防洪排涝站工程设计探讨

摘要：排涝站工程是现代化城市的重要基础设施，也是公用事业的重要组成部分，对城市防洪安全有着较大的影响。本文结合工程应用实例，重点围绕防洪治捞标准、水文计算、工程规模布置和设计计算等方面探讨了防洪排涝站工程的设计工作，并提出一些见解，以供参考。

关键词：排涝站；防洪标准；水文计算；排涝流量

随着国民经济建设的快速发展，政府加大了对城市基础设施建设的投资力度，各种水利设施工程数量日益增加。排涝站是城市基础设施中常见的水工建筑物，担负着城市防洪、排涝和供水等重任，在改善城市生态环境、确保居民日常生活和促进经济发展方面发挥着不可替代的作用。但目前许多泵站管理人员对于排涝站工程的设计工作并不是十分重视，加上设计人员在设计过程中无从下手，很难抓住设计的关键所在，这就造成防洪排涝站投入使用后无法发挥出应有的使用功能，严重情况下还可能出现严重的财产损失和人员伤亡。因此，加强防洪排涝站工程的设计工作就显得十分重要了。本文通过探讨防洪排涝站工程设计中各个环节的工作，希望对往后的设计工作有所帮助。

1确定防洪治涝标准

泵站设计第一步就是确定防洪治涝标准与工程规模，之后才能进行水文计算。根据国家相关规程规范的要求准确确定工程的标准和级别。有很多城市防洪工程已经列入了前期城市水利工程规划中，已明确工程的级别和标准，这类工程不需要确定标准和级别，只有复核正确就可以了。

某防洪排涝站按《防洪标准》（GB50201-94）、《堤防工程设计规范》（GB0286-98）、和《东莞市城市防洪规划报告》（修编）审查意见，确定相应防洪标准为50a一遇。该电排站的治涝标准为20a一遇，1d最大暴雨加1d污水量排出不淹重要建筑物高程。

2水文计算

水文计算一定要精准，对有疑问地方一定要反复论证，以便为确定泵站规模提供科学依据。

2.1设计排涝水量

2.1.1治涝分区与治涝标准

该电排站总汇水面积10.73km2。区内地垫南北高，中间低，一般地面高程18.50～23.00m，该区域来水皆由城市管网汇入湖区内。工业园开发前，该区域来水采用自排、电排相结合的方式排入江。根据《东莞市城市防洪规划（修编）》安排，为了统筹解决该区域治涝问题，并提高区域的治涝标准，采取改扩建原电排站成站闸结合的方案，集中将区域来水排入江。

2.1.2设计暴雨

移用与治涝区域邻近的排涝站设计暴雨为治涝区设计点暴雨，根据排涝站设计暴雨分析成果，20a一遇最大1d暴雨量为186.8mm。

2.1.3污水量

电排站污水量为居民生活污水加工业废水。目前，工业园下污水处理厂正在规划当中，还未建设。根据工业园区的建设规模及工业园区管委会相关部门的意见，在本次设计中，该区域废污水量按10万m3/d计算。

2.1.4设计排涝水量

排涝区内无流量观测资料，设计排涝水量通过设计暴雨途径推求。由于排涝区面积不大，区域暴雨点面折算系数取1.0。考虑城区房屋屋面、混凝土和沥青路面等不透水覆盖面面积大，综合径流系数取0.9；生产、生活废污水按10万m3/d计。

电排站排涝标准为20a一遇1d暴雨一日排至不淹重要建筑物高程。20a一遇最大1d暴雨为186.8mm，相应净雨水量为180.39万m3，1d内总污水量为11万m3，总水量为190.39万m3。考虑40万m3的调蓄水量后，总排水量为150.39万m3。计算成果见表1。

表1 电排站排涝计算成果表

2.2特征水位

蓄区正常蓄水位为16.0m（景观水位），最高蓄涝水位为17.50m，起调水位（即电排站起排水位）为16.50m，调蓄水深1.0m。

设计最高内水位：由于区域内调蓄较小，且区内城市建设用地高程基本已填至19m以上，电排站最高内水位按略高于地面高程确定，取为19.20m。

设计内水位：根据调蓄要求，取调蓄区平均水位为设计内水位，为16.50m。

最高运行内水位：取调蓄区最高蓄涝水位，为17.50m。

最低运行内水位：根据城市规划及排湖要求确定，为15.00m。

防洪外水位：取相应外江50a一遇洪水位，为22.22m。设计外水位：取排水期外江20a一遇最高3d平均水位，为21.65m。

最高运行外水位：取相应外江50a一遇洪水位22.22m为最高运行外水位。

最低运行外水位：采用起排内水位加0.1m作为最低运行外水位，最低运行外水位为16.60m。特性水位见表2。

表2 电排站特征水位表

3工程规模和工程布置

水文计算完成后，可进行水力学计算，计算出泵站设计排水流量，据此确定泵站规模，进行设备选型。

3.1确定排涝流量

电排站总汇水面积10.73km2。其排水量为该治涝区域内的雨水加污水量。据表1成果，区域内需排水总量为150.39万m3，按电排站日开机时间22h计，用平均排除法求得电排站的设计排水流量为18.99m3/s。

