小流域防洪排涝影响下新建泵站的设计研究

徐广荣

(广州市花都区河涌管理中心，广东 广州 510000)

1 项目背景

项目区位于广东省东部，河流水系发达，现境内主要河流有5条截洪渠：黎村、大厚、谢岗、赵林和曹乐截洪渠，过境主要河流(内河承泄区)有潼湖水谢岗涌和石鼓水，其他小型河流还有黄京坑水、马公坑水等。五条主要截洪渠作为排洪通道排山洪入外河谢岗涌。截洪渠之间的区域为涝区，通过支渠与谢岗涌、截洪渠相连，通过泵站强排解决区域内涝。

项目区旧排站所处排水区集雨面积4.72 km2，该防涝区域含粤海西部厂区、赵林旧村、粤海大道、高标准农田等，汇水由西亚排站、鸡公石排站联合抽排到堤围外的赵林截洪渠。西亚排站装机容量840 kW，设计流量12.60 m3/s，鸡公石排站装机容量560 kW，设计流量7.66 m3/s，以上2个排站合计设计流量20.26 m3/s。

鸡公石排站在广东能源东莞谢岗调峰气电项目建设用地红线内，需要拆除。拆除鸡公石排站后，涝区的汇水由西亚排站独立抽排，按20年一遇排涝标准复核，涝区的排站所需抽排流量29.07 m3/s。西亚排站设计流量12.60 m3/s，还差抽排流量16.47 m3/s的缺口，需按流量16.47 m3/s的规模新建鸡公石新排站。

2 水文与工程地质条件

2.1 水文

项目区属于水力侵蚀为主的类型区—南方红壤丘陵区，土壤容许流失量为500 t/km2·a。不属于国家和广东省划定的水土流失重点预防区和重点治理区，水土流失类型主要是降水面蚀和地表径流冲刷引起的水力侵蚀，主要表现形式为面蚀和细沟状侵蚀。

降雨主要集中在每年4—9月份，暴雨类型主要有锋面雨和台风雨，锋面雨一般发生在4—6月，降水范围和强度大、历时长；台风雨一般出现在7—9月，范围小、历时短、强度大。一次暴雨持续时间多在三日以内，以一日为主，实测最大一日降雨量367.8 mm(东莞市气象站，1981年7月1日)。从降水量及过程特征分析，造成局部地区洪涝灾害的降水主要为短历时暴雨，其特点是暴雨历时短而强度大。

2.2 工程地质条件

拟建工程重要性等级为二级，场地和地基复杂程度等级为二级，岩土工程勘察等级为乙级。场地抗震设防烈度为6度，设计地震分组为第一组，本工程场地区类别可定义为Ⅱ类区域，地震动峰值加速度为0.05 g，设计特征周期0.35s。

勘察场地及附近未发现有岩溶、泥石流、采空区、地面沉降等不良地质现象和地质灾害。勘察场地未发现埋藏的河道、沟浜、墓穴、防空洞、孤石等对工程不利埋藏物。中风化岩层内无洞穴、临空面、破碎岩体及软弱岩层面。场区内表层主要为填土层，下层局部为淤泥质土，综合判定场地为稳定性差场地，场地适宜性差，特殊性岩土经处理后可消除其不利影响，处理后的场地可达到基本稳定区，较适宜本工程的建设。

3 工程总体布置

3.1 工程任务与等级

因广东能源东莞谢岗调峰气电项目用地需要拆除原鸡公石排站，为恢复排涝功能，需在调峰气电项目地块北侧红线外新建谢岗镇鸡公石排涝工程，保障区域洪涝安全。

本工程排站、箱涵、排渠等设计防洪标准采用50年一遇，排涝标准采用20年一遇24 h暴雨径流量1天排出基本不成灾。泵站设计流量为17.96 m3/s，根据《泵站设计标准》(GB 50265—2022)，确定工程等别为Ⅲ等，工程规模为中型。因此，本工程主要建筑物3级，次要建筑物4级，临时建筑物为5级。

