象安電排站重建工程主要建筑物方案及機(jī)組選型分析

羅志江

(佛山市樵桑聯(lián)圍南海區(qū)水利所，廣東 佛山 528000)

0 引言

穩(wěn)步提升片區(qū)防洪排澇能力，有效保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全，是切實(shí)推進(jìn)區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要抓手。里水鎮(zhèn)位于佛山市南海區(qū)東北部，隨著當(dāng)?shù)爻鞘谢M(jìn)程加快，導(dǎo)致原來為魚塘洼地的可調(diào)節(jié)暴雨蓄洪區(qū)不斷縮減，進(jìn)而引起暴雨徑流加大，匯流時(shí)間縮短，內(nèi)澇威脅日益嚴(yán)重。片區(qū)內(nèi)的象安電排站位于逢涌村委西部，其始建于1982年，設(shè)計(jì)流量為5.2 m3/s，實(shí)際裝機(jī)流量5.6 m3/s，總裝機(jī)容量310 kW。由于建設(shè)年代久遠(yuǎn)，該工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏低，且設(shè)施陳舊，已無法滿足片區(qū)排澇需求[1]。根據(jù)相關(guān)上位規(guī)劃，為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)期排澇目標(biāo)，必須對現(xiàn)有電排站實(shí)施擴(kuò)容重建。本研究結(jié)合象安電排站建設(shè)實(shí)際，對其主要建筑物設(shè)計(jì)方案及機(jī)組選型進(jìn)行闡述。項(xiàng)目的研究可為我國沿海城市的防洪排澇積累建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。

1 工程建設(shè)條件

1.1 氣象水文條件

工程所在地屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，氣候溫和、潮濕，雨量充沛，夏秋多受臺風(fēng)影響產(chǎn)生暴雨。南海區(qū)多年平均降雨量為1625.4mm，年降雨量分配不均，在汛期降雨量約占全年的八成。根據(jù)南海氣象站1964-2009年實(shí)測最大24 h降雨資料可知，該站10 a一遇最大24 h降雨量為193.76 mm。區(qū)域多年平均氣溫21.9℃，最高39.2℃，最低-1.9℃。南海區(qū)平均每年受2～3次臺風(fēng)侵襲，多集中于7-9月，風(fēng)力可達(dá)12級以上。

1.2 地質(zhì)條件

擬建場地地處珠江三角洲沖積平原北部邊緣地帶，原始地貌屬構(gòu)造剝蝕丘陵地貌向三角洲海陸交互相沉積階地過渡帶，地勢平坦開闊。經(jīng)鉆探資料揭示，擬建場地主要由人工填土層(QS)、第四系海陸交互相沉積層(Qmc)及石炭系石磴子組(C1s)風(fēng)化基巖組成，工程地質(zhì)綜合剖面共分主層11層，依次是：(1)筑填土層、(2)粉質(zhì)粘土、粉土層、(3)淤泥質(zhì)土層、(4)中砂層、(5)淤泥質(zhì)土層、(6)粉砂層、(7)中(粗)砂、礫砂層、(8)粉質(zhì)粘土層、(9)淤泥質(zhì)土層、(10)中(粗)砂層、(11)微風(fēng)化巖層；透鏡狀?yuàn)A層分3層，依次是：(4-1)粉砂夾層、(5-1)淤泥質(zhì)粉砂夾層、(7-1)粉質(zhì)粘土夾層及(9-1)粉砂夾層。主要巖土層相關(guān)物理力學(xué)指標(biāo)如表1。

圖1 重建電排站地理位置圖

2 重建電排站工程概況

2.1 工程任務(wù)

