东凤镇四埒西水闸及泵站工程设计及选泵要点

彭伟轩

广东中灏勘察设计咨询有限公司 广东 中山 528405

1 工程概况

为了能够深度地探究泵站设计以及选泵的要点，本文以东凤镇四埒西水闸及泵站工程为例进行分析，工程项目地处于中山市北部东凤镇，五乡联围西北部，总面积56.24km2。处于西江下游的小榄水道与鸡鸦水道之间，北临鸡鸦水道，与佛山市容桂街道办事处和中山市的南头镇隔水相望，西与佛山市顺德区杏坛镇以容桂水道相隔，东与中山市阜沙镇接壤，南临小榄水道，与中山市小榄镇隔水相望。现状：四埒西水闸位于东凤镇沿江路，位于永安路永兴街和沿江路交汇处，西北方向700m处，位于五乡联围的五乡联围东凤堤段西线3+953处，是一处主要的水闸，建成于1958年，至今已有62年的历史，于1995年完成了一次加固，其工程老化以及设备损坏问题严峻，会存在大量的工程隐患问题，现状四埒西水闸安全类别评定为“四类闸”。该工程主要是对其进行原址改造，由水闸重建和新建泵站组成。四埒西水闸自排区控制集雨面积为4.83km2。工程重建水闸1座，净宽10m，单孔，闸底板面高程-1.60m，设计流量为57.52m3/s；新建泵站1座，设计排水流量为5.3m3/s。

该项目需要严格遵照相关的规范标准进行设计，完成规划选址、可研立项、初步设计审查、施工图设计审查等一系列的行政审批手续，在上述审批过程中经过多次复核论证，优化设计方案最后方可动工建设[1]。

2 东凤镇四埒西水闸及泵站工程设计

2.1 基础处理及基坑支护设计

本工程勘察区表层普遍分布有一定厚度的填筑土层，分布不均匀，组成成分复杂且不均匀，压缩性差异大；其下分别为淤泥质土、淤泥质砂、淤泥质土、粉质黏土、淤泥质砂、砾砂，下部为花岗岩风化带。其中淤泥质土和淤泥质砂层物理力学性质差、承载力低；粉质黏土分布不连续、厚度较小，且有下卧软弱层；砾砂体的物理机械性能指数良好，承载率高，但其结构不连续、不匀、分级不合理；在下层的岩体风化区，其物性和机械性能指数均优于其他类型。在堤坝底板，交通桥，海漫，消力池，护坦，翼墙等基础土中，存在着较高的自然含水量、孔隙比、敏感性、压缩性、强度低、物理力学性能差、承载力低，属于软黏土，容易出现横向滑动或挤压现象，对上部结构的稳定性和变形造成一定的不利作用。在基础土中上部的淤泥质和淤泥质砂层的抗冲蚀性能较差，其他的岩土具有良好的抗冲蚀性能。该项目在设计时，要充分考虑软弱土层的抗冲蚀性能，使建筑物地基在最大冲刷深度下有一定的深度，从而避免建筑物因水流冲蚀而失去稳定。

根据地基特性结合工程界常用处理方式，设计中考虑对砼钻孔灌注桩基础、预应力砼管桩基础、水泥土搅拌桩复合基础三种方案进行比选。

建筑物下布置钻孔灌注桩，可彻底消除地基土液（软）化的影响和地基土呈互层结构的问题，对于软土深厚（大于50m）及软弱下卧层埋深大的地段该方案有明显优点，同时，它也可以有效地改善结构的垂直承载力和横向推力。而钻孔灌注桩的优势在于它是一种不挤土法或较少的土体，且不会对周围的环境造成任何的污染；可随地层的不同而改变，易于调整承载层高度的变动，并能穿越各种软硬夹层；高的承载量和较高的桩体刚性；但其缺点在于对工程质量的严格控制，工程建设速度缓慢，而且需要布置好的场地以利于地基的排水，会对周围的环境造成一定的影响。

预应力砼管桩施工方便，施工进度快，承载力高，桩身质量容易控制，且施工时可通过压桩机的压力控制，使每根桩承载力大致相等，或根据所计算的荷载状态来调整每根桩承载力，从而降低建筑物的非均质性。预应力砼管桩缺点在于施工机械笨重、桩身噪声大、挤土大、桩径小、受地层和桩长限制较大、施工中对周围建筑物有一定的影响等。

水泥土搅拌桩复合地基最大限度地利用了原土，无振动，无噪音，无污染，对周围的环境没有任何的影响。在桩身施工中，搅拌器的搅拌作用以及产生的震动和排水作用可以使桩间土壤更加致密，而搅拌桩对原有土壤进行加固可以改善基础的抗滑移性能，增强基础的稳定。水泥混凝土桩的缺陷在于对桩的质量控制有很大的局限性，如果不能很好地进行控制，容易出现断粉、断桩、桩的强度分布不均等问题，从而对桩的成桩效果造成很大的负面作用，桩的强度满足设计强度所需要的龄期比较大，需要在成桩28d后进行，造成工程基础建设进度相对缓慢。

设计中考虑对泵站及水闸采用钻孔灌注桩基础、预应力砼管桩基础两种方案进行比选，在受力性能方面均能满足受力及变形要求（竖向沉降及水平侧移）；从工程角度来看，由于钻孔桩的机械结构轻、对场地和配套设备的需求少，可以确保工程的质量，但是工期相对缓慢；但由于预应力混凝土管桩的机械结构比较笨重，对场地和配套设备的要求也比较高，而且由于现场空间狭小，周围房屋稠密，因此必须采取对预应力砼管桩的施工。根据工程地质调查结果，提出了采用钻孔灌注桩法进行地基加固的施工方案。

