首，新建泵室仅仅减少了船室的长度。

泵站的4台700QGWZ－160J水泵布置在闸门中，水泵中心距离2.0m，考虑－0.5m水位引水需要，底板面高程为－2.40m。泵室采用单孔箱涵结构，总长15m，宽度为11.4m～7.4m，底板厚600mm厚，顶板厚600m。泵室底板面高程与前后连接的船室底板高程一样为－1.4m，中间通过1∶4.0降低到底板面最低点为－2.40m。顶板面高程为5.0m。泵室中间布置门槽，门槽两侧工作桥与检修桥。

图2 泵室纵剖面

(2)启闭室的布置

泵室面高程5.00m，考虑水泵检修，闸面要求提升到5.00m高程以上，所以上部设置启闭室，闸面预留孔口，以备闸面和水泵通过，启闭室内安装2×16t卷扬机，启闭室底安装1台5t电动葫芦方便水泵的检修。

(3)拦污栅的布置

为了减少垃圾对水泵的影响，在船闸前闸首检修门槽内设置拦污栅，加建工作桥，考虑通航要求，拦污栅上部设置启闭机，可以将拦污栅底部提升到4.0m高程以上，不会影响到船的进出。

(4)泵站控制室的布置

电气设备布置在船室旁边，设置单层厂房内安装水泵控制柜。厂房为尺寸为7m×5m。

2.2 主要水工建筑稳定性计算及复核

(1)渗流稳定分析

本阶段采用允许渗径系数法进行计算，即:

式中:L——渗径长度(m)；△H——上下游水位差(m)；C——渗径系数。

地质钻探显示本工程建基面以下是淤泥质壤土，根据«水闸设计规范»，壤土渗径系数C＝3～5。本工程设计最高水位情况水位差最大△H＝1.500＋0.50＝2.00m，要求渗径大于6.0m～10m。泵室计入齿墙后实际渗径长度为15m，实际渗径长度显然满足规范要求。

(2)泵室稳定计算

泵室为联合整体结构，属Ⅳ级建筑物，整体稳定分析主要计算四种情况，即完建填土无水、设计排水情况、校核排水情况三种情况。计算结果如表2所示。

表2 泵室整体稳定计算成果

根据«泵站设计规范»(GB 50265－2010)，4级建筑物土基的抗滑稳定安全允许值为:荷载基本组合为1.20，荷载特殊组合Ⅰ为1.05，可见泵室的抗滑稳定满足规范要求。

本工程泵站天然地基为淤泥质土，其地基承载力不满足竖向荷载的要求，必须对基础进行处理。

2.3 建筑基础处理

根据地质报告，各地建基面主要位于淤泥质土，属高压缩性土层，该层承载力特征值为fak＝70kPa。泵室地基反力最大为75.75kPa，大于70kPa，所以本阶段采用人工基础处理。根据本工程实际，参照类似的基础处理的经验，本工程的泵室为单体结构，不存在沉降差的影响，对泵室闸室打木桩处理，桩长5m，尾径100mm，桩体起到挤密，减少沉降的与增加承载力的效果。

泵室地基采用木桩基础，单桩长5m，尾径ϕ＝100mm，木桩位于淤泥质土厚5.0m(侧阻力特征值取8kPa)，不考虑桩端承载力。单桩竖向承载力特征值为12.56kN。木桩基础每0.5m×0.5m布设一根。

图3 木桩基础布置

根据«建筑地基处理规范»(JGJ 79－2002)，复合地基承载力按以下列公式估算:

式中:fspk为复合地基承载力特征值，kPa；m为面积置换率；Ra为单桩竖向承载力特征值，kPa；AP为桩端截面积，m2；β为桩间土承载力折减系数，取0.80；fsk为处理后桩间土承载力特征值，无实验成果时可取天然地基土承载力特征值。

根据以上公式，木桩复合地基承载力计算成果见表3所示。

表3 复合地基承载力估算成果

可以看出pk≤fspk，pkmax＝75.75kPa<1、2fspk，因此复合地基承载力满足规范要求。

本工程泵站控制室为单层厂房，基底压力不大，对地基承载力要求不高，参照类似的基础处理的经验，泵站控制室采用筏板基础。

3 电排站机组选择

本工程设计扬程1.25m，最高扬程2.00m，均小于10m，扬程较低，水力损失小，结构流道平直，故本工程水泵类型选择及卧式轴流泵。根据上述基本资料，结合拟建场地，现阶段可选用4台QGWZ－160J型全贯流潜水泵与3台700GQB－160一般贯流泵进行比较。其技术参数和要求如表4所示。

表4 初选方案参数

(1)方案一:700QGWZ－160J水泵

根据«机电排灌设计手册»，水泵总水力损失△h＝△h1＋△h2＋△h3＝0.1017Q2。水泵装置性能曲线如下:

1设计工况:H设计＝1.40＋0.1017Q2；

2最高工况:H校核＝2.00＋0.1017Q2。

图4 700QGWZ－160J全贯流潜水电泵综合特性曲线

将上述曲线叠加于水泵性能曲线图上，从而求得水泵的工作点参数，详见表5所示。

表5 700QGWZ－160J水泵机组工作点参数

(2)方案二:700GQB－160水泵

根据«机电排灌设计手册»，水泵总水力损失△h＝△h1＋△h2＋△h3＝0.1017Q2。水泵装置性能曲线如下:

1设计工况:H设计＝1.40＋0.1017Q2；

2最高工况:H校核＝2.00＋0.1017Q2。

图5 700GQB－160泵综合特性曲线

将上述曲线叠加于水泵性能曲线图上，从而求得水泵的工作点参数，详见表6所示。

表6 700GQB－160水泵机组工作点参数

从上述分析可知，两个方案设计、最高、平均扬程工况水泵工作点基本在高效区运行，而且两个方案水泵均基本能满足设计流量及扬程要求。最终从泵站装机流量及装机容量来看，方案一较好，装置效率较高，安装检修方便，土建结构简单，工程投资大为减少。而且由于水泵与电机同轴，运行平稳，噪音小，使用寿命长。

水泵在结构设计及施工中为满足降低引水最低水位的要求，需降低底板高程，挂泵闸底板最低点设置为－2.4m，比上下游底板连接段降低1.0m，增加水泵吃水。

4 结论

本文从城市水系活化治理的角度出发，为改善南北主涌、十三湾主涌水质，引入活水，增加英雄水系水量，增强水流动力，兴建九江镇沙口活水泵站工程，引水流量为6.0m3/s。泵站在方案对比论证的基础上安装4台700QGWZ－160J型水泵，每台电机功率65kW，总装机容量260kW，实际总装机流量6.0m3/s，可满足规划流量要求。工程建设后可实习水系沟通、活化水体，服务于该地区经济社会与生态建设。

本文主要研究基于城市区域水环境优化的活水泵站工程设计与应用，该工程涉及海绵城市的应用，表现在引清释污、活化水体与农业灌溉等作用，后续应展开专项研究。