象安电排站重建工程主要建筑物方案及机组选型分析

罗志江

(佛山市樵桑联围南海区水利所，广东 佛山 528000)

0 引言

稳步提升片区防洪排涝能力，有效保障人民生命财产安全，是切实推进区域经济发展的重要抓手。里水镇位于佛山市南海区东北部，随着当地城市化进程加快，导致原来为鱼塘洼地的可调节暴雨蓄洪区不断缩减，进而引起暴雨径流加大，汇流时间缩短，内涝威胁日益严重。片区内的象安电排站位于逢涌村委西部，其始建于1982年，设计流量为5.2 m3/s，实际装机流量5.6 m3/s，总装机容量310 kW。由于建设年代久远，该工程设计标准偏低，且设施陈旧，已无法满足片区排涝需求[1]。根据相关上位规划，为实现远期排涝目标，必须对现有电排站实施扩容重建。本研究结合象安电排站建设实际，对其主要建筑物设计方案及机组选型进行阐述。项目的研究可为我国沿海城市的防洪排涝积累建设经验。

1 工程建设条件

1.1 气象水文条件

工程所在地属亚热带海洋性季风气候，气候温和、潮湿，雨量充沛，夏秋多受台风影响产生暴雨。南海区多年平均降雨量为1625.4mm，年降雨量分配不均，在汛期降雨量约占全年的八成。根据南海气象站1964-2009年实测最大24 h降雨资料可知，该站10 a一遇最大24 h降雨量为193.76 mm。区域多年平均气温21.9℃，最高39.2℃，最低-1.9℃。南海区平均每年受2～3次台风侵袭，多集中于7-9月，风力可达12级以上。

1.2 地质条件

拟建场地地处珠江三角洲冲积平原北部边缘地带，原始地貌属构造剥蚀丘陵地貌向三角洲海陆交互相沉积阶地过渡带，地势平坦开阔。经钻探资料揭示，拟建场地主要由人工填土层(QS)、第四系海陆交互相沉积层(Qmc)及石炭系石磴子组(C1s)风化基岩组成，工程地质综合剖面共分主层11层，依次是：(1)筑填土层、(2)粉质粘土、粉土层、(3)淤泥质土层、(4)中砂层、(5)淤泥质土层、(6)粉砂层、(7)中(粗)砂、砾砂层、(8)粉质粘土层、(9)淤泥质土层、(10)中(粗)砂层、(11)微风化岩层；透镜状夹层分3层，依次是：(4-1)粉砂夹层、(5-1)淤泥质粉砂夹层、(7-1)粉质粘土夹层及(9-1)粉砂夹层。主要岩土层相关物理力学指标如表1。

图1 重建电排站地理位置图

2 重建电排站工程概况

2.1 工程任务

象安电排站重建工程的任务是按相关规划对其进行重建，以彻底消除原电排站存在的防洪安全隐患，并进一步提高片区排涝能力，保障围内百姓生命财产安全。工程主要建设内容为扩容重建电排站一座，包括进水渠、拦污栅闸、进水前池、泵房、出水箱涵、外江出口闸室、消力池等，同时配套建设堤顶硬化道路、堤内坡脚排水沟，并整治站区环境和提升景观绿化等。

2.2 工程规模

根据综合径流系数法计算得到的洪水过程[2]，得到象安电排站规划排水流量为13.5 m3/s，设计工况下排涝流量为14.07 m3/s。

2.3 工程设计标准

(1)防洪标准：拟重建电排站所处堤围为南花郊围逢涌村段，外江为西南涌，其防洪标准为重现期20 a一遇频率，故确定外江设计洪水位为3.96 m(P=5%)，对应内河涌洪水位为0.60 m。(2)排涝标准：根据相关上位规划，排涝标准确定为十年一遇24 h暴雨一天排干且内河涌水位控制在2.0 m以下。(3)建筑抗震设防标准 ：根据国家标准《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)[3],拟建场地按地震基本烈度7度设防。根据工程设计标准确定电排站特征水位如表2。

表1 主要岩土层物理力学参数一览表

表2 象安电排站重建工程特征水位一览表

2.4 工程等别和建筑物级别

根据《防洪标准》(GB50201-2014)[4]、《水利水电工程等级等级划分及洪水标准》(SL252-2017)[5]、《泵站设计规范》(GB50265-2010)[6]等规范关于工程标准划分的规定，结合里水镇经济发展现状及城市化建设要求，确定重建工程等别为Ⅲ等，主要建筑物级别为3级，次要建筑物级别为4级，临时建筑物(如围堰等)级别为5级。

3 主要建筑物设计方案

3.1 工程选址及总体布置

根据现场情况，本着因地制宜、便于管理、技术可行、经济合理的原则确定重建电排站的站址。经实地查勘，象安站原内河涌排往外江的出水口有两处，一个为现有站址位置，另一个为逢涌水闸，而逢涌水闸周边场地均为当地村民的农业用地，且需要在内外涌衔接段扩涌，会导致场地占用较大，征地拆迁困难，故选择拆除旧站并在原址重建。重建电排站的主要建筑物顺水流方向依次布置为：拦污栅闸、内涌进水渠、进水前池、泵房、出水涵、外江出口闸室、消能池等；配套建筑物有围墙、站区混凝土地坪及景观绿化等。

