摘要：太浦河泵站为大（1）型泵站，具有扬程低、流量大的特点，设计对一些重大的技术问题开展了一系列试验和研究工作，并将这些科研设计成果应用于工程实践，使枢纽布置、建筑物设计、机电设备选型和布置更加合理。

关键词：太浦河泵站 枢纽布置 优化设计

1 前言
太浦河泵站位于江苏省吴江市太浦河已建太浦闸南侧，西距东太湖约2km，北距吴江市约30km，苏州市约51km。太浦河泵站是太浦河工程的重要组成部分，其工程等别属Ⅰ等工程，工程规模为大(1)型，泵站枢纽由泵房、变电站、进、出水渠、拦污栅闸、泵站交通桥等部分组成。建筑物防洪标准为100年一遇洪水设计，300年一遇洪水校核。
太浦河泵站是上海市的重点工程，水利部上海勘测设计研究院在工程施工图设计开始之初，就提出了包括13个课题的创优计划，提出了创优设计总目标及要求。随着设计的深入和课题的研究，特别是对一些重大技术问题开展了一系列试验和研究工作，通过将试验和研究成果应用于工程实践，使建筑物设计、设备选择和布置不断趋于合理。
太浦河泵站开工18个月就实现了泵站的建成以及良好的初期运行，说明了太浦河泵站的设计基本是成功的，而一个合理先进的优秀设计能有力促进工程建设。本文就太浦河泵站的设计特点简要作一介绍。
2 枢纽布置
2.1进水渠布置
根据《泵站设计规范》（GB/T50265-97）的规定，进水渠宜顺直，衬砌渠道的弯道半径不宜小于渠道水面宽度的3倍，弯道终点与前池进口之间的直线段长度不宜小于渠道水面宽的8倍。由于太浦河泵站地处富饶的太湖之滨，土地资源十分宝贵，而进水渠为新开河道。为了少占耕地，设计委托河海大学水利水电科学研究所进行了水工模型试验，试验认为：原设计为减少征地拆迁，采取较小弯道半径和引渠长度，经试验验证，只要采取适当的辅助工程措施，总体布置是可行的。通过模型试验，在进水渠入口设置导流建筑物，优化堤头体形，将弯道半径减小为2.5倍的水面宽度，弯道终点至前池进口之间的直线段长度为渠道水面宽的2.62倍，为此节省工程永久征地约231亩，节约征地投资约618万元。
2.2 泵站站桥分离布置
太浦河泵站的进水渠截断了太浦河南北两岸的主要交通通道，因此须新建交通桥与太浦闸下游侧的公路桥一起组成南北两岸的交通通道。为便于泵站运行管理、改善泵站环境，太浦河泵站采用站桥分离布置方式。
2.3 地下连续墙
由于太浦河泵站基坑采用放坡大开挖方案，又紧邻太浦河和太浦闸，基坑坡顶边线距太浦闸南侧边墩距离40m左右，距太浦河南岸堤防外河坡顶边线仅15m左右，因此基坑北侧若不加防护而直接对基坑降水，不仅有可能对太浦闸的安全造成威胁，而且基坑靠太浦河一侧的大堤内极易产生渗透破坏，进而威胁大堤及基坑的安全。因此，为确保泵站基坑、太浦闸以及太浦河南堤的安全，在太浦河与基坑之间设置混凝土防渗地连墙。混凝土地连墙采用悬挂式，成槽采用射水法施工，墙厚24cm，地连墙总长240m。
3 泵房
3.1 主泵房地基处理
泵房底板基础落在⑤层灰色粉质粘土上，地基承载力标准值为105kPa，⑤层下部为⑥层棕黄、灰绿色粉质粘土，该土层厚约5.2m，土质均一，呈硬塑状态，属中压缩性土，其承载力标准值为300kPa，是泵房基础较好的浅层持力层。在初步设计中，曾采用了预制钢筋混凝土方桩、灌注桩和水泥搅拌桩三个方案进行技术和经济比较，前两种地基处理方案几乎适用于所有的软土地基，施工经验丰富，质量易控制，但造价较高；水泥搅拌桩一般适用于软弱粘性土和粉性土地基，由于受搅拌机械搅拌能力的限制，一般不适用于地基承载力设计值大于120kPa的粘性土和粉性土，而⑤层灰色粉质粘土经宽深修正，其承载力设计值达129kPa，经综合分析，因水泥搅拌桩方案投资省、抗渗效果好以及能较好地适应地基变形等优点而被选为推荐方案。经对泵房水泥搅拌桩单桩和单桩复合地基的载荷试验，试验结果达到了预期地基加固的目的。
