三维流道在瓜洲泵站工程设计的应用

苏叶平,吴佩峰,张梦颖,吴东恒

(1.江苏省水利勘测设计研究院有限公司，江苏 扬州 225009；2.江阴市水利工程公司，江苏 无锡 214431)

瓜洲泵站工程是扬州市城市防洪工程的重要组成部分，具有防洪、排涝等综合功能。泵站共6台水泵机组，设计流量为170m3/s，确定泵站规模为大(2)型，泵站等别为Ⅱ等；水工建筑物等级：泵站、上下游防渗段翼墙为主要建筑物，建筑物等级为2级；本工程防洪标准取100年一遇设计，200年一遇校核[1]。

在大型泵站工程设计中，为了减少土建工程量，提高整个泵站工程运行效率，专门设计专用进出水流道。瓜洲泵站站身设计采用肘形进水流道和虹吸式出水流道。肘形进水流道的特点是高度较大而宽度较小，可得到很好的水力性能；虹吸式出水流道主要优点是运行方便可靠，水泵停机时可通过真空破坏阀破坏虹吸，切断水流[2][3]。瓜洲泵站站身及进出水流道单线图如图1—2所示。

图1 瓜洲泵站站身示意图

1 三维进出水流道建模

大型泵站工程进出水流道水力设计方法是通过三维CFD流场计算逐一优化流道几何参数[2- 5]，通过CAD方法和技术升级、扩充原流道CAD功能调整流道几何线型[6]，流道几何参数并没有固定的参考及约束函数，进出水流道几何模型需要通过复杂的曲面建模。瓜洲泵站进出水流道水力优化设计研究已委托高校并最后定型，其模型特点是进水流道由进口断面逐步缩小过渡到圆形出口，即方变圆；出水流道由圆形进口断面逐步扩大过渡到方形出口，即圆变方。通过进出水流道单线图导入建模软件，并依据单线图建立各个断面，再通过曲线组形成曲面设计成型。瓜洲泵站进出水流道三维几何模型如图3所示。

2 站身混凝土工程量计算

采用进出水流道型式的泵站工程，涉及到站身工程量计算，以往方法是通过进出水流道单线图，每隔几个断面取断面平均值乘以平均长度，累计叠加计算获得进出水流道体积，再加以扣除，即平均断面法，该方法缺点是计算量有一定的误差。三维法是通过三维进出水流道建模，可直接得到流道体积，该方法计算量误差很小，准确度很高。

瓜洲泵站进水流道体积为338.933m3，出水流道扣除水泵井筒内及相交部分后体积为373.868m3；根据以往平均断面计算方法，进水流道体积为402.192m3，出水流道扣除水泵井筒内及相交部分后体积为435.364m3。两种方法体积误差为：进水流道18.66%，出水流道16.45%。瓜洲泵站初步设计工程量清单中有关站身混凝土用量，不考虑建筑物不同阶段系数[7]，手算结果比实际建造的多748.53m3。

图2 进出水流道单线图

图3 瓜洲泵站进出水流道三维模型图

3 站身抗滑稳定计算

泵站站身抗滑稳定安全系数按GB 50265—2010《泵站设计规范》计算[8]，即：

(1)

式中，Kc—抗滑稳定安全系数；∑G—作用于闸底面以上的全部竖向荷载；∑H—作用于闸身上的全部水平向荷载；f—闸室底板底面与地基之间的摩擦系数。

计算方法及依据：①采用偏心受压公式；②墙后回填土指标：Φ=30°，c=0，r湿=19kN/m3，r饱=20kN/m3，r浮=10kN/m3；③墙后土压力采用朗肯土压力理论，按主动土压力进行计算；④根据地质报告，取综合摩擦系数fc=0.35。

根据GB 50265—2010抗滑稳定计算公式，取四种工况，两种方法计算表格见表1。

表1 站身两种方法站身抗滑稳定计算成果表

两种方法各工况抗滑安全系数误差在5%左右，平均断面法计算所得的各工况抗滑安全系数略小于三维法，表明平均断面法抗滑稳定计算成果偏向保守。

表2 站身两种方法站身地基反力计算成果表

4 地基反力计算

地基反力计算按GB 50265—2010计算[8]，即：

(2)

在三维建模软件中，通过测量体命令，查询进出水流道实体模型各质心坐标，计算各质心点到顺水流方向计算端点距离，即力臂，再乘以进出水流道所占混凝土重量，以负弯矩计算。

有关进出水流道力臂计算，平均断面法求得进出水流道力臂分别为7.66、23.9m，三维进出水流道力臂分别为5.56、24.78m。

根据GB 50265—2010地基反力计算公式，取四种工况，两种方法计算表格见表2。

两种方法各工况地基反力误差在5%左右，平均断面法计算所得的各工况最大、最小及平均地基反力均略小于三维法，表明三维法地基反力计算成果偏向安全。

5 相贯线提取

两立体组合时会产生两立体相交情况，两立体相交称为两立体相贯，其表面形成的交线称做相贯线。对于圆柱面与圆柱面、圆柱面与球面、圆柱面与圆锥面等，可通过坐标变换构建相贯线并展开曲线方程[9]；对于不易用方程表示或者方程表达式未知的三维坐标系实体相交的相贯线展开曲线方程有一定的困难，通常采用普遍规律的椭圆拟合法和基于曲线拟合的三坐标轴分立最小二乘法两种方法[10]。

瓜洲泵站出水流道进口与水泵井筒相交，其相贯线形状复杂。采用传统CAD三视图作图方法提取相贯线面临诸多困难，其最大的困难是无法知晓该相贯线在坐标轴下的函数公式。通过三维法建立水泵井筒、出水流道、门洞及空箱等三维模型，再通过剪切等命令扣除出水流道就可提取相贯线。三维法无须知道不同部位的函数关系，且提取的相贯线快捷方便，精准度符合设计要求。瓜洲泵站出水流道与水泵井筒相贯线如图4所示。

图4 出水流道与水泵井筒相贯线

提取相贯线转化为CAD格式，在相贯线的基础上，水泵井筒内侧钢筋在相贯线处截断与出水流道衔接部位水平钢筋、垂直钢筋伸入流道钢筋层长度不小于70cm并与流道钢筋焊接，接头长度应满足规范要求。出水流道内侧钢筋在相贯线处截断末端弯入水泵井内侧70cm，并与水泵井内侧钢筋焊接。水泵井筒内侧钢筋图如图5所示。

图5 水泵井筒内壁钢筋图

6 结语

通过瓜洲泵站三维进出水流道应用与传统设计方法比较，在站身混凝土工程量有关进出水流道体积计算、站身抗滑稳定及地基反力计算中，三维法比传统平均断面法更加精准；三维法提取相贯线更为便捷，能快速明确水泵井筒及出水流道内侧钢筋截断位置。三维法在工程量、抗滑稳定计算等有着传统的设计方法不具有的较大优势。在大型工程设计中遇到较为复杂的结构，应采用三维设计辅助，既能合理优化工程布局，又能进一步提高水利工程

设计科技含量。