银河泵站水闸重建工程设计及稳定性分析

罗志江

(佛山市樵桑联围南海区水利所， 广东 佛山 528200)

1 工程概况

1.1 水文地质条件

地下水相对稳定水位埋深0.2～1.5 m，地下潜水面高程0.6～2.8 m。地下水类型主要为第四系松散砂土层中的孔隙水，此外风化基岩层含有一定的裂隙水。场地内主要含水层为广泛分布的不同粒级砂土层，场地内粉细砂和粗砂厚度大，含水量丰富，顶部均有具微～极微透水性的淤泥质土或粉质黏土等，因此地下水具承压性。从地下水的赋水砂层与周围河涌或鱼塘无明显的水力联系[1-4]。

1.2 工程地质条件

筑填土：层厚平均2.32 m。很湿～饱和，主要以粉质黏土、黏土等回填而成，呈软～可塑状，黏性弱，稍固结、压实，多为鱼塘塘基土。淤泥质土、淤泥、淤泥质粉砂：为场地内主要软土层。厚度平均4.79 m。饱和，流塑，含砂或夹粉砂薄层。粉质黏土、粉土：厚度平均2.71 m。饱和，粉质黏土，可塑为主，局部软塑，含砂粒较多，局部逐渐过渡为粉土或粉砂；粉土，稍密。粉砂、细砂：为该场地内的主要地层及含水层之一。平均10.27 m。该层稳定，厚度较大，饱和，稍密为主，局部松散，中密，颗粒较均一，级配不良，含较多粉黏粒，略具塑性，局部夹粉土薄层。中砂、粗砂：为该场地内的主要地层和含水层之一。厚度平均13.18 m。该层稳定，厚度较大。饱和，稍密～中密，局部密实，颗粒较均一，含砾，且含量变化大[5]。

2 水闸设计方案

2.1 防洪排涝标准

银河泵站排水入官山涌， 官山涌常水位1.50 m，官山大泵站起排水位为1.80 m，设计水位为2.50 m，最高水位为2.73 m。由于受官山水闸的控制，官山涌外江潮汐和洪水的影响较小。因此本工程堤防穿堤建筑物应执行官山涌的防洪标准，即防洪设计水位2.73 m。首期银河泵站重建工程的排涝标准为10 a一遇24 h暴雨1 d排干。根据水位、流量及扬程进行机组选型，确定泵站总装机容量为2240 kW，设计排水流量49.04 m3/s。水闸总净宽18 m，分3孔布置，底板面高程为-1.50 m。

2.2 工程总体方案

从考虑片区内的长远发展规划，考虑水流条件和施工导流等因素出发,推荐将银河站站址往东侧偏移80 m,与主涌基本对直。目前该规划道路已经改在泵站内涌侧经过,即泵站拦污栅后120 m 考虑上述因素,本阶段总体布置做如下调整：

(1)根据实际用地条件,将建筑物整体往西侧平移约20 m。

(2)整体往西平移后,内引涌弯曲连接泵站,由于距离较近,连接较为急促。有鉴于此,结合规划道路位置的变化,拟将建筑物整体往官山主涌侧(南侧)平移40 m,使之有足够的距离,调顺内引涌与水闸泵站的连接。

(3)建筑物整体往官山主涌侧(南侧)平移40 m后,泵站出水口距离官山主涌对岸堤围距离缩短,泵站出水对其冲刷将有所加强,为此需要对官山主涌堤围进行防冲加固。

2.3 主体建筑物布置方案

根据现有地形及周围环境、水流条件等因素，初步拟定建筑物布置方案进行如下：水闸位于东侧，泵站位于西侧。水闸位于东侧，泵站位于西侧，泵站的中心线平行于水闸的中心线，两者相距34.3 m，水闸位于泵站的东侧。水闸和泵站布置在原涌口左岸的鱼塘等位置上，以便在主体建筑物施工期间利用原河涌导流，同时使工程的水流更为顺畅。