本工程位于东凤镇西干堤，外临小榄水道，河道堤身由人工填筑而成，其组成成分主要为黏土和砂粒，含碎石，组成与分布不均匀，压实度较差，物理力学性质较差；堤基自上而下分别为淤泥质土、淤泥质砂、粉质黏土、砾砂和花岗岩风化带，其中自身稳定性差，抗滑移、抗冲刷能力较弱，在垂直荷载及水平推力作用下易产生不均匀沉降或过量沉降、剪切破坏等，从而导致河道岸坡塌方失稳。本工程设计重视开挖边坡及基坑稳定问题，在开挖时考虑采用钢板桩进行支护并采用相应的排水措施，要求不可在基坑周围去堆载，保证基坑及开挖边坡安全[2]。

2.2 工程布置设计

四埒西水闸及泵站工程总体布置如下：

泵站布置在现状水闸内河右岸，泵站厂房布置于泵站上部，其右侧水闸箱涵段上部布置安装检修间和副厂房，其左侧也布置副厂房；水闸及泵站防洪闸并排布置在旧水闸外江侧；水闸采用箱涵穿堤连接内河、泵站防洪闸采用箱涵穿堤连接泵站；箱涵顶布置堤顶道路、堤顶路兼做进厂房道路。

泵站自内而外分别由引水渠、内河消力池、进水前池、主泵房、出水前池、外江消力池、出水渠等组成；水闸自内而外分别由内河侧连接段、内河消力池、闸室、外河消力池、外河连接段等组成。详见下图1。

图1 工程总平面布置示意图

3 选泵要点

3.1 水泵选型的原则

水泵是泵站的最主要设备，它直接关系到泵房布置、工程造价、运行费用等，对水泵选型遵循以下原则。

3.1.1 满足泵站设计流量和设计扬程的要求，整个机组有实际运行经验。同时要求设计扬程工况在高效区运行，最高扬程工况机组安全、稳定运行，配套电动机不超载。

3.1.2 日常运行、维护方便，运行费用较低，维护的技术难度低。

3.1.3 泵站总体造价较低。

3.1.4 有多种泵型可供选择时，应考虑机组运行可靠性、运行费用、主机组费用、辅助设备费用、土建投资、主机组事故可能造成的损失等因素进行比较论证，选择综合指标优良的水泵[3]。

3.2 水泵设计参数

根据水文分析计算成果，四埒西泵站外河特征水位、特征扬程、设计流量等主要设计参数见下表1。

表1 四埒西泵站设计特征参数表

3.3 水泵选型

四埒西泵站设计排涝流量5.3m3/s，设计扬程4.36m，最大扬程5.36m，选取全贯流泵和轴流泵两种泵型进行比较。该设备采用潜水电机和行星齿轮传动技术，适合于5m以下的泵站，结构简单，机电设备投资少，流道效率高。垂直轴流泵是一种常规的排水泵，采用电动机和泵分开的方式进行，技术成熟，应用广泛。设计流量和扬程均可达到四埒西泵站设计的设计指标，且效率均较高，现从以下几个方面对这两种泵型进行技术比较。

3.3.1 从使用功能角度分析，两种泵型均能满足排涝功能，此外，还可以利用一些技术来进行逆向抽水泵，以达到提高内河水质的目的：“S”形桨叶技术可以逆向抽水泵，其特征在于其流道形式与单向水泵完全一致，具有较高的流量利用率、结构简便、投资省等优点。立式轴流泵可采用“X”型流道实现双向抽水，但其流道效率比常规钟型或肘型流道低很多，结构复杂，造价比常规单向排涝泵站高。但轴流泵方案可通过装设叶片全调节机构以适应不同流量的排涝要求，特别是在超标准暴雨时可将叶片调到+4°运行，可大大加大泵站排涝流量[4]。

3.3.2 从运行管理角度分析，全贯流泵电机与水泵为一整体，管理及维护工作量小，检修时只需用起重机将水泵吊出即可进行，由于机组集成化程度高，密封性要求严格，故检修需运回厂家进行；立式轴流泵机组安装检修比潜水贯流泵麻烦，费用高。

3.3.3 从土建投资角度分析，采用全贯流水泵无须工厂，节省了建设资金。高、低压配、中央控制室设置于出水流道之上，不需要另外设置辅助设施，节省了大量的用地。

3.3.4 从技术成熟角度分析，垂直轴流泵是目前我国排水泵厂普遍使用的一种类型，技术较为完善；在低扬程大流量泵站中采用全贯流泵相比，其优越性显著。

综合比较两种泵型的优缺点，本工程泵型拟选用全贯流泵。

3.4 泵型确定

新建四埒西泵站年利用小时数很低，根据《泵站设计规范》（GB 50265-2010）规定，可不设备用机组。新建四埒西泵站功能要求既有排涝要求，也同时具备引水要求。经过比选，本工程选用全贯流泵。四埒西泵站设计流量为5.3m3/s，设计扬程4.36m，最高扬程5.36m。根据泵站流量及扬程参数，初拟选用2台1000QGLNS-125型全贯流泵。水泵流量及扬程均可达到该泵站的要求，根据特性图，水泵在扬程及扬程均可正常工作，扬程运行时的排水量均可达到设计指标，并可在高效率区域内正常工作[5]。

4 结束语

综上所述，东凤镇四埒西水闸及泵站工程在进行设计以及选泵的过程中，要考虑工程总体布置的合理性，基础处理的可靠性及水泵运行的高效性，让工程能够更加的安全、经济、协调、美观。