小型泵站增设快速闸门的设计

小型泵站增设快速闸门的设计

卞漫娟

长沙市 开福区 湖南禹泉勘测设计有限公司 湖南长沙 410008

摘要：泵站建成以来，为该区域防洪治涝安全发挥了无可替代的作用，目前，二期工程3台800Kw机组在泵站出口管道设置了偏心半球阀，提高了工程运行安全性，但一期工程由于建设较早，当时设计标准低，泵站建设出水管道未设置快速闸门等安全应急设施，近几年汛期，每当外河水位较高，泵站压力管道出口拍门关闭不严、或无法关闭情况时有发生，给防汛任务带来极大的考验，危及主体工程的安全运行，严重影响大堤防洪安全。

关键词：快速闸门；结构计算；金属结构

增设快速闸门工程的实施能够提高区域的防洪保证能力，改善和提升城市生态与人居环境，促进本市各项事业特别是地产开发与旅游业的发展，对城市综合建设与经济的可持续发展具有重大的战略意义。工程的社会、经济、环境效益显著，是一项利国利民的社会公益性工程。

1、工程布置

为保证防洪安全，本次设计在现有5台泵站出口拍门背水侧新建快速事故闸门，以提升泵站的排渍能力，避免于出水管道出口拍门启闭困难、关闭不严等问题，影响汛期防汛任务，消除其对堤防安全的威胁。

参照项目区附近类似工程经验和工程现状实际情况，本次设计快速闸门采用提升钢闸门，圆涵管处闸门孔口尺寸为1.2×1.2m，箱涵处闸门孔口尺寸为2.0×2.0m，闸室布置距离现有拍门镇墩背水侧1.8m，闸室上部设启闭房。快速闸门闸室顶部高程超出设计洪水位0.56m、闸室顶部高程为38.00m，启闭房地面高程为41.30m。事故闸门采用QPK型单吊点卷扬式启闭机, 孔口尺寸为1.2×1.2m的闸门启闭机启闭力为100KN，孔口尺寸为2.0×2.0m的闸门启闭机启闭力为150KN。

2、出水管道恢复重建设计

本工程现状5台泵站出水管道为单机单管布置，2台280kW泵站为钢筋混凝土承插管，直径1.2m，管道底面高程为31.50m，管道平面布置中心线距离为3.6m；3台800kW泵站为钢筋混凝土箱涵，孔口尺寸为2.0×2.0m，箱涵地面高程为31.50m，管道平面布置中心线距离为5m。根据长沙地区类似工程经验，结合本工程实际情况，本次设计拆除段圆管管道采用钢管恢复，具体为DN1200钢管+外包C30钢筋砼（管道外包上方900mm厚，两侧600mm厚，下方1300mm厚），钢管厚度为12mm；箱涵按原箱涵孔口尺寸恢复，采用C30钢筋砼结构，壁厚均为0.5m。出水管道段主要由新老出水管连接镇墩以及钢管+外包砼等组成。

DN1200钢管采用12mm厚卷板钢管，钢管必须采用内外防腐措施处理，为确保工程运行安全可靠，钢管外侧采用C30钢筋砼外包。考虑施工支模便利，本次设计外包后的横截面为长方形，尺寸为3.4（长）×2.4m（宽）。箱涵采用原箱涵孔口尺寸进行恢复。

3、防洪堤的恢复（涉水部分）

本工程泵站出水管道的更新改造设计，需开挖堤身。参考《堤防工程施工规范》（SL260-2014）第8.9.1条规定“土堤碾压施工,分段间有高差的连接或新老堤相接时,垂直堤轴线方向的各种接缝,应以斜面相接，坡度控制：土料坡度不陡于1:2～1:2.5,高差大时宜用缓坡”，对于地质较好的穿堤管，开挖边坡取1:2.0，开挖高度每6.0m设置一个马道，马道宽1.5m；对于地质较差的穿堤建筑物，开挖边坡取1:2.5，开挖高度每4m～5m设置一个马道，马道宽1.5m。

堤身回填土用粘性土回填分层填筑，平行堤轴线方向碾压8-10遍，平行堤轴线方向与坡面应以台阶状相接，垂直堤轴线方向与坡面应以斜坡相接，应配合填筑面上升，进行削坡，边刨毛边辅土夯实，按制好接合面上的含水量，跨接合缝碾压时，应超过接合缝，搭压1.5～2m。建筑物周边回填土方，宜在建筑物强度达到设计强度70%的情况下施工；建筑物两侧填土，应保持均衡上升；贴边填筑宜用夯具夯实。