2.3.1 泵室布置

泵站建筑物由内涌引渠、清污机闸、进水前池、泵房、出水涵洞、外江防洪闸、外江连接段及其他附属建筑物组成。泵站布置方案选择根据现有地形及周围环境、水流条件等因素,初步拟定泵房为堤后式的方案。具有如下的优点:

(1)泵室建于堤后,站房不直接承受外江侧高水位的水压力,泵站地下轮廓线长度较长,容易满足防渗要求。

(2)建造出水涵洞,并在涵洞口设防洪闸,提高了防洪的安全度。

(3)不切断堤面交通,利于与周边路网连接,厂房对外交通方便,进出站房道路可利用现有堤顶路面,道路投资小。

(4)泵站位于堤后,泵房主体部分稳定性好。

2.3.2 水闸布置

银河水闸布置在泵站的东侧,水流条件较好,更有利于管理用地的布置和进站道路的安排,因此,银河水闸布置在泵站的东侧[6-7]。

可研阶段水闸闸室按常规的防洪要求布置在堤围的外江侧,本阶段将闸室移到堤围内涌侧,与泵室并齐,主要是考虑外江防洪水位不高,移入对防洪安全影响不大,与泵室平齐有利于统一管理,水闸启闭室与泵室厂房可以连在一起,建筑外观容易布置,内部管理也比较方便。

水闸建筑物由外江海漫段、外江消力池段、防洪闸、交通涵段、内涌扩散段、水闸进水引涌段组成。水闸底板面高程为-1.50 m,堤顶高程为4.30 m,拟采用涵洞式结构,其主要优点有:

(1)整体式涵洞各部构件的材料强度能较充分发挥,所以断面较小,工程量较省。

(2)各构件采用刚性固接,具有较好的抗震性能。

水闸总净宽18 m,采用3孔一联涵洞结构,每孔净宽6 m。

3 设计稳定性计算

3.1 渗流稳定性

本阶段采用渗径系数法进行计算，如式(1)：

L≥C·ΔH

(1)

式中：L为渗径长度，m；C为渗径系数；ΔH为上下游水位差，m。

泵站由进水流道及泵房、出水涵洞、防洪闸底板组成的防渗地下轮廓线水平投影长度L=65.8 m，水闸防渗地下轮廓线水平投影长度L=80.2 m。官山涌最高水位为2.73 m，进水前池水位按最不利情况考虑，此时进水前池水位为0 m，水位差为ΔH=2.73-0=2.73 m。本工程的泵站出水涵洞、泵站防洪闸和水闸等底板基础面主要位于淤泥质土层，泵房的底板基础面位于淤泥质土层～粉砂层。

考虑到部分基础换砂的影响，偏于安全，视建筑物基础为粉砂基础计算，查《水闸设计规范》(SL 265—2016)表4.3.2，粉砂的渗径系数为13～9，采用渗径系数法进行计算，计算结果如表1所示。

表1 渗漏稳定计算成果 m

由表1可知，现有渗径长度满足要求。采用改进阻力系数法进行渗流计算，计算结果见表2。

表2 渗流计算情况

考虑建基面施工换砂，偏于安全，按粉砂计，出口段渗流坡降0.13，小于规范SL 265—2016要求的0.25～0.30：水平段渗流坡降0.03，小于规范SL 265—2016要求的0.05～0.07，满足规范SL 265—2016要求。

3.2 整体稳定性

3.2.1 水闸闸室稳定性分析

本工程水闸闸室为涵洞式，为三孔一联整体式钢筋混凝土结构，每孔设置防洪闸门一道。闸室稳定按六种不同荷载组合进行计算，其相应计算条件及稳定分析成果见表3。

表3 渗流计算情况

查规范SL 265—2016表7.3.13，Ⅲ级建筑物土基的抗滑稳定安全允许值为基本荷载组合1.25，特殊荷载组合1.10，可见闸室的抗滑稳定满足规范要求。

查规范SL 265—2016表7.3.5，本工程水闸天然地基为淤泥质土，采用桩基础处理后，按中等坚实地基土质处理，则其不均匀系数的允许值为基本荷载组合2.0，特殊荷载组合2.5，计算结果表明各种荷载组合情况下地基反力不均匀系数均满足规范SL 265—2016的要求。