3.2 安装间、变电站基础处理
在初步设计阶段，安装间和变电站地基采用水泥搅拌桩进行地基处理，且临主泵房侧采用垂直开挖、水泥搅拌桩垂直围护的方案。由于水泥搅拌桩围护须达到水泥土龄期后方可开挖，而泵站施工工期又比较紧，因此在施工图阶段，泵房临安装间和变电站的水泥搅拌桩垂直围护方案改为大开挖方案，安装间和变电站地基处理改为灌注桩方案。
3.3 顶撑结构和泵房止水布置
太浦河泵站主泵房南北两侧回填土高度较高，分别为10.05m和9.55m，这给泵房的纵向稳定带来不利影响。经计算，在完建期和设计低水位工况，泵房纵向抗滑稳定不满足规范要求。经研究，在相邻的主泵房边跨底板和中跨底板的侧面，设置相向四对面积为0.9m×0.9m的顶撑结构，该顶撑结构处实行并缝处理，以抵消泵房边跨两端的水平力。
在初步设计阶段，泵房伸缩缝（顺水流方向）的止水布置是沿着泵房２m厚的底板厚度中心线布置的。为确保泵房纵向稳定，改善泵站运行时流道边墩和底板受力条件，在施工图阶段对泵房的止水布置进行了优化。将泵房顺水流方向的止水高程从上游侧-7.05m向上抬高至-１.00m，将高程-１.00m以下的下游侧伸缩缝的填缝材料改为透水材料，使缝间充满水并与泵站下游水位相通，起到平水压作用，并抵消部分泵房边跨段边墙的水平力，
3.4 泵房底板的三维有限元分析与仿真计算
太浦河泵站泵房底板采用二机一联布置,共分三块底板，底板平面尺寸为40.45m×22.50m（长×宽），底板厚为2m，底板平面尺寸大且结构布置复杂，为使底板设计尽可能与底板实际受力情况相符合，避免应力集中以及出现底板、流道顶板和墩墙等影响工程使用的裂缝问题，确保泵房底板安全，对太浦河泵站的底板与流道进行了三维整体有限元分析与仿真计算。通过对复杂结构的整体分析以及对复杂施工情况和各种环境因素进行计算机仿真模拟，确定了合理的结构布置和施工方案，确保了泵房底板、墩墙和顶板未出现可视裂缝。
3.5 泵房布置和建筑立面
在初步设计,泵站的副厂房布置在泵房上游侧的进水平台上, 因进水平台宽度受水泵进水流道布置限制，因此显得比较拥挤，且因副厂房布置，显得进水平台狭小，泵房的建筑立面也受到了很大的影响。在施工图阶段，对泵房布置和建筑立面进行了优化。将进水平台上的副厂房移入变电站内，扩大泵房南端的变电站面积，使主要电气设备集中在变电站内，便于集中管理，同时为美化泵房立面提供了条件。
太浦河泵站建筑立面追求简洁明快的现代工业建筑风格。外墙采用大面积白色及灰色涂料，点缀墨绿色装饰板及钢架，外墙立面上刻意勾出细缝，增加立面的层次。变电站顶部设计装饰构架，增加建筑的高度，创造出标志性的视觉中心。整幢建筑以浅色外墙、墨绿窗框、灰蓝色玻璃及铝塑板来加以装饰，格调高雅，极具现代感。

4 进、出水渠生态护坡
多自然型河流建设方法是目前国际上比较流行的一种河道环境综和整治的新方法，它把水边作为多种生物生息空间的核心，并把河流建设成尽量接近于自然的状态。在建设多自然型河流中，重点是努力创造出具有丰富自然的并具有魅力水边环境。为了体现环境水利的理念，美化泵站环境，与日本冲谷实业（深圳）有限公司进行了合作，对太浦河泵站进、出水渠护坡结构进行优化设计。
