張 威

（廣州市河涌監(jiān)測(cè)中心，廣州 510635）

廣州市三涌聯(lián)合補(bǔ)水工程是大型城市中心城區(qū)復(fù)雜環(huán)境長(zhǎng)距離有壓調(diào)補(bǔ)水工程， 運(yùn)行超過(guò)10 年，需要對(duì)工程所涉泵站進(jìn)行安全評(píng)估， 以確保工程安全平穩(wěn)運(yùn)行。

1 工程概況

廣州市東圃泵站是三涌聯(lián)合補(bǔ)水工程的一級(jí)泵站， 主要功能是從珠江前航道取水， 經(jīng)壓力管道（DN1800）輸送至長(zhǎng)虹調(diào)蓄湖，沿泵站進(jìn)水方向依次設(shè)置引水渠、進(jìn)水閘、前池、進(jìn)水池、泵房、壓力水箱等。該工程于2009 年6 月完工， 總裝機(jī)容量4500 kW，設(shè)5 臺(tái)單機(jī)900 kW 的單級(jí)雙吸中開(kāi)離心泵，設(shè)計(jì)揚(yáng)程37.02 m，設(shè)計(jì)流量5.775 m3/s。設(shè)計(jì)主要建筑物級(jí)別為3 級(jí)泵站，次要建筑物級(jí)別為4 級(jí)。

泵站進(jìn)水閘與珠江堤防連接， 按1 級(jí)建筑物設(shè)計(jì)，與珠江堤防標(biāo)準(zhǔn)一致，為200 年一遇，采用3 孔布置，孔口尺寸為寬（6 m）×高（3 m），孔底高程-2.50 m，另設(shè)擋水胸墻，胸墻底高程0.50 m，閘頂高程3.70 m。泵站閘室長(zhǎng)9.0 m，底板厚1.0 m，中墩厚2.2 m，邊墩厚1.2 m，閘門(mén)為平板鋼閘門(mén)，采用液壓?jiǎn)㈤]機(jī)啟閉。進(jìn)水閘基礎(chǔ)采用水泥攪拌樁，樁徑φ600 mm，等邊三角形布置，樁中心距為1000 mm，以Ⅴ層全風(fēng)化粉砂巖作為持力層。一般情況下處于常開(kāi)狀態(tài)，在珠江水位為最低運(yùn)行水位-1.25 m 時(shí)，最大過(guò)閘流速0.26 m/s，在進(jìn)行復(fù)核計(jì)算時(shí)，運(yùn)行工況下閘前后水位差不計(jì)。閘門(mén)只有在珠江遭遇設(shè)計(jì)洪水時(shí)或天文大潮時(shí)關(guān)閘擋水， 此外在前池檢修或清淤時(shí)也可作為檢修閘門(mén)擋水。根據(jù)管理單位制定的防汛應(yīng)急預(yù)案，東圃泵站遭遇洪水時(shí)關(guān)閘水位為2.5 m，如圖1。

圖1 東圃泵站平面圖

2 進(jìn)水閘復(fù)核計(jì)算過(guò)程

2.1 閘頂高程計(jì)算

2.1.1 安全加高值

根據(jù)SL265—2016《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》［1］，水閘閘頂高程應(yīng)根據(jù)擋水和泄水兩種運(yùn)用情況確定。 本水閘為引水閘，主要考慮擋水時(shí)的情況，水閘擋水時(shí)，閘頂高程不應(yīng)低于水閘正常蓄水位或最高擋水位加波浪計(jì)算高度與相應(yīng)安全加高值之和。本閘在泵站機(jī)組運(yùn)行時(shí)，最高水位為1.94 m，閘頂高程3.70 m，主要考慮擋水時(shí)的運(yùn)用情況。 東圃進(jìn)水閘最高擋水位即珠江200 年一遇洪（潮）水位2.68 m，1 級(jí)水閘最高擋水位時(shí)的安全加高為0.5 m。

2.1.2 波浪高度計(jì)算

波浪要素計(jì)算按照SL265—2016 《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算。

對(duì)于平原、濱海地區(qū)水庫(kù)，按莆田試驗(yàn)站公式計(jì)算，如式（1）。

式中hm為平均波高（m）；Tm為平均波周期 （s）；υ0為計(jì)算風(fēng)速，進(jìn)水閘最高擋水位時(shí)為特殊組合，取多年平均年最大風(fēng)速值，υ0=16.4 m/s；D 為風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度，根據(jù)規(guī)范取5 倍水閘前沿寬，120 m；Hm為水域平均水深，根據(jù)地形量取Hm=7 m；g 為重力加速度， 取9.81 m/s2。Lm為平均波長(zhǎng)（m）；H 為閘前水深（m），取5.5 m；hp為累積頻率為p 的波高 （m）；1 級(jí)水閘波列累積頻率取p=1%；hz為波浪中心線至設(shè)計(jì)水位的高差（m）；hw為波浪計(jì)算高度（m）。