3.2.2 泵站防洪闸闸室

泵站防洪闸闸室为四孔一联整体式钢筋混凝土结构，每孔设置提升钢闸门一道。闸室稳定按四种不同荷载组合进行计算，相应计算条件及稳定分析成果见表4。

表4 泵站防洪闸室纵向稳定计算成果

查规范SL 265—2016表7.3.5，本工程防洪闸天然地基为粉质黏土，经预制混凝土管桩基础处理后，按中等坚实的地基土质处理，则其地基反力不均匀系数的允许值为基本荷载组合2.0，特殊荷载组合2.5，计算结果表明各种荷载组合情况下地基反力不均匀系数均满足规范SL 265—2016的要求。

查规范SL 265—2016表7.3.13，Ⅲ级建筑物土基的抗滑稳定安全允许值为基本荷载组合1.25，特殊荷载组合1.10，可见防洪闸室的抗滑稳定安全系数满足规范SL 265—2016要求。

3.2.3 泵室整体稳定分析

(1)计算工况及荷载组合。

泵室属Ⅲ级建筑物。 根据《泵站设计规范》(GB 50265—2010)要求，其整体稳定及应力分析荷载组合及计算工况要求见表5。

表5 泵室整体稳定荷载组合表

(2)计算方法。①各种工况下泵室抗滑稳定计算,如式(2)：

(2)

式中：Kc为泵室的抗滑稳定安全系数；f为泵室基础底面与地基之间的摩擦系数，取0.5；∑G为作用于泵室基础底面以上的全部竖向荷载，kN；∑H为作用于泵室基础底面以上的全部水平向荷载，kN。

②各种工况下泵室抗浮稳定计算，如式(3)：

(3)

式中：Kf为泵室的抗浮稳定安全系数；∑V为作用于泵室基础底面以上的全部重力，kN；∑U为作用于泵室基础底面上的扬压力，kN。

③基础底面应力按下式进行计算，如式(4)：

(4)

(3)稳定及应力计算成果。 以上各种工况下泵室的稳定及基底应力计算结果，见表6所示。

表6 泵室整体稳定性计算成果表

规范GB 50265—2010表6.3.5，Ⅲ级建筑物土基的抗滑稳定安全允许值为基本荷载组合1.25，特殊荷载组合1.10，可见泵室的抗滑稳定满足规范GB 50265—2010要求。

规范GB 50265—2010附录A.0.3，本工程泵站天然地基为淤泥质土，采用预制混凝土管桩基础处理后，按中等坚实的地基土质处理，则其地基反力不均匀系数的允许值为基本荷载组合2.0，特殊荷载组合2.5，计算结果均满足规范GB 50265—2010要求。

根据规范GB 50265—2010第6.3.7条泵房抗浮稳定安全系数的允许值，部分泵站等别和地基类别基本荷载组合为1.0，特殊荷载组合为1.05，可见本工程泵房抗浮稳定安全系数满足规范GB 50265—2010要求。

4 结 论

随着经济社会的发展，许多城镇的传统水闸、水泵站已经不能满足日趋增大的防洪排涝需求，本文通过佛山南海区银河泵站水闸重建过程的设计规划选址依据和评判，水工构筑物的布局选型，提出了新的设计方案，采用了渗径系数法和阻力系数法对渗流稳定性进行分析，并且对主要水工构筑物水闸闸室、泵站防洪闸室和泵室的整体稳定性进行了计算分析，结果均满足规范要求，提出的一套水泵站水闸重建工程的规划选址设计分析方案，可为类似工程提供一定的设计依据和经验。