象安電排站重建工程的任務(wù)是按相關(guān)規(guī)劃對其進(jìn)行重建，以徹底消除原電排站存在的防洪安全隱患，并進(jìn)一步提高片區(qū)排澇能力，保障圍內(nèi)百姓生命財(cái)產(chǎn)安全。工程主要建設(shè)內(nèi)容為擴(kuò)容重建電排站一座，包括進(jìn)水渠、攔污柵閘、進(jìn)水前池、泵房、出水箱涵、外江出口閘室、消力池等，同時(shí)配套建設(shè)堤頂硬化道路、堤內(nèi)坡腳排水溝，并整治站區(qū)環(huán)境和提升景觀綠化等。

2.2 工程規(guī)模

根據(jù)綜合徑流系數(shù)法計(jì)算得到的洪水過程[2]，得到象安電排站規(guī)劃排水流量為13.5 m3/s，設(shè)計(jì)工況下排澇流量為14.07 m3/s。

2.3 工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

(1)防洪標(biāo)準(zhǔn)：擬重建電排站所處堤圍為南花郊圍逢涌村段，外江為西南涌，其防洪標(biāo)準(zhǔn)為重現(xiàn)期20 a一遇頻率，故確定外江設(shè)計(jì)洪水位為3.96 m(P=5%)，對應(yīng)內(nèi)河涌洪水位為0.60 m。(2)排澇標(biāo)準(zhǔn)：根據(jù)相關(guān)上位規(guī)劃，排澇標(biāo)準(zhǔn)確定為十年一遇24 h暴雨一天排干且內(nèi)河涌水位控制在2.0 m以下。(3)建筑抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn) ：根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)[3],擬建場地按地震基本烈度7度設(shè)防。根據(jù)工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)確定電排站特征水位如表2。

表1 主要巖土層物理力學(xué)參數(shù)一覽表

表2 象安電排站重建工程特征水位一覽表

2.4 工程等別和建筑物級別

根據(jù)《防洪標(biāo)準(zhǔn)》(GB50201-2014)[4]、《水利水電工程等級等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》(SL252-2017)[5]、《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50265-2010)[6]等規(guī)范關(guān)于工程標(biāo)準(zhǔn)劃分的規(guī)定，結(jié)合里水鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀及城市化建設(shè)要求，確定重建工程等別為Ⅲ等，主要建筑物級別為3級，次要建筑物級別為4級，臨時(shí)建筑物(如圍堰等)級別為5級。

3 主要建筑物設(shè)計(jì)方案

3.1 工程選址及總體布置

根據(jù)現(xiàn)場情況，本著因地制宜、便于管理、技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的原則確定重建電排站的站址。經(jīng)實(shí)地查勘，象安站原內(nèi)河涌排往外江的出水口有兩處，一個(gè)為現(xiàn)有站址位置，另一個(gè)為逢涌水閘，而逢涌水閘周邊場地均為當(dāng)?shù)卮迕竦霓r(nóng)業(yè)用地，且需要在內(nèi)外涌銜接段擴(kuò)涌，會導(dǎo)致場地占用較大，征地拆遷困難，故選擇拆除舊站并在原址重建。重建電排站的主要建筑物順?biāo)鞣较蛞来尾贾脼椋簲r污柵閘、內(nèi)涌進(jìn)水渠、進(jìn)水前池、泵房、出水涵、外江出口閘室、消能池等；配套建筑物有圍墻、站區(qū)混凝土地坪及景觀綠化等。

3.2 主要建筑物方案

3.2.1 攔污柵閘

攔污柵閘位于內(nèi)涌進(jìn)水渠渠首，后接內(nèi)涌進(jìn)水渠，為三孔一聯(lián)整體結(jié)構(gòu)，每孔凈寬4.10 m，垂直水流方向總寬14.10 m；其順?biāo)飨蜷L5.00 m，閘底板面高程-1.00 m，側(cè)墻頂高程2.50 m。考慮站前河涌的垃圾以水草、枝葉、菜皮等為主，結(jié)合當(dāng)?shù)仄渌こ坦莛B(yǎng)經(jīng)驗(yàn)，擬采用人工清污。經(jīng)復(fù)核，在設(shè)計(jì)水位0.60 m時(shí)，過柵流速約為0.7 m/s，滿足設(shè)計(jì)要求。攔污柵閘為鋼筋砼結(jié)構(gòu)，邊墩及中墩厚0.45 m，底板厚0.50 m，并在閘頂下游側(cè)設(shè)寬4.00 m的交通橋，其橋面高程為2.50 m。