波浪計(jì)算成果如表1。

表1 波浪高度計(jì)算成果

2.1.3 閘頂高程計(jì)算

閘頂高程計(jì)算成果如表2，東圃泵站進(jìn)水閘閘頂高程與珠江沿岸的防浪墻頂高程同高， 且在各工況下都高于計(jì)算所需閘頂高程，滿足規(guī)范要求。

表2 閘頂高程計(jì)算成果單位：m

2.2 抗?jié)B穩(wěn)定及揚(yáng)壓力計(jì)算

據(jù)東圃泵站的建筑布置情況， 泵站周?chē)孛娓叱叹哂谥榻唬?進(jìn)水側(cè)建筑物底板分縫處均設(shè)有止水，另外在前池斜坡段前端設(shè)有5 排排水孔；進(jìn)水閘基礎(chǔ)巖（土）層自上而下為淤泥質(zhì)細(xì)砂、全風(fēng)化粉砂巖及強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖， 前后端齒墻以下各設(shè)有2排緊密相連的水泥土攪拌樁， 深入全風(fēng)化粉砂巖約2 m。泵站正常運(yùn)行時(shí)，因流量較小，最大過(guò)閘流速僅0.26 m/s，進(jìn)水閘前后水位差可忽略不計(jì)，不存在滲流安全問(wèn)題，但在工作閘門(mén)或前池檢修時(shí)，有可能形成閘后無(wú)水的情況，根據(jù)SL265—2016《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》，采用改進(jìn)阻力系數(shù)法計(jì)算，以弱風(fēng)化粉砂巖作為不透水層。 采用改進(jìn)的阻力系數(shù)法計(jì)算閘底輪廓各關(guān)鍵點(diǎn)水頭和分段滲流坡降。

2.2.1 地基有效深度

根據(jù)閘基輪廓圖， 地下輪廓的水平投影長(zhǎng)度L0為26 m，垂直投影長(zhǎng)度S0為7.5 m，=3.47<5，地基有效深度大于實(shí)際地基深度11.9 m，取Tε=11.9 m。

2.2.2 各分段阻力系數(shù)

式中ξ0為進(jìn)、出口段阻力系數(shù)；ξy為內(nèi)部垂直段的阻力系數(shù)；ξx為水平段阻力系數(shù)；S 為板樁或齒墻的入土深度（m）；T 為地基透水層深度（m）。S1、S2為進(jìn)、出口段板樁或齒墻的入土深度（m）；Lx為水平段長(zhǎng)度（m）。

2.2.3 各分段水頭損失值

式中 ξi為各分段阻力系數(shù)；hi為各分段水頭損失值（m）；n 為分段總數(shù)。

2.2.4 進(jìn)、出口段水頭損失值修正

式中h'0為修正后的進(jìn)、 出口段水頭損失值（m）；h0為進(jìn)、出口段水頭損失值（m）；β'為阻力修正系數(shù)，當(dāng)β'≥1 時(shí)， 采用β'=1；S' 為底板埋深與板樁人土深度之和（m）；T'為板樁另一側(cè)地基透水層深度（m）。

2.2.5 滲流計(jì)算

在檢修工況下， 珠江水位按多年平均高潮位1.94 m，閘后無(wú)水。滲透壓力分布如圖2，流透坡降計(jì)算值如表3。

表3 檢修工況下水平段與出口段滲流坡降

圖2 工作閘門(mén)或前池檢修時(shí)閘基滲透壓力分布

進(jìn)水閘閘基礎(chǔ)為淤泥質(zhì)細(xì)砂， 參考SL265—2016《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》中細(xì)砂的允許滲流坡降值。滲流出口為前池底板的排水孔，根據(jù)前池底板的結(jié)構(gòu)，從下至上依次為：中粗砂厚500 mm，土工布1 層，碎石墊層厚200 mm，C15 混凝土墊層厚100 mm， 鋼筋混凝土底板厚500 mm，按照規(guī)范要求，允許滲透坡降值可加大30%。經(jīng)計(jì)算，閘基各水平段及出口段的滲透坡降均小于規(guī)范允許值。

