水利枢纽工程泵站结构设计及流道设计浅析

付宁波

（进贤县水利局，江西 进贤331700）

1 引言

河洪泛滥严重影响到沿岸居民的生活、河道通航及沿线城镇经济发展，因此，需要通常采用新建水利枢纽工程对河道进行整治。常用的河道治理工程措施包括：堤防[1～2]、大坝[3～4]、泵站[5～6]等。针对城镇发展情况，以及水路运输需要，可修建船闸[7～8]以改善通航条件。本文以进贤钟陵水库水利枢纽工程配套泵站为例，研究泵站结构初步设计和流道设计。水库属于信江水系，控制流域面积12.3 km2，兼具防洪灌溉作用。泵站地基岩土体主要包括：人工填土(Qml)、耕土（Qpd）、第四系冲积层（Qal）。

2 泵站结构设计

2.1 泵站结构比选

泵站设计流量300 m3/s，主要采用立轴式机组配“X”型流道的机组型式和双向“S”形叶片的贯流式机组配平直管流道型式。采用立式轴流泵和竖井贯流泵进行方案比选，水泵台数宜3台～9台，单泵流量在30 m3/s～35 m3/s左右。

（1）方案一：立式轴流泵

泵站选用9台套开敞式立式轴流泵，均采用三台机组安装在一块底板上，即三机一联，整个泵站共3联。进、出水流道净宽9.0 m。（可研阶段设计的流道宽度7.5 m。从已建成的同类型泵站流道宽度可见，流道宽度至少需为叶轮直径的2.7倍左右。设计如此小的流道宽度，会带来流道出口盲端侧水流紊乱，造成机组运行不稳定和闸门震动。本次调整到9.0 m。）边墩厚1.4 m，中墩厚1.2 m，计算边孔宽度为32 m，中孔宽度31.8 m，泵站横向总宽度95.84 m。考虑进出水流道、站上厂房及公路桥的布置，站身底板顺水流向长42.9 m。水泵叶轮直径3.25 m，水泵叶轮中心高程定为-3.5 m。

底板面高程-8.0 m，底板厚2 m，站身上下共分四层。底板以上至高程-2.10 m之间为进水流道层，高程-2.1 m～3.2 m之间为出水流道层，高程3.2 m～9.6 m之间为辅机层，高程9.6 m以上为地面层。进、出水流道两侧各布置2道快速工作门闸门，采用油压启闭机控制，泵站正反向运行通过四道工作门的切换实现。在进、出水流道口前端均设置简易拦污栅（安全格栅）1道。

主泵房内配320/50 kN电动桥式起重机一台，跨度为13.5 m，轨顶高程19.6 m，内河侧设副厂房，配2×100 kN桥式启重机用于设备检修。

（2）方案二：竖井贯流泵

泵站选用9台套竖井贯流泵，均采用三台机组安装在一块底板上，即三机一联，整个泵站共3联。进、出水流道宽8.5 m，边墩厚1.4 m，中墩厚1.2 m，计算边孔宽度为30.5 m，中孔宽度30.3 m，泵站横向总宽度91.34 m。考虑竖井布置、进出水流道、站上厂房及公路桥的布置，站身底板顺水流方向长42.9 m。水泵叶轮直径3.25 m，泵站内河侧最低引水运行水位2.80 m，水泵叶轮中心高程定为-2.5 m，泵站流道顶高程为0.0 m，底板面高程-5.0 m，竖井顶1.0 m，厂房地面9.60 m。

泵站两侧流道均采用快速闸门断流，并在快速工作闸门外侧各设快速事故闸门（兼防洪门）1道。工作闸门和事故闸门均采用油压启闭机控制。在进、出水流道口前端均设置简易拦污栅（安全格栅）1道。