3.2.2 內(nèi)涌進(jìn)水渠

前接攔污柵閘，內(nèi)涌進(jìn)水渠順?biāo)飨蜷L70.66 m、凈寬13.20 m，為等寬矩形斷面；其底板面高程為-1.00 m，側(cè)墻頂高程為2.50 m，與站前道路地面平齊，并采用鋼筋混凝土U型槽結(jié)構(gòu)形式。底板厚0.50 m；側(cè)墻底部厚0.50 m、上部厚0.30 m，并在墻頂設(shè)仿木欄桿。

3.2.3 進(jìn)水前池

3.2.4 泵室

采用塊基型堤后式泵房，下部為整體現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，上部為框架結(jié)構(gòu)，縱向總長20.80 m，橫向?qū)?8.30 m，其前部3.00 m用于布置檢修閘門及安全柵；中部7.00 m用于布置副廠房；后部8.30 m用于布置主廠房及水泵安裝。主要由進(jìn)水室、水泵層、電纜層、電機(jī)層及副廠房組成。

泵室前部布置有檢修閘門及安全柵，安全柵及檢修閘門共3孔，每孔凈寬4.0 m，設(shè)3組安全柵，3孔共用1扇檢修閘門。閘底板面高程-2.60 m，底板厚0.80 m，中墩及邊墩厚0.60 m，頂高程為2.50 m。2.50 m高程處設(shè)檢修平臺，檢修平臺上方設(shè)啟閉架，并安裝5 t電動葫蘆1臺，用于起吊檢修閘門和安全柵。另在左側(cè)邊墩外設(shè)有檢修閘門門庫，門庫尺寸長×寬=5.60×3.60 m。

泵室前部布置有主廠房及水泵安裝，根據(jù)水泵進(jìn)水及機(jī)組安裝檢修要求綜合確定機(jī)組間距為4.60 m。泵室總長為14.40 m，底板厚0.80 m，中墩及邊墩厚0.60 m，其中中墩頂高程為2.50 m，邊墩頂高程為5.00 m。水泵安裝高程為止排水位0.00 m減去機(jī)組要求的淹沒深度(取1.00 m)，由此計(jì)算得到葉輪中心線高程(安裝高程)為-1.00 m。

電纜層位于水泵層上，主要是為了檢修聯(lián)軸器、電纜以及放置水循環(huán)系統(tǒng)設(shè)備及滿足檢修交通等。聯(lián)軸層寬7.60 m，底板面高程為2.50 m，距電機(jī)層面2.50 m，凈空高度基本滿足檢修人員通行要求。電纜層共設(shè)3處上下樓梯，下至-0.16 m高程的水泵安裝層，方便檢修。電機(jī)層高程根據(jù)水泵和電機(jī)軸長尺寸推算，結(jié)合站區(qū)高程安排，確定其高程為5.00 m，該高程遠(yuǎn)高于內(nèi)涌最高洪水位。

泵房電機(jī)層布置呈一字排開，機(jī)組間距4.60m，檢修間設(shè)于泵房的左端，副廠房設(shè)在主廠房的內(nèi)涌側(cè)，高低壓室、中控室設(shè)在副廠房一樓，值班室設(shè)于副廠房二樓，其中主廠房尺寸為長×寬=14.40 m×8.30 m；副廠房尺寸為長×寬=14.40 m×7.00 m；檢修間尺寸為長×寬=6.00 m×8.30 m。泵房設(shè)10 tLDA電動單梁吊車1臺用于機(jī)組安裝、檢修時(shí)的起吊。在副廠房最右端間設(shè)1處通往電纜層、副廠房的上下樓梯。根據(jù)機(jī)組最大部件的高度、安裝高程及起吊高度要求綜合確定吊車軌頂高程為12.00 m，吊車梁跨度為7.00 m。