2.3 閘室穩(wěn)定計(jì)算

2.3.1 計(jì)算工況

根據(jù)東圃泵站的布置與運(yùn)行調(diào)度情況， 泵站運(yùn)行時(shí)最大過(guò)閘流速僅0.26 m/s，進(jìn)水閘前后水位差可忽略不計(jì)，當(dāng)水泵機(jī)組停機(jī)時(shí)，進(jìn)水閘工作閘門(mén)保持常開(kāi)，閘前后水位一致，在這種情況下，閘室荷載主要為結(jié)構(gòu)自重與水的浮力，水位越高受到的浮力越大，地基應(yīng)力越小，因此在閘前后都無(wú)水時(shí)地基應(yīng)力最大。

當(dāng)水閘前后存在水位差時(shí)， 則最大地基應(yīng)力有可能超過(guò)完建工況下的地基應(yīng)力。 進(jìn)水閘在設(shè)計(jì)洪水時(shí)，關(guān)閘水位為2.5 m 高程，而珠江200 年一遇設(shè)計(jì)洪（潮）水位為2.68 m，水位差較小。在檢修時(shí)，進(jìn)水閘采用臨時(shí)的檢修閘門(mén)擋水，此時(shí)前后水位差較大。

本泵站處于Ⅶ度地震區(qū)，需要進(jìn)行抗震復(fù)核，水平向地震動(dòng)峰值加速度取0.1 g， 考慮地震遭遇設(shè)計(jì)水位的情況，采用擬靜力法計(jì)算地震作用。

綜上所述，閘室穩(wěn)定計(jì)算主要考慮檢修工況、完建工況、地震工況，各工況水位情況如表4。

表4 閘室穩(wěn)定計(jì)算工況

2.3.2 荷載計(jì)算

檢修工況荷載計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖3， 各工況荷載計(jì)算成果如表5～表7。

表5 完建工況進(jìn)水閘荷載計(jì)算

表6 檢修工況進(jìn)水閘荷載計(jì)算

表7 地震工況進(jìn)水閘荷載計(jì)算

圖3 進(jìn)水閘檢修工況荷載計(jì)算簡(jiǎn)圖

2.3.3 地基應(yīng)力

根據(jù)SL 265—2016《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》，閘室基底應(yīng)力計(jì)算公式如式（7）。

各工況的閘室基底應(yīng)力值如表8。

表8 進(jìn)水閘基底應(yīng)力計(jì)算成果

根據(jù)SL 265—2016《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》，土基上的閘室平均基底應(yīng)力小于地基允許承載力， 最大基底應(yīng)力小于地基允許承載力的1.2 倍。 東圃泵站進(jìn)水閘基礎(chǔ)為淤泥質(zhì)細(xì)砂，承載力特征值為70 kPa，基礎(chǔ)采用水泥攪拌樁處理，樁徑φ600 mm，等邊三角形布置，樁中心距1000 mm，以Ⅴ層全風(fēng)化粉砂巖作為持力層。根據(jù)東圃泵站竣工圖，水泥土攪拌樁處理后的復(fù)合地基承載力不小于143 kPa，因此進(jìn)水閘地承載力與應(yīng)力比均滿足規(guī)范要求。

2.3.4 抗滑穩(wěn)定

完建工況和正常運(yùn)行時(shí)進(jìn)水閘承受水平荷載較小，抗滑穩(wěn)定計(jì)算主要復(fù)核檢修工況和地震工況。東圃泵站進(jìn)水閘基礎(chǔ)為淤泥質(zhì)細(xì)砂， 采用水泥攪拌樁處理后填中粗砂墊層， 土基上沿閘室基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)按式（8）計(jì)算。

式中f 為底板與地基之間的摩擦系數(shù)（kPa），參考規(guī)范取0.4；ΣG 為所有垂直力的總和（kN）；ΣH 為所有水平力的總和（kN）。

抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果如表9， 各工況下進(jìn)水閘抗滑穩(wěn)定最小安全系數(shù)均大于規(guī)范允許值，滿足設(shè)計(jì)要求。

表9 進(jìn)水閘抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果

2.4 過(guò)流能力復(fù)核

東圃泵站設(shè)計(jì)流量5.775 m3/s，進(jìn)水閘底板高程為-2.5 m， 最低運(yùn)行水位為-1.25 m， 閘孔過(guò)流凈寬18 m。 在最低運(yùn)行水位下的最小過(guò)流斷面面積為22.5 m2，平均流速僅0.26 m/s。按照SL 265—2016《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行水力計(jì)算，閘前后水位差小于0.01 m，過(guò)閘水頭損失較小，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)復(fù)核，東圃泵站進(jìn)水閘結(jié)構(gòu)完整，閘頂高程、抗?jié)B穩(wěn)定性、閘室穩(wěn)定性、過(guò)流能力等均滿足規(guī)范要求，安全評(píng)價(jià)類別為一類。