电排站为站闸结合工程，其调度运行原则的确定依据为：平均湖底高程约为14.0～14.5m，根据景观要求与市政下水管出口高程要求，湖正常蓄水位（即景观水位）为16.5m；据水文分析，电排站出口处西江汛期平均水位约16.5m；经综合分析，自排闸关闸水位和电排站起排水位确定为16.5m；最高蓄涝水位为17.5m，调蓄水深为1.0m。据此，电排站的运行方式确定为：当外江水位低于16.5m时，由自排闸控制下泄水量等于来水量并维持内湖水位为景观水位16.0m；当外江水位高于16.5m时，闸门关闭，启动电排站抽排来水并使内湖水位尽可能维持在16.5m，当来水大于排水能力时，来水滞蓄于调蓄区内，直至最高蓄涝水位；当外江水位在16.0～16.5m时，仍由自排闸自泄来水，以减少电排站的运行费用，但此时内湖水位将超出景观水位，由于超出较少，对景观水位影响不大。

3.2泵站规模和基本布置

按照《泵站设计规范》GB/T50263-97，泵站规模属中型，泵站等别为Ⅲ等，泵站主要建筑物级别为3级，次要建筑物4级。

电排站设计排涝流量为18.99m3/s，采用4台1400QZB-70型潜水轴流泵，单机功率为500kW，排涝总装机容量为2000kW，另外为湖区换水之用的提灌设计流量为2.5m3/s，采用两台700QZB-50型潜水泵，提灌装机容量为320kW，电排站排、灌总装机容量为2320kW，泵站由进水系统、泵房、出水系统、消力池及提灌系统组成。进水建筑物主要包括进水渠、检修闸、拦污栅、工作桥、前池等。

4部分要点计算详解

4.1设计扬程计算

4.1.1泵站净扬程Hst

确定内外河水位差

4.1.2装置扬程

1）进口水头损失

（计算公式查泵站设计手册公式）

包括闸墩的水头损失、拦污栅的水头损失、闸门水头损失

2）出口水头损失

3）管道损失扬程

4.1.3考虑出水池水位最大涌高电排出水时有一个出水涌高，出水池水位最大涌高计算如下：

1）最大水位涌高计算

式中：YM为最大水位涌高值，见《给排水设计手册第5册》（3-16）式；Q为水泵出水量，m3/s；L为出水总管长度，m；A为出水池面积，m2；a为出水总管断面积，m2；g为重力加速度，9.81m/s。

2）出水池至放流河道之间的全部水头损失

式中：YO为出水箱涵的全部水头损失，见《给排水设计手册》（第5册3-17式）；V为出水总管流速，m/s；C为流速系数；R为出水总管水力半径，m；ζ进为出水总管进口水头损失系数；ζ出为出水总管出口水头损失系数。

3）出水池最大涌水高程

Z=ZO+YM+YO（m） （3）

式中：ZO为放流河道最高水位。本工程出水池的水位涌高计算，按照调压塔原理分析计算，确定最大涌水位高程。

泵站设计扬程为净扬程Hst加上以上损失之和。

4.2进水闸设计计算

1）进水闸水力计算按《水闸设计规范》（A.0.1-1）公式计算：

式中：B为总净宽，m；Q为过闸流量，m3/s；（设计流量18.99m3/s）；σ为堰流淹没系数；ε为堰流侧收缩系数；m为堰流流量系数，取m=0.35；H0为计入行进流速水头的堰上总水深，m；按泵站设计内水位，设计流量控制及泵站最低内水位，设计流量的1/4控制，经计算满足上述条件，进水闸底板高程13.30m，闸孔宽度3.0m。

2）闸室抗滑稳定计算：

①抗滑稳定按《水闸设计规范》（7.3.6-1）公式计算，

式中：[Kc]为抗滑稳定安全系数允许值；Kc为抗滑稳定安全系数；ΣG为全部竖向荷载之和；ΣH为全部水平荷载之和；f为基底磨擦系数。

②水闸基底应力计算按《水闸设计规范》（7.3.4-1）公式计算。

式中：Pmax，Pmin为水闸基础底面应力的最大值或最小值，kPa；ΣM为水闸基底以上全部竖向和水平荷载对基座垂直水流向的形心轴的力矩KN・M；W为水闸基底对该面垂直水流向的形心轴的截面矩，m3。

根据进水闸各工况验算闸室稳定情况，验证闸室能否满足抗滑要求及基础能否满足承载能力。

其它常用计算在给类水力学书中都有叙述，也可参考泵站设计规范，在此就不重复介绍。

5结论

防洪排涝工程设计是一项系统性的工作，它的设计比较复杂，对技术要求也比较高。因此，在设计过程中，设计人员必须掌握正确的方法，结合防洪排涝的标准，提出一套思路清晰的设计思路，并制定出科学合理的设计方案。同时设计人员还应加强设计过程中各个环节的监控力度，从而设计出高质量高水平的排涝泵站。

参考文献：

[1] 杨晶晶.浅谈防洪排涝工程规划设计[J].城市建设理论研究.2013年第02期

[2] 张新；李静.广州市花都区城区防洪排涝规划综述[J].水利规划与设计.2013年第07期