3.2.5 出水涵

出水涵緊接泵房，橫穿南花郊圍逢涌村段，為整體底板鋼筋砼結(jié)構(gòu)，共3孔，單機(jī)單涵出水型式。出水涵分兩節(jié)，單節(jié)長11.00 m，總長22.00 m，結(jié)構(gòu)為方形箱涵，涵凈高×寬=1.80 m×1.80 m。箱涵底板面高程由0.85 m逐漸降至出口高程0.65 m，比降約1%。箱涵采用整體底板結(jié)構(gòu)，其底板、頂板、邊墻均厚0.40 m。出水涵與泵室后側(cè)、防洪閘接縫處設(shè)止水，出水涵分縫之間設(shè)砼止水環(huán)，同時(shí)設(shè)橡膠止水。出水涵出口安裝單掩上翻式閘門，安裝角度為傾斜10°，拍門孔口凈寬×高為1.80 m×1.80 m，孔口底高程為0.65 m。拍門后胸墻內(nèi)埋設(shè)φ300 mm通氣管與出水涵相通。

3.2.6 外江出口閘室

為方便檢修水泵拍門和出水涵，提高電排站防洪的可靠性，在壓力涵出口設(shè)閘室。順?biāo)飨蜷l底板長5.00 m，縱向?qū)挾?4.40 m，為三孔一聯(lián)鋼筋砼整體式結(jié)構(gòu)。外江共布置3扇側(cè)翻式單掩鋼閘門作為防洪閘門，孔口凈寬×高=1.80 m×1.80 m。防洪閘墩墻頂高程為5.00 m，底板面高程為0.15 m，邊墩和底板厚0.50 m，中墩厚0.40 m。

3.2.7 消力池段

消力池段緊接外江出口閘室，為鋼筋砼U型槽結(jié)構(gòu)，平面布置呈喇叭口型式。消力池順?biāo)飨蜷L11.50 m，共分2段，靠外江出口閘室側(cè)4.00 m長為陡坡擴(kuò)散段(寬度由13.40 m擴(kuò)大到16.00 m)，閘底板高程由0.15 m放坡至-0.75 m，側(cè)墻頂高程為5.00～3.00 m；外江段設(shè)計(jì)7.50 m長水平連接段。消力池底板和側(cè)墻底部厚0.50 m，頂部厚0.30 m。

3.3 基礎(chǔ)處理方案

象安電排站重建工程建基面高程多樣(主要表現(xiàn)為進(jìn)水渠、清污閘的建基面高程為-1.60 m，進(jìn)水前池段為-1.60～-3.50 m；泵房段的建基面高程為-3.50 m，出水口段為-0.60 m)，根據(jù)地質(zhì)勘察資料，建筑物基礎(chǔ)均位于淤泥質(zhì)土土層，分布層厚為1.6～4.9 m，承載力特征值為60 kPa。結(jié)合泵房的穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果可知，其地基應(yīng)力(92.88 kPa)大于淤泥質(zhì)土承載力特征值，故需進(jìn)行地基加固處理。雖然進(jìn)水渠、清污閘、壓力涵和出水口段的地基應(yīng)力要求較低，但考慮到它們緊鄰泵房，且采用止水連接，為防止與泵房之間產(chǎn)生過大的沉降差對止水產(chǎn)生不利影響，仍考慮對進(jìn)水渠、清污閘、壓力涵和出水口段基礎(chǔ)進(jìn)行處理。

表3 基礎(chǔ)加固處理情況一覽表

基礎(chǔ)處理如表3。經(jīng)計(jì)算，地基處理后其承載力提升至約101.78 kPa，大于上部結(jié)構(gòu)的最大地基應(yīng)力(92.77 KPa)要求。經(jīng)計(jì)算分析，泵房基礎(chǔ)處理后的沉降量為32.67 mm，小于150 mm，滿足規(guī)范要求。