3.2 主要建筑物方案

3.2.1 拦污栅闸

拦污栅闸位于内涌进水渠渠首，后接内涌进水渠，为三孔一联整体结构，每孔净宽4.10 m，垂直水流方向总宽14.10 m；其顺水流向长5.00 m，闸底板面高程-1.00 m，侧墙顶高程2.50 m。考虑站前河涌的垃圾以水草、枝叶、菜皮等为主，结合当地其它工程管养经验，拟采用人工清污。经复核，在设计水位0.60 m时，过栅流速约为0.7 m/s，满足设计要求。拦污栅闸为钢筋砼结构，边墩及中墩厚0.45 m，底板厚0.50 m，并在闸顶下游侧设宽4.00 m的交通桥，其桥面高程为2.50 m。

3.2.2 内涌进水渠

前接拦污栅闸，内涌进水渠顺水流向长70.66 m、净宽13.20 m，为等宽矩形断面；其底板面高程为-1.00 m，侧墙顶高程为2.50 m，与站前道路地面平齐，并采用钢筋混凝土U型槽结构形式。底板厚0.50 m；侧墙底部厚0.50 m、上部厚0.30 m，并在墙顶设仿木栏杆。

3.2.3 进水前池

3.2.4 泵室

采用块基型堤后式泵房，下部为整体现浇结构，上部为框架结构，纵向总长20.80 m，横向宽18.30 m，其前部3.00 m用于布置检修闸门及安全栅；中部7.00 m用于布置副厂房；后部8.30 m用于布置主厂房及水泵安装。主要由进水室、水泵层、电缆层、电机层及副厂房组成。

泵室前部布置有检修闸门及安全栅，安全栅及检修闸门共3孔，每孔净宽4.0 m，设3组安全栅，3孔共用1扇检修闸门。闸底板面高程-2.60 m，底板厚0.80 m，中墩及边墩厚0.60 m，顶高程为2.50 m。2.50 m高程处设检修平台，检修平台上方设启闭架，并安装5 t电动葫芦1台，用于起吊检修闸门和安全栅。另在左侧边墩外设有检修闸门门库，门库尺寸长×宽=5.60×3.60 m。

泵室前部布置有主厂房及水泵安装，根据水泵进水及机组安装检修要求综合确定机组间距为4.60 m。泵室总长为14.40 m，底板厚0.80 m，中墩及边墩厚0.60 m，其中中墩顶高程为2.50 m，边墩顶高程为5.00 m。水泵安装高程为止排水位0.00 m减去机组要求的淹没深度(取1.00 m)，由此计算得到叶轮中心线高程(安装高程)为-1.00 m。

电缆层位于水泵层上，主要是为了检修联轴器、电缆以及放置水循环系统设备及满足检修交通等。联轴层宽7.60 m，底板面高程为2.50 m，距电机层面2.50 m，净空高度基本满足检修人员通行要求。电缆层共设3处上下楼梯，下至-0.16 m高程的水泵安装层，方便检修。电机层高程根据水泵和电机轴长尺寸推算，结合站区高程安排，确定其高程为5.00 m，该高程远高于内涌最高洪水位。

泵房电机层布置呈一字排开，机组间距4.60m，检修间设于泵房的左端，副厂房设在主厂房的内涌侧，高低压室、中控室设在副厂房一楼，值班室设于副厂房二楼，其中主厂房尺寸为长×宽=14.40 m×8.30 m；副厂房尺寸为长×宽=14.40 m×7.00 m；检修间尺寸为长×宽=6.00 m×8.30 m。泵房设10 tLDA电动单梁吊车1台用于机组安装、检修时的起吊。在副厂房最右端间设1处通往电缆层、副厂房的上下楼梯。根据机组最大部件的高度、安装高程及起吊高度要求综合确定吊车轨顶高程为12.00 m，吊车梁跨度为7.00 m。

3.2.5 出水涵

出水涵紧接泵房，横穿南花郊围逢涌村段，为整体底板钢筋砼结构，共3孔，单机单涵出水型式。出水涵分两节，单节长11.00 m，总长22.00 m，结构为方形箱涵，涵净高×宽=1.80 m×1.80 m。箱涵底板面高程由0.85 m逐渐降至出口高程0.65 m，比降约1%。箱涵采用整体底板结构，其底板、顶板、边墙均厚0.40 m。出水涵与泵室后侧、防洪闸接缝处设止水，出水涵分缝之间设砼止水环，同时设橡胶止水。出水涵出口安装单掩上翻式闸门，安装角度为倾斜10°，拍门孔口净宽×高为1.80 m×1.80 m，孔口底高程为0.65 m。拍门后胸墙内埋设φ300 mm通气管与出水涵相通。

