小型排涝站提升工程泵房进出水口防洪设计及稳定分析研究

2023-01-04蔡泳桃

四川水利 2022年6期

蔡泳桃

(广东粤水电勘测设计有限公司，广东佛山，528000)

0 引言

随着经济社会快速高质量发展和城镇建设步伐的加快，区域的防洪、排涝等问题日益突出[1－2]。水泵站担负着区域防洪排涝和改善水生态环境的重要任务，小型泵站的建设尤应重视其进水池的结构稳定和出水口的消能功效作用[3]。

项目区林岳南片区没有排涝站，现状仅有南福闸一座。林岳南片区目前已从单一农田演变为半城市半农村的混合区，地面硬化较多，下渗调蓄能力减弱，暴雨汇流时间缩短，洪峰流量增大，加上林岳南片区地铁2号线工程的实施，部分排涝河涌已填埋，导致林岳南片区面临较大的排涝风险。为完善林岳南片区排涝能力的需要，亟需增设林岳水闸电排站一座，配套建设站区环境等，使南海区林岳大道以南片区的排涝标准达到50年一遇，24h设计暴雨1天排完且内涌不超过控制水位1.20m。

本文以林岳新建泵站为研究对象，对其进水池结构稳定和出水口的消能功效进行计算模拟分析，以期探究出一套小型排涝站的进出水口稳定设计方案。

1 工程概况

1.1 水泵设计标准

本项目泵站规划排涝流量为8.00m3/s，经机组选型计算，选定3台900ZLB－160型轴流泵方案，配AC380V异步电动机(110kW)，总装机容量3×110＝330kW。根据«水利水电工程等级划分及洪水标准»(SL 252－2017)，泵站等别为Ⅳ等，规模属于小(1)型，主要建筑物为4级建筑物，次要建筑物为5级，临时建筑物为5级[4]。

自排涵的设计过流流量为19.96m3/s，根据«水利水电工程等级划分及洪水标准»(SL 252－2017)，为4级建筑物，综合确定主要建筑物为4级，次要建筑物为5级，临时建筑物为5级[5]。

1.2 工程总平面布置

本项目为堤内式电排站，正向进水，正向出水。

根据电排站平面布置方案，顺水流方向自内涌向外江依次布置有:内涌衔接段、进水前池段、泵房段、出口护底段等主要水工建筑物[6]。

根据自排涵平面布置方案，顺水流方向自内涌向外江依次布置有:进水涵段、闸室段、出口护底段等水工建筑物。

1.3 主要建筑物型式布置

1、电排站主要建筑物型式

(1)内涌衔接段:采用钢筋混凝土挡墙结合C25混凝土护底的型式与内河涌进行衔接。两侧钢筋混凝土挡墙均为悬臂式挡土墙，顶部高程为3.80m～2.50m，底板面高程为－1.30m，东西两侧挡土墙各15.6m。C25素混凝土护底厚度为600mm。

(2)进水前池段:采用钢筋混凝土箱涵结构，共布设3孔，单孔净宽3.8m，净高为4.50m～5.9m，顶部为堤顶交通桥。底板面高程为－1.30m～－2.70m，坡比为1∶6.0，纵向长度为13.5m，顶板面高程为3.80m。

(3)泵房段:采用钢筋混凝土开敞式结构，下部为整体现浇结构，上部为框架结构，纵向总长20.0m，共分为三个部分，顺水流方向依次是:检修闸门以及安全栅安装段、副厂房、主厂房。检修闸门以及安全栅安装段纵向长5.0m；副厂房纵向长7.3m；主厂房纵向长7.7m；底板面高程为－2.70m。

(4)出口护底段:采用钢筋混凝土挡墙结合C25混凝土护底的型式与内河涌进行衔接。两侧钢筋混凝土挡墙均为悬臂式挡土墙，顶部高程为3.80m，底板面高程为－1.30m，东西两侧挡土墙各8.0m。C25素混凝土护底厚度为600mm。