进出水渠生态护坡的设置高程以不影响进出水渠的过水能力为前提，根据渠道水位的变化范围和现场进行的植物调查，曾研究了在水位的不同区域的坡段内选用合适的植物。生态护坡不仅工程造价相对较低，且符合当今世界崇尚环境的思想。虽然太浦河泵站护坡优化设计与工程的实施方案有一些差异，但其以人为本、环境水利的设计理念，和生态护坡的设计原则以及试验段的一些成功的经验，仍能为以后的设计提供借鉴。
5 进、出水池翼墙
泵站进水池翼墙的最高挡土高度为13.05m，出水池翼墙的最高挡土高度为11.45m，地面高程6.00m～5.00m，在软土地基上建造如此高的挡土墙在国内是不多的。翼墙结构型式主要与挡土高度有关，经方案综合比选，选用空箱扶壁式结构。
翼墙的稳定与墙后土压力和水压力有密切关系，如何有效降低墙后土压力和水压力，对翼墙的稳定和降低工程投资将起到十分关键的作用。本工程在翼墙后采用了扁形塑料盲沟和排水软管，形成纵横交错三维的空间排水系统，降低了墙后的地下水位（尤其在施工期）；在出水池翼墙后回填土中采用了柔性筋式加筋土技术，减小了墙后土压力，解决了出水池翼墙桩基承载力不够的问题，且为以后软土地基上的高挡土翼墙的设计提供了借鉴作用。
6 水力机械
6.1 水泵选型
太浦河泵站总设计流量300m3/s，泵站最高净扬程1.64m，设计净扬程1.39m，最低净扬程0.76m,为特低扬程的大流量泵站。水泵型式与泵房的结构尺寸和工程造价都有关系。
适应特低扬程的水泵主要有斜轴伸泵和贯流泵。虽然贯流泵在特低扬程时的水力性能很好，但当时贯流泵在国内使用很少，缺乏设计、制造和使用的经验，而斜轴伸泵在国内多个泵站得到使用。选用斜150轴伸泵的优点如下；
（1）按泵站的不同扬程，斜轴伸泵可以选择不同的倾角，本泵站为斜150。小倾角的斜轴伸泵水力性能较好。
（2）斜轴伸水泵厂房开挖深度小，特别适应软土地基，有利于地基处理。
（3）斜轴伸水泵的结构较简单，电机布置在厂房地面，运行条件较贯流泵好，并且安装检修方便。水泵的结构和部件有其他泵站建设和运行的经验和教训。如大尺寸出水弯管的制造安装时的变形处理；整个水泵轴线安装定位；水泵轴承选择等。黄盖湖和盐官泵站的斜150轴伸泵的流道为太浦河泵站的流道提供了参考。
（4）总的工程造价稍低于贯流泵。
6.2 水泵结构
斜150轴伸泵由前锥管、叶轮、导叶体、出水弯管、泵轴和轴承等主要部件组成。影响水泵装置水力性能的最重要部件是叶轮、导叶体和出水弯管，经过计算机仿真数模计算和水泵装置模型验收，太浦河泵站水泵的水力性能满足招标文件的技术要求；水泵叶片采用五轴联动的数控机床加工，叶片型线和精度达到和超过了招标文件的技术要求；叶轮直径为4.1m的水泵，水导轴承相当重要，它直接影响到水泵的安全稳定运行。根据轴系受力和低速重载的特点，选用稀油润滑的滑动轴承，最大荷载443kN，由西班牙塞德瓦公司生产。
7 金属结构
太浦河泵站水泵的进出水流道宽敞，中间有隔墩，并设有三道闸门。进水口设检修门，出水流道有快速多叶拍门和快速事故闸门。水泵启动前，先提起检修门和快速事故闸门。水泵启动时，水流冲开快速多叶拍门上的6扇小拍门，避免水泵运行进入不稳定的马鞍型区域；水泵启动结束后，为减小水力损失和减轻小拍门在水流中的振动，将其提出水面。水泵停止运行或事故断流时，快速多叶拍门可以快速下降关闭，快速事故闸门也可以同时关闭或作为事故关闭，快速事故闸门的关闭时间不大于2min。检修闸门采用汽车吊提升，快速多叶拍门和快速事故闸门采用液压启闭机开启，启闭力为25t。