主泵房内配320/50 kN电动桥式起重机一台，跨度为16 m，轨顶高程19.6 m，长江侧设副厂房，配2×200 kN桥式启重机用于设备检修。

表1 两种站身方案对比

由表1，方案二相对于方案一有着明显的工程优势，同时考虑目前低扬程双向泵的水力模型较少，推荐采用方案二。

2.2 泵站结构设计

2.2.1 站顶高程

站顶高程计算过程如下：

H1=设计洪（潮）水位8.03 m+波浪高度1.13 m+安全超高0.5 m=9.66 m；

H2=校核洪（潮）水位8.43 m+波浪高度1.18 m+安全超高0.4 m=10.01 m。

根据以上计算，站顶高程应不低于10.01 m，该段长江堤防防浪墙墙顶高程为10.10，综合确定泵站顶高程为10.10 m。

2.2.2 主泵房长度

泵站9台机组成一列式布置，分设三块底板，每块布置三台机组。主泵房的长度按下式计算：

式中：L为主泵房的长度；n为主机组台数；B为进水流道宽度；a为间隔墩厚度；c1、c2为东、西边墩厚度；c3为缝墩厚度；f为缝宽。

2.2.3 稳定性计算

泵站站身底板为粉砂、细砂，局部砂壤土，C=3.8 kPa，φ=25.5°，地基允许承载力为120 kPa，标准贯入击数为12，底板与土之间的综合摩擦系数取用0.35；墙后填土等代内摩擦角取28°。

站身稳定计算成果见表2～表5。

表2 泵站站身中联孔纵向稳定计算成果表

表3 泵站站身两边联孔纵向稳定计算成果表

表4 泵站边联孔（临土侧）侧向稳定计算成果表

表5 泵站边联孔（临土侧）双向稳定计算成果表

根据以上计算结果，站身抗滑稳定、基底反力不均匀系数均满足规范要求，但地基承载力大于地基允许承载力，需进行地基处理，拟采用φ100钻孔灌注桩基础，设计桩长7 m～10.0 m，间距2.0 m。

3 水泵流道设计

3.1 双层“X”流道设计

进口断面处流速宜取0.8 m/s～1.0 m/s，对于双向进水流道，平均速度取值应比规范要求小，以防止有害旋涡的产生；对于双向出水流道，由于一侧流道出水时，另一侧流道闸门关闭，水流从扩散喇叭管出来以后，向流道两侧流动，在闸门关闭侧形成水流的扰动，如果流道宽度过窄，会形成振动，造成机组运行的不稳定。

图1 双层“X”流道出水流道流场图

从图1可以看出，在出水流道的盲端水流是非常紊乱的，为了解决这个问题，对双层“X”流道时要特别注意流道高度和宽度的选择。表6列出了近几年已建同类型泵站进出水流道的主要控制尺寸，确定双向开敞式进水流道宽度取9 m，为2.73 D，高度取5 m，为1.52 D，进水流道进口流速为0.74 m/s。

表6 同类型泵站进出水流道主要控制尺寸

水泵叶轮直径为3.25 m，流道进口断面的宽度为7.5 m，为2.31 D。从表6可以看出，同类型泵站流道宽度至少也在叶轮直径的2.7倍左右。设计如此小的流道宽度，会带来流道出口盲端侧水流非常紊乱，造成机组运行很不稳定。

双层“X”流道分为上下两层，上层水泵出水采用曲线旋转面扩散管出水方式，经开敞式出水流道流出，底层采用平面蜗壳式进水流道，根据已建泵站经验，在流道中合适位置设置导水锥，可防止漩涡产生。

3.2 双层“X”流道断流方式

根据本机组的特点及流道型式，分别在双层流道的进、出口各设置1道快速闸门，通过闸门切换来配合水泵双向抽水的启动和断流。

4 结论

（1）在满足水力要素的条件下，竖井贯流泵具有工程量小、投资小、水泵效率和气蚀均优于立式轴流泵。采用理论计算，确定泵站站顶高程和主泵房长度，通过理论计算天然地基需采用钻孔灌注桩处理后，承载力方可满足要求。

（2）针对工程特点双层“X”流道，可降低流道损失，配合使用导水锥可防止出现旋涡，在进、出口处设置一道闸门控制抽水的启动和断流。