3.2 布置原则

(1)确定设计标准为20年一遇24 h暴雨1 d排干，在布置新建排涝站的同时，考虑新建排涝站与现状渠道的情况，做到新旧建筑物相结合。

(2)统筹兼顾的原则。进行内涝整治的同时，要妥善处理，并充分协调好国土规划、城镇建设、市政规划及环境保护的关系，避免因整治而影响其他相关工程的规划与实施。

(3)工程措施与非工程措施并举的原则。

(4)考虑工程施工对现状交通的影响，要尽量减少施工过程对现状交通的干扰。

(5)经济合理，易于操作的原则。通过方案比选，既要安全可靠，又要经济合理，还应可操作性强，方便实施，尽量少拆迁，少占地。

工程新建排站拟建于原草埔仔水闸出口处。

4 主要建筑物

4.1 泵房

采用湿室型泵房，顺水流方向长24.00 m，宽34.62 m。泵房分主厂房、副厂房、检修间和自排闸。顺水流向长度组成为检修闸5.00 m、副厂房7.00 m、主厂房7.00 m、防洪闸5.00 m。泵房共有5跨，第一跨(顺水流方向由左往右)设闸门库及循环水池，第二至五跨设4台机组流道。泵房跨度均为4.00 m，自排闸孔宽7.00 m，合计宽度为34.62 m，其中主泵房宽25.60 m，自排闸宽9.00 m，主泵房与自排闸之间设一道分缝，缝宽20 mm。泵房共分6层，从下到上分别为流道层、水泵层、电机层、办公层、管理房层、天面层。

工程设计流量为17.96 m3/s，安装4台1200ZLB-125立式轴流泵，总装机容量为1260 kW。

稳定分析如下：

(1)计算水位。鸡公石新排站稳定计算水位组合见表1。

表1 谢岗镇鸡公石新排站稳定计算水位组合

(2)抗渗稳定计算。泵房抗渗稳定计算采用勃莱法[1]，即考虑水平渗透和垂直渗透的效果一样，采用《水闸设计规范》(SL265—2016)公式计算，如式(1)所示，泵房抗渗稳定计算如表2所示。

表2 泵房抗渗稳定计算

L=C×ΔH

(1)

式中：L为基底防渗长度，即基底轮廓线防渗部分水平段和垂直段长度的总和，m；C为允许渗径系数，该工程泵房基底为水泥搅拌桩复合地基，取6；ΔH为上、下游水位差，m。

经计算，抗渗稳定系数K>1，满足规范要求。

(3)抗滑稳定计算。计算时综合考虑设计工况、完建工况、校核工况、检修工况四种不同工况。

设计运行工况：内起排水位5.20 m，外设计水位9.50 m； 完建工况：考虑完建无水状态； 校核工况：内停机水位4.90 m，外校核水位10.30 m； 检修工况：进水池抽干，外设计水位9.50 m。

泵房基底应力计算如式(2)：

(2)

基底应力不均匀分布系数计算，如式(3)：

(3)

式中：η为基底应力不均匀分布系数；[η]为基底应力不均匀系数允许值。

(4)抗滑稳定计算，如式(4)

式中：KC为抗滑稳定性系数；f为泵房基底面的摩擦系数，取0.4；∑H为作用于泵房结构上全部水平荷载，kN。

经对各工况荷载情况分析计算，得出泵房基底应力及抗滑稳定计算汇总如表3。

表3 泵房基底应力及抗滑稳定计算汇总

由表3可知，泵房基底应力及抗滑稳定验算均能满足规范要求。

4.2 排站基础处理

排站主要建筑物地基位于淤泥层，不可采用天然基础，需要进行基础处理。地基基础处理采用常用的水泥搅拌桩复合地基和灌注桩两种方案进行比较[2-4]。

水泥土搅拌法适用于处理正常固结的淤泥与淤泥质土、粉土、饱和黄土、素填土、黏性土以及无流动地下水的饱和松散砂等地基。其优点是能防止底板产生接触冲刷，工程投资较低；缺点是地基承载力相对较低、施工进度慢，质量控制要求较高。