快速多叶拍门是太浦河泵站金属结构的特点，每扇多叶拍门的尺寸为4.0×4.701m(宽×高)，门上开设了3扇小拍门，每扇小拍门净尺寸为3.0×1.0m （宽×高），拍门开孔尺寸占闸门孔口尺寸的面积50%以上，这种结构在国内尚不多见，给结构设计带来一定的难度。根据拍门模型试验结果，对快速多叶拍门进行了优化设计。拍门铰链采用水平长园孔和圆柱轴结构，封水面设计成倾斜式，斜面与垂直面的夹角为5°，保证了拍门封水效果，为降低启闭机的容量，闸门的支承采用简支式定轮支承。
8 电工一次
太浦河泵站配套电机功率1600kW，转速1000r/min。根据泵站设计规范，宜选用同步电机。随着科学技术的发展，大功率的异步电机应用越来越广泛。在施工图阶段，进行了同步电机和异步电机技术经济比较。同步电机的功率因数特性好，可以通过调节励磁电流大小来调节电动机的功率因数，这优于异步电机，但在本泵站这个优势不突出。两种电机的技术参数（除功率因素外）差别不大，不会导致运行性能的变化和差异。由于异步电机无滑环、碳刷及励磁设备，结构较同步电机简单，日常运行维护也较方便，并且已取得丰富的运行经验。经多方面的技术比较后，用异步电机替代同步电机。
9 电工二次
太浦河泵站为上海市重点工程，泵站自动控制要求很高，可以实现无人或少人运行管理。计算机监控采用全开放式的分层分布结构。主控级的双微机为冗余热备用方式，配有投影仪、交换机、网络服务器、通信计算机等，其中交换机为施耐德公司新型的工业交换机，具有可靠性高，抗电磁干扰能力强等优点；下层设有8个现地单元控制器，分别控制6台泵组、机械部分公共设备、电气部分公共设备。现地控制单元控制器均采用智能PLC可编程序控制器并有现地显示装置，选用施耐德公司QUANTUM系列的产品，完全满足泵站自动操作和控制的要求。现地控制与主控级的通信网络为100MBPS环形光纤以太网的结构，现地控制单元控制器与各机电设备之间用现场总线连接。计算机监控系统具有足够的抗干扰能力，能长期可靠地运行；计算机监控系统的硬件和软件便于维护和检修；实时操作系统具有2年实际运行经验，软件实用、紧凑，以达到较高的系统可用率；计算机监控系统具有可扩性，以适应监控系统的发展；计算机监控系统点参数或结构配置能根据需求改变，具有可变性。
10 自动化的观测系统
本工程观测采用分布式自动化观测系统，该系统是一个开放式系统，采用先进技术，具有高度可靠性和可利用率，功能完善，性能先进，维修方便。该系统由现场测量单元和网络控制中心组成。测量单元直接与传感器相接，再通过通信电缆与其它测量单元连接，每个测量单元在分布式网络结构中都是独立的。测量单元能独立完成观测数据采集、储存、A/D转换、工程单位转换等计算。网络控制中心设于泵站控制室内。网络控制中心内的微机通过自动化监测系统标准软件，主要完成网络设置和管理、实时和定期监测和储存数据、数据库文件的管理和控制、紧急情况报告、远程通信及与其他计算机的文件传输。此外，每个测量单元都有RS232接口，以便与计算机连接。
11 结束语
为了不断改进太浦河泵站设计，施工图阶段开始就提出了进一步优化设计的总目标和要求，对地基处理、泵站底板大体积混凝土结构、高翼墙、进出水渠结构、建筑造型以及机电和金属结构设备选型、计算机监控等方面进行了一系列优化，收到了很好的效果，可为今后类似工程借鉴。上述设计特点在工程施工过程和工程初期运行中得到了初步肯定，在今后的工程长期运行中将进一步得到检验。