4 機(jī)組選型

4.1 水泵

根據(jù)象安電排站的排澇要求，對3臺1200ZLB-125型立式軸流泵及3臺1200ZDB-125型立式潛水泵進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)、技術(shù)方案比選。計(jì)算結(jié)果表明，3臺1200ZLB-125軸流泵方案具有裝置效率相對較高、管理維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，因此推薦選用3臺1200ZLB-125立式軸流泵，設(shè)計(jì)葉片角+4度。水泵設(shè)計(jì)工作參數(shù)為：單泵流量Q=4.69 m3/s，全站設(shè)計(jì)工況下排澇流量14.07 m3/s；總揚(yáng)程H=3.45 m，水泵效率η=82.3%，軸功率N=198 kW。

4.2 配套電機(jī)

根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50265-2010)[6]相關(guān)要求，以最高揚(yáng)程工況下對應(yīng)的參數(shù)確定電機(jī)配套功率。結(jié)合機(jī)組選型計(jì)算成果，最高揚(yáng)程工況時(shí)的軸功率為226 kW。由于電機(jī)應(yīng)有5%～10%的安全備用功率，選配280 kW、490 r/mim電動機(jī)，故總裝機(jī)容量為840 kW。備用安全系數(shù)取為K=1.25，有利于提高泵站運(yùn)行的可靠度，在滿足相關(guān)規(guī)范要求的同時(shí)且有一定余量。

4.3 附屬機(jī)械設(shè)備選擇

(1)供水：由于水泵推力軸承需要冷卻水，供水量為每臺5 L/s左右，故每臺機(jī)組采用Φ20冷卻水管供水。為了節(jié)約水資源和做好供水應(yīng)急預(yù)案，該工程不采取自來水直接供水，而是利用自建循環(huán)水池供水。(2)排水檢修泵：由于泵室內(nèi)總水量要求4～6 h排干，故選用1臺100QWB70-10-5型潛水泵用于泵站檢修排水。(3)主泵房檢修起重機(jī)：因機(jī)組最大件整體式電機(jī)重約6.5 t，故選用LDA型10 t單梁橋式吊車用于機(jī)組安裝檢修起吊，其跨度為7.0 m，起升高度為12 m，起升速度為8/0.8m/min。(4)電動葫蘆：電動葫蘆共3臺，其中選用1t的手動葫蘆1臺用于攔污柵維護(hù)時(shí)起吊；選用5t的電動葫蘆1臺用于進(jìn)水池處檢修閘門、安全柵安裝起吊；并選用1t的手動葫蘆1臺用于拍門維護(hù)時(shí)起吊。

5 結(jié)語

(1)象安電排站建設(shè)年代久遠(yuǎn)，無法滿足片區(qū)排澇需求。結(jié)合擬建場地建設(shè)條件，確定在原址進(jìn)行擴(kuò)容重建。

(2)重建電排站排澇標(biāo)準(zhǔn)為十年一遇24 h暴雨一天排干且內(nèi)河涌水位控制在2.0 m以下，設(shè)計(jì)排澇流量為14.07 m3/s，主要建設(shè)內(nèi)容包括進(jìn)水渠、攔污柵閘、進(jìn)水前池、泵房、出水箱涵、外江出口閘室、消力池等。通過進(jìn)行基礎(chǔ)處理，可滿足各建(構(gòu))筑物的地基應(yīng)力及沉降要求。

(3)根據(jù)機(jī)組選型方案，泵房內(nèi)推薦設(shè)置3臺1200ZLB-125立式軸流泵，單泵流量Q=4.69 mm3/s，總裝機(jī)容量840 kW。

(4)工程實(shí)踐表明，象安電排站重建后可增強(qiáng)象安片區(qū)排澇能力，有效減少區(qū)域暴雨內(nèi)澇損失，保障了當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)的穩(wěn)步發(fā)展。工程的實(shí)施可為我國沿海城市防洪排澇積累建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。