适用于灌注桩的持力层应为碎石层，碎石含量应在50%以上，充填土与碎石无胶结或者为轻微胶结，碎石的石质要坚硬，碎石分布均匀，碎石层厚度要满足设计要求。其优点是施工速度快，工艺成熟，安全可靠，地基承载力相对较高；缺点是基础土层与灌注桩水闸底板不均匀沉降，会出现脱层现象，从而导致接触冲刷，工程投资大。

因此，排站基础推荐采用水泥搅拌桩复合地基。复合地基的面积置换率为m，m的计算如式(5)：

(5)

式中：m为复合地基的面积置换率；Ap为桩的面积，m2；Ae为单根桩所承担的处理面积，m2。

水泥搅拌桩的桩径一般应采用Φ500 mm，桩轴心间距采用1 m×1 m，正方形布置。则计算得m为0.136。由于泵房基础淤泥深较浅，暂考虑Φ500 mm的水泥搅拌桩的桩深6 m左右，穿透淤泥层，水泥搅拌桩桩端伸入粉质黏土层。

复合地基的承载力计算按《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79—2012)规定的公式计算：单桩承载力标准值Ra分别按式(6)、式(7)计算，并取其中较小值。

(1)由桩身强度确定，如式(6)：

Ra=ηfcu，kAp

(6)

式中：Ra为单桩承载力标准值，kPa；η为强度折减系数，取0.3；fcu，k为与搅拌桩桩身加固土配比相同的室内加固水泥90 d龄期无侧限抗压强度平均值，kPa；Ra为单桩竖向承载力标准值；Ap为桩的截面积，m2。

计算得出Ra为88.20 kPa。

(2)按摩擦力确定，如式(7)：

Ra=UpqsL+αqpAp

(7)

式中：Up为桩周长，m；qs为桩周土的摩擦力，对淤泥可取6 kPa，粉质黏土取25 kPa；L为桩长，取6 m；α为承载力折减系数，取0.5；qp为桩端地基土承载力标准值，粗砂取180 kPa。

按照式(7)计算，Ra为150.99 kPa。

因此，单桩承载力标准值Ra取值为88.20 kPa。

复合地基承载力计算如式(8)：

(8)

式中：fsp，k为复合地基的承载力，kPa；m为面积置换率，取0.196；β为桩间土的强度发挥系数，规范取β=0.75～0.95，四洲水闸为河口挡洪排水闸，对沉降要求控制较高，按规范β可取小值，本次计算取β=0.75；fs，k为桩间土的承载力，取50 kPa。

复合地基承载力，大于水闸基础最大基底应力81.53 kPa，满足要求。因为水闸位于地震基本烈度6度地区，不做调整，所以水泥搅拌桩间距为1.0 m×1.0 m。

4.3 自排闸

草铺仔水闸经安全鉴定为三类闸，同时鸡公石新排站选址草铺仔水闸东侧，进水箱涵与草铺仔水闸位置重叠，本次设计拟将草铺仔水闸拆除，其排涝功能并入鸡公石新排站自排闸。

经水文计算，自排闸设计净宽7.00 m，较适宜的孔数有一孔和两孔。一孔单孔净宽7.00 m，优点为较符合规范单孔数的要求，缺点是闸门较大，制作安装时精度要求高，闸门起闭相对笨重。两孔单孔净宽3.50 m，优点为闸门相对较小，制安精度较好控制，操作方便，缺点是闸孔为双数，为防止折冲水流，需对称开启。经比较，拟采用方案一，自排闸设一孔，单孔净宽7.00 m。

自排闸布置在泵房北侧，顺水流向24.00 m，垂直水流向9.00 m。闸底板面高程3.50 m，闸顶面高程11.50 m。自排闸设一道闸门，净宽×净高=7.00 m×3.50 m。自排闸共5层，分别为流道层、检修层、办公层、管理层和天面层[5]。

5 结 语

本研究依托广东地区谢岗镇鸡公石排涝站新建工程，由于现状排涝设施排涝能力不足，需新建排涝设施，代替原有排站以及缓解内涝问题。项目实施后，项目区泵站的排涝流量将达到17.96 m3/s，工程排涝标准20年一遇24 h暴雨1 d排干，且基本不成灾的标准。抽排能力满足排涝的需求，保障了区域洪涝安全。