通航河流深厚淤泥质地基超大泵站总体设计方案比选——以珠江流域西江磨刀门水道西河泵站为例

文/王丽 吴昌新 郭瑞 吴昊天 倪言波

西河泵站工程位于珠江流域西江磨刀门水道中顺大围西干堤岐江河西出口的西河水闸西侧，外临磨刀门水道，主要功能是排涝并考虑反向引水，排涝设计流量为400m3/s，引水设计流量为145m3/s。拟建泵站进出水河流均为通航河道，岐江航道等级为四级，西江航道等级为一级。根据现场勘测，拟建泵站场地地基土为海陆交互相冲淤积土，淤泥土局部掺夹薄砂层，厚度为40~60m，淤泥土以下为花岗岩层。拟建泵站位置见图1。

西河泵站初步选择站身主体采用堤身式块基型结构,采用8套竖井贯流泵机组，其中4组为双向泵，其余4组为单向泵。单机排涝流量50m3/s，反向灌溉流量36.25m3/s，水泵叶轮直径3.9m，单机配套电机功率2300k W，总装机容量18400k W，水泵与电机通过齿轮箱连接。站身结构见图2。

泵站选址

根据工程区现状地形，拟建泵站工程初步考虑位于西河水闸西侧和西河船闸东侧两个区域，详见图3-4。西河水闸西侧原为旧水闸及船闸上下游引河，宽约220m，后由新西河水闸闸槽开挖土方和岐江河疏浚土方回填，属于原中顺大围管理处直属的西河水闸管理范围，归中顺大围管理处所有，此站址用地矛盾不大。同时上下游引河开挖量较小，投资较低。管理区位于泵站和水闸之间，亦便于枢纽后期管理和调度运行。

经分析，西河船闸东侧站址存在以下缺点：

①对船闸和泵站正常运行有较大影响；水力条件差，易产生回流和涡流区

>图1 拟建泵站位置

>图2 拟建泵站结构示意图

> 图3 西河水闸西侧站址方案布置BIM图

>图4 西河船闸东侧站址方案布置BIM图

根据《水闸设计规范》第4.1.6条“水闸枢纽中的船闸、泵站或水电站宜靠岸布置，但船闸不宜与泵站或水电站布置在同一岸侧。船闸、泵站或水电站与水闸的相对位置，应满足水闸通畅泄水及各建筑物安全运行的要求”，船闸位于西河水闸和西河泵站之间，对船闸和泵站的正常运行影响较大，不利于枢纽功能充分发挥；岐江河侧位置有限，由于靠近船闸，受船闸上下游引航道影响，即使上游引河拓宽，其水力条件仍然较差，容易产生回流和旋涡区，不利于枢纽工程的正常运行。

②需要大规模征地，容易引发社会矛盾

西河船闸东侧现有滩涂为养殖池和永久性基本农田。与西河水闸西侧方案相比，东侧选址方案新增征地约620亩，补偿标准为20600元/亩。东站址征地成本比西站址高约1300万元。《中华人民共和国土地管理法》规定“永久性基本农田依法划定后，任何单位和个人不得擅自占用或者改变其用途。国家能源、交通、水利、军事设施等重点建设项目选址确实难以避开永久性基本农田，涉及农用地转用或者征地的，必须经国务院批准”。该方案相关审批程序所需时间长，而且存在许多不确定因素。

③开挖范围大，对环境影响大；新开引河土方量大、投资高

西河水闸西侧方案需新建引河约620m，开挖土方量约508400m3，西河船闸东侧方案需新建引河长约1060m，开挖土方量约869200m3，东侧开挖土方量比西侧增加约360800m3。引河开挖土方需考虑外运，按30元/m3计算，外运成本高出1000万元左右。

④距离西河水闸管理所较远，不利于枢纽运行管理

泵站位于西河船闸东侧，如果泵站管理所布置于现有西河水闸管理所处统一办公，则距离泵站较远，不利于整个枢纽运行管理；如果泵站管理所布置于泵站东侧，水闸和泵站管理分开办公，不利于枢纽运行管理。

综上所述，西河水闸西侧方案在河道流态、征地拆迁、工程投资和管理等方面均具有优势，因此泵站站址选定在西河水闸西侧。

工程布置

在综合分析地形、地质、水流、供电、施工、环境等条件基础上，充分考虑泵站8台机组中4台机组单向运行、4台机组双向运行特点，本工程布置方案选择8台机组集中布置和单向、双向机组均分布置进行技术经济分析。