3.2.6 外江出口闸室

为方便检修水泵拍门和出水涵，提高电排站防洪的可靠性，在压力涵出口设闸室。顺水流向闸底板长5.00 m，纵向宽度14.40 m，为三孔一联钢筋砼整体式结构。外江共布置3扇侧翻式单掩钢闸门作为防洪闸门，孔口净宽×高=1.80 m×1.80 m。防洪闸墩墙顶高程为5.00 m，底板面高程为0.15 m，边墩和底板厚0.50 m，中墩厚0.40 m。

3.2.7 消力池段

消力池段紧接外江出口闸室，为钢筋砼U型槽结构，平面布置呈喇叭口型式。消力池顺水流向长11.50 m，共分2段，靠外江出口闸室侧4.00 m长为陡坡扩散段(宽度由13.40 m扩大到16.00 m)，闸底板高程由0.15 m放坡至-0.75 m，侧墙顶高程为5.00～3.00 m；外江段设计7.50 m长水平连接段。消力池底板和侧墙底部厚0.50 m，顶部厚0.30 m。

3.3 基础处理方案

象安电排站重建工程建基面高程多样(主要表现为进水渠、清污闸的建基面高程为-1.60 m，进水前池段为-1.60～-3.50 m；泵房段的建基面高程为-3.50 m，出水口段为-0.60 m)，根据地质勘察资料，建筑物基础均位于淤泥质土土层，分布层厚为1.6～4.9 m，承载力特征值为60 kPa。结合泵房的稳定计算结果可知，其地基应力(92.88 kPa)大于淤泥质土承载力特征值，故需进行地基加固处理。虽然进水渠、清污闸、压力涵和出水口段的地基应力要求较低，但考虑到它们紧邻泵房，且采用止水连接，为防止与泵房之间产生过大的沉降差对止水产生不利影响，仍考虑对进水渠、清污闸、压力涵和出水口段基础进行处理。

表3 基础加固处理情况一览表

基础处理如表3。经计算，地基处理后其承载力提升至约101.78 kPa，大于上部结构的最大地基应力(92.77 KPa)要求。经计算分析，泵房基础处理后的沉降量为32.67 mm，小于150 mm，满足规范要求。

4 机组选型

4.1 水泵

根据象安电排站的排涝要求，对3台1200ZLB-125型立式轴流泵及3台1200ZDB-125型立式潜水泵进行了经济、技术方案比选。计算结果表明，3台1200ZLB-125轴流泵方案具有装置效率相对较高、管理维护方便等优点，因此推荐选用3台1200ZLB-125立式轴流泵，设计叶片角+4度。水泵设计工作参数为：单泵流量Q=4.69 m3/s，全站设计工况下排涝流量14.07 m3/s；总扬程H=3.45 m，水泵效率η=82.3%，轴功率N=198 kW。

4.2 配套电机

根据《泵站设计规范》(GB50265-2010)[6]相关要求，以最高扬程工况下对应的参数确定电机配套功率。结合机组选型计算成果，最高扬程工况时的轴功率为226 kW。由于电机应有5%～10%的安全备用功率，选配280 kW、490 r/mim电动机，故总装机容量为840 kW。备用安全系数取为K=1.25，有利于提高泵站运行的可靠度，在满足相关规范要求的同时且有一定余量。

4.3 附属机械设备选择

(1)供水：由于水泵推力轴承需要冷却水，供水量为每台5 L/s左右，故每台机组采用Φ20冷却水管供水。为了节约水资源和做好供水应急预案，该工程不采取自来水直接供水，而是利用自建循环水池供水。(2)排水检修泵：由于泵室内总水量要求4～6 h排干，故选用1台100QWB70-10-5型潜水泵用于泵站检修排水。(3)主泵房检修起重机：因机组最大件整体式电机重约6.5 t，故选用LDA型10 t单梁桥式吊车用于机组安装检修起吊，其跨度为7.0 m，起升高度为12 m，起升速度为8/0.8m/min。(4)电动葫芦：电动葫芦共3台，其中选用1t的手动葫芦1台用于拦污栅维护时起吊；选用5t的电动葫芦1台用于进水池处检修闸门、安全栅安装起吊；并选用1t的手动葫芦1台用于拍门维护时起吊。

5 结语

(1)象安电排站建设年代久远，无法满足片区排涝需求。结合拟建场地建设条件，确定在原址进行扩容重建。

(2)重建电排站排涝标准为十年一遇24 h暴雨一天排干且内河涌水位控制在2.0 m以下，设计排涝流量为14.07 m3/s，主要建设内容包括进水渠、拦污栅闸、进水前池、泵房、出水箱涵、外江出口闸室、消力池等。通过进行基础处理，可满足各建(构)筑物的地基应力及沉降要求。

(3)根据机组选型方案，泵房内推荐设置3台1200ZLB-125立式轴流泵，单泵流量Q=4.69 mm3/s，总装机容量840 kW。

(4)工程实践表明，象安电排站重建后可增强象安片区排涝能力，有效减少区域暴雨内涝损失，保障了当地经济的稳步发展。工程的实施可为我国沿海城市防洪排涝积累建设经验。