铺土层厚度宜为15cm～20cm。含水量在22%左右，填土压实度在95%以上。

并根据现有堤防防护的要求对损坏的堤坡防护设施予以恢复，如草皮护坡、堤顶道路以及二级平台等。

4、结构计算

4.1闸室稳定分析计算

1、闸室稳定计算工况

坝区地震裂度小于Ⅵ度，不考虑防震设计，根据水闸设计规范要求，计算下列几种工况，见下表：

闸室抗滑稳定计算荷载组合

2、计算公式

稳定计算按抗剪强度计算，计算公式如下：

式中：f——滑裂面上的摩擦系数

ΣW——坝基面上全部法向作用力之和，kN，向下为正

ΣP——坝基面上全部切向作用力之和，kN

[K]——允许安全系数，基本组合采用1.35；特殊组合1.2。

闸室基底应力计算公式如下：

式中： ——闸室基底应力的最大值或最小值，kPa；

∑G——作用于闸室上的全部竖向荷载，kN；

∑M——作用于闸室上的全部竖向和水平荷载对于基础底面垂直水流方向的形心轴力矩，kN.m；

A——闸室基底面的面积，m²；

W——闸室基底面对于该底面垂直水流方向的形心轴的截面矩，m³。

3、计算结果

闸室抗滑稳定及基底应力计算成果见下表：

闸室抗滑稳定及基底应力计算成果表

根据本次稳定计算结果，快速闸门闸室地基承载力和抗滑稳定均满足规范要求。

4.2闸室抗浮计算

抗浮计算取100年一遇洪水位，内坡无水（即无水）情况的最不利工况进行计算。

抗浮稳定的计算公式：

Kf=ΣW/U

式中：Kf——按抗浮稳定计算的安全系数

ΣW——闸室段的全部荷载，本次计算得ΣW =5245KN

U——作用于闸室段的扬压力，本次计算得U=4574KN

稳定及应力计算根据《泵站设计规范》进行。

经计算在最不利工况下，Kf=1.14，基本组合抗浮安全系数Kf大于规定允许[Kf]=1.10，闸室段抗浮稳定满足要求。

4.3堤身渗流稳定计算

(1) 计算工况

本次稳定分析主要考虑以下两种工况：

a、临水侧(外坡)为设计水位，背水侧(内坡)为无水时内坡的抗滑稳定；

b、临水侧(外坡)水位骤降时，外坡的抗滑稳定。

(2) 堤身渗流计算方法

稳定渗流有限元分析基本方程为：

式中：[K]——透水系数矩阵；

{H}——总水头向量；

[M]——单元储水量矩阵；

{Q}——流量向量。

非稳定渗流有限元分析基本方程为：

式中：△t——时间增量；

H1——时间增量结束时的水头值；

H0——时间增量开始时的水头值；

Q1——时间增量结束时的流量值；

Q0——时间增量开始时的流量值。

(3) 边坡稳定分析计算方法

采用毕肖普法，应用北京理正岩土系列软件进行计算。

稳定渗流期按有效应力法，计算公式为：

水位降落期抗滑稳定安全系数按总应力法，计算公式为：

式中：b——条块宽度，m；

w——条块应力，kN；w=w1+w2+ρwz·b；

w1——堤坡外水位以上的条块重力，kN；

w2——堤坡外水位以下的条块重力，kN；

z——堤坡外水位高出条块底面中点的距离，m；

Ccu——稳定渗流期堤身或堤基的孔隙水压力，kPa；

ui——水位降落前堤身的孔隙水压力，kPa；

β——条块的重力线与通过此条块底面中点的半径之间的夹角，度；

γw——水的重度，kN/m³；

Cu,φu,Ccu,φcu,C′,φ′——土的抗剪强度指标。

(4) 渗流及边坡稳定计算成果

计算结果汇总表见下表：

堤防渗流分析及抗滑稳定安全系数计算成果表

根据《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）规定：Ⅰ级堤防抗滑安全系数正常运用条件取1.30，非正常运用条件取1.20。由上表可知，本工程堤身断面内、外坡抗滑稳定安全系数均满足要求；最大渗透坡降小于土体允许渗透坡降，满足要求。

5、机电及金属结构

5.1 水力机械与电气设计

本工程内容为对泵站出水口增设5张快速闸门，泵站水力机械及电气设计维持现状。

5.2金属结构

为提高设备安全性、经济可靠性及延长设备的检修周期，设计中尽量采用先进技术和新材料；所有闸门及埋件外露面均采用喷锌及涂料封闭防腐；所有埋件与水封接触面均贴焊不锈钢板。

1）泵站出口快速闸门

2台280kW泵站出口快速闸门采用平板钢闸门，孔口尺寸为1.2×1.2m，设计水头为5.94m，孔口数量2孔，闸门数量2扇，采用QPK型单吊点卷扬式启闭机，启闭力为100KN。3台800kW泵站出口快速闸门采用平板钢闸门，孔口尺寸为2.0m×2.0m，设计水头为5.94m，孔口数量3孔，闸门数量3扇，采用QPK型单吊点卷扬式启闭机，启闭力为150KN。

参考文献：

湖南省水利水电勘测设计研究总院编制的《长沙城市防洪工程初步设计报告》，1999.12