方案一：机组集中布置

站外交通桥与既有堤防中心线基本重合，站内外交通桥中心线平行，间距为35m。机组一列式布置，共8台，其中4台为双向泵，兼顾灌溉。控制楼布置于东岸，靠近管理办公室，检修间布置于西岸。具体布置见图5。

方案二：机组均分布置

站外交通桥与既有堤防中心线基本重合，站内外交通桥中心线平行，间距为35m。泵站中心设中墩，两侧各布置4台机组，其中4台机组为双向泵，兼顾灌溉。控制楼设在中墩上，两岸各设一间检修间。具体布置见图6。

两方案比选

在工程设计中，从水力流态、工程建设、环境影响、运行管理、工程投资、工期等方面进行了技术经济比选。详见表1。两种方案水力流态计算分析如图7、图8所示。

表1 工程布置方案对比表

通过技术经济比较分析，机组集中布置方案在水力流态、工程建设、投资和工期等方面具有一定优势，因此本工程总体布置方案选择机组集中布置方案。

>图5 机组集中布置方案

> 图6 机组均分布置方案

>图7 方案一上下游水力流态（机组集中布置）

> 图8 方案二上下游水力流态（机组均分布置）

在总体布置方案选定基础上，判断泵站运行对上下游引航道船舶安全影响是本工程成功的关键因素。因此使用MidasNFX对所选方案上下游航道中横向流速进行数值分析。计算分析结果表明：泵站运行时，岐江河侧流速为0.35～0.88m/s，泵站进水侧流态较为平顺。距岸线50m处引河进口附近横向流速为0.16～0.29m/s，距岸线100m处引河进口附近横向流速为0.01～0.23m/s。西江侧流速为0.25～0.76m/s，泵站出口侧流态较为平顺。距岸线50m处引河出水口附近横向流速为0.08～0.36m/s，距岸线100m处引河出水口附近横向流速为0.03～0.25m/s，距岸线200m处引河出水口附近横向流速为0.05～0.15m/s。岐江河、西河靠近站身侧航道边线处横向流速均小于船行安全允许值。工程总体布置合理，满足航道安全要求。

地基处理

根据地质勘察报告，该地基下面有深厚软土层，其主要特征是天然含水量高、孔隙比大、压缩性高、强度低、中高灵敏度、欠固结、触变性、流变性、低透水性、低强度和不均匀性。

根据地基土工程力学特性，采用钻孔灌注桩和预应力管桩进行技术经济比较。

钻孔灌注桩优点包括：桩基可至持力层，沉降小，避免了沉降引起的各类问题，特别是不均匀沉降；施工设备相对较轻，施工在淤泥上进行，待填筑的施工平台垫层较薄；打桩机的移动对已施工桩的影响较小，施工噪音也较小；工艺较成熟，成桩质量易于控制；施工进度可通过增加或减少打桩机来调控，工期容易控制；桩长、桩径选择范围大，单桩承载力高于预制桩；与预制桩相比，在相同条件下，灌注桩具有更高水平承载力。其缺点是：由于地基荷载由桩基承担，地基沉降与地基土不一致，可能导致底板基础与底部地基土体间产生空隙，对地基防渗要求高；此外，在软土上施工难度大，水下浇筑混凝土难度大，易产生塌孔或缩颈，影响桩身质量，施工要求高；施工过程中如果碰到流塑状淤泥，成孔困难，需加钢护筒，增加施工成本。

预应力管桩优点有：可压实土壤，提高桩间土壤密实度；工厂预制，便于保证桩身质量；施工方便、进度快、沉降小；造价适中。缺点有：施工设备重，在施工过程中容易对已施工桩造成移位；运输、吊装要求高，施工震动、噪声大；桩间土壤容易隆起，导致桩体上浮；当桩身较长时桩端偏移较大；水平承载力低；当岩石基础倾角较大时桩体容易断裂或偏移。

综上所述，从经济角度考虑，管桩投资较小，但将管桩嵌入中风化岩工艺复杂，仍需额外投资。在技术上，随钻埋管法难以将管桩嵌入中风化岩石中，而灌注桩具有丰富嵌岩施工经验，技术较为成熟，效果良好。考虑到工程的重要性、施工技术和投资等因素，拟选用灌注桩基础处理方案。

结 论

西河泵站设计流量为400m3/s，是中国单体规模最大泵站。工程总体设计应综合考虑地形、地质、水流、潮汐、冲淤、土地征用、环境、施工、管理等因素。通过经济技术比选，项目选址合理可行；工程总体布置合适，满足泵站功能和安全运行要求；基础处理方案适应性强、投资低、工艺简单。