2、自排闸主要建筑物型式

(1)进水段:采用钢筋混凝土箱涵结构，共1孔，净宽为5.0m，净高为4.5m，底板面高程为－1.30m，顶板面高程为3.80m，纵向长度为13.5m。

(2)闸室段:上部与电排站泵房连为一体，纵向总长20.0m，底板面高程－1.30m。

(3)出口护底段:采用钢筋混凝土挡墙结合C25混凝土护底的型式与内河涌进行衔接。两侧钢筋混凝土挡墙均为悬臂式挡土墙，顶部高程为3.80m～2.50m，底板面高程为－1.30m，东西两侧挡土墙各15.6m。C25素混凝土护底厚度为600mm。

2 进水前池稳定性计算分析

工程管理是发挥工程效益的关键，只有加强和提高管理水平，才能充分发挥工程的综合效益和潜在效益。尤其在平原感潮河网地区，系统的工程只有实行系统的管理和长效管理，开展实时的调度，才能充分发挥群体工程的作用。

2.1 进水前池水平段结构计算

2.1.1 无顶板段

(1)结构尺寸

本项目进水前池水平无顶板段的底板厚为0.80m，侧墙厚为0.70m，中隔墙厚分别为0.80m以及1.0m，泵房范围的净宽×净高＝3.8m×5.1m，自排涵范围的净宽×净高＝5.0m×4.5m，具体的结构如图1。

图1 进水前池水平无顶板段结构示意

(2)荷载计算

在过水情况下侧向水压力将抵消部分作用于侧墙外侧的土压力，对结构有利，因此结构的计算控制工况应为无水时，相应的荷载组合为土压力以及结构自重。各种荷载均取单位长度(1m)计算，计算得到的值均为设计值，计算时混凝土结构自重的作用分项系数取为1.05；土压力的作用分项系数取为1.20；汽车荷载的作用分项系数取为1.40。计算简图见图2，图2中的各结点均为构件轴线的交点。

图2 进水前池荷载分布计算简图

①作用于侧墙的水平土压力计算

侧墙土压力的计算公式如下:

式中，γ为墙后填土重度，取为19kN/m3；H为受力点处的填土高度；h为墙顶水平面以上的车辆荷载等代的填土高度，取为30/19＝1.58m；φ为填土内摩擦角，墙后回填粘性土，可取为15o。

由计算得，侧向最小、最大土压力Q2和Q3:

②作用于自排涵顶板的垂直均布荷载Q1计算

作用于自排涵顶板的均布荷载Q1主要为顶板自重。顶板的车辆荷载根据车辆荷载布置图直接作用于顶板上。

顶板自重为:

③作用于底板底面的垂直均布荷载Q4计算

作用于底板底面的力为结构重力产生的地基反力部分，因地基反力按均匀分布考虑，其中由底板产生的向上作用的地基反力与向下的底板自重力可相互抵消。

计算地基反力时可只考虑侧墙及自排涵顶板的重，故:

式中，γc为钢筋混凝土重度，取为25kN/m3；d1、d2、d3、d4为侧墙、中隔墙厚度，分别为0.70m、0.80m、1.0m、0.70m；H1、H2、H3、H4为侧墙、中隔墙高度，分别为5.50m、5.50m、5.20m、5.20m；B为底板宽度，取为19.7m；b为自排涵宽度，取为5.85m。

由计算得底板底面的垂直均布荷载Q4＝47.24kN/m。

2.1.2 有顶板段

(1)结构尺寸。本项目进水前池水平有顶板段的底板厚为0.80m，侧墙厚为0.70m，中隔墙厚分别为0.80m以及1.0m，泵房范围的净宽×净高＝3.8m×4.5m，自排涵范围的净宽×净高＝5.0m×4.5m。

(2)荷载计算。在过水情况下侧向水压力将抵消部分作用于侧墙外侧的土压力，对结构有利，因此结构的计算控制工况应为无水时，相应的荷载组合为土压力以及结构自重。各种荷载均取单位长度(1m)计算，计算得到的值均为设计值，计算时混凝土结构自重的作用分项系数取为1.05；土压力的作用分项系数取为1.20；汽车荷载的作用分项系数取为1.40。

同2.1.1计算公式:

计算地基反力时可只考虑侧墙及自排涵顶板的重，故:

式中，γc——钢筋混凝土重度，取为25kN/m3；d1、d2、d3、d4—侧墙、中隔墙厚度，分别为0.70m、0.80m、1.0m、0.70m；H1、H2、H3、H4为侧墙、中隔墙高度，均为5.20m；B为底板宽度，取为19.7m；F为泵站范围顶板受到的集中车辆荷载，共0.7×550×1.4＝539kN。

由计算得底板底面的垂直均布荷载，Q4＝(25×0.7×5.2＋2×25×0.8×5.2＋25×1×5.2＋25×0.7×5.2)/19.7×1.05＋15.75＋＋539/19.7＝70.83kN/m。

2.2 进水前池放坡段结构计算

(1)结构尺寸。本项目进水前池放坡段的底板厚为0.80m，侧墙厚为0.70m，中隔墙厚分别为0.80m以及1.0m，泵房范围最大的净宽×净高＝3.8m×5.9m，自排涵范围的净宽×净高＝5.0m×5.9m，具体的结构如图3。

图3 进水前池放坡段结构示意

图4 进水前池放坡段荷载分布计算简图

同2.1.1计算公式:

作用于底板底面的力为结构重力产生的地基反力部分，因地基反力按均匀分布考虑，其中由底板产生的向上作用的地基反力与向下的底板自重力可相互抵消，计算地基反力时可只考虑侧墙、中隔墙、顶板以及自排涵回填砂、混凝土护板的重，故:

式中，γc为钢筋混凝土重度，取为25kN/m3；d1、d2、d3、d4为侧墙、中隔墙厚度，分别为0.70m、0.80m、1.0m、0.70m；H1、H2、H3、H4为侧墙、中隔墙高度，均为6.6m；B为底板宽度，取为19.7m；F1为顶板受到的集中车辆荷载，共0.7×550×1.4＝539kN；F2为自排涵回填砂重，5×1.1×19×1.2＝125.4kN；F3为自排涵混凝土护面重，共5×0.3×25×1.05＝39.38kN；代入计算Q4＝86.65kN/m。

3 出水口消能计算及流态分析

3.1 泵站出口消能计算

本项目为管道出流，根据取水输水建筑物丛书中的«跌水与陡坡»中的相关衔接消能章节进行出口消能计算，计算时考虑下游出水口处水位为低水位0.00m。

3.1.1 消力池池长计算

消力池的总长度L为水舌跌落距离l1与壅高水跃的水跃长度l2之和。

(1)水舌跌落距离l1

式中，φ为流速系数，取为1.0；h上为上游水深，取为管道出口直径1.2m；p为跌差，取为管道底部到底板面高程，为2.2m；v上为上游渠道断面平均流速，从偏安全角度取为不考虑拍门情况的管道出水流速，本项目单机设计流量为2.7m3/s，出水管直径为1.2m，管道出水流速为2.4m/s；代入计算l1＝2.9m。

(2)壅高水跃的水跃长度l2

式中，q为单宽流量，m3/(s·m)，本项目取为单机设计流量为2.7m3/(s·m)；hk为临界水深，计算得0.91m；vk为临界流速，计算得2.97m/s；E0为消力池底以上总能头，计算得4.74m；h1为跃前水深，试算得0.289m；Fr1为跃前断面的水流弗汝德数，计算得5.55；h2为跃后水深，计算得2.13m；代入计算l2＝6.82m。

估消力池总长度L＝l1＋l2＝9.72m，取整为10m。

3.1.2 池深计算

池中水深应略大于水跃后的跃后水深h2，由于水流出池后水面将有一个跌落△z，所以消力池深度应为:

式中，σ为水跃淹没系数，取1.05～1.10，本次计算取为1.10；h下为下游渠道水深，取为1.30m；△z为出池水面跌落，计算得0.14m；故消力池深度d计算得0.903m，取整为1m。

3.1.3 消力池的布设

由于本项目出水口紧接市政道路的用地范围，设计用地有限，故工程出水口的混凝土护底段只能布设8m的长度，本方案建议市政道路范围施工期间对跨涌范围进行护底处理。

3.2 自排涵出口消能计算

本项目自排涵出口消能计算时，内涌计算水位取为1.20m，外江计算水位取为0.00m，自排涵净宽为5m，设计过流流量为20m3/s，相应的单宽流量q为4m3/(s·m)。根据«水闸设计规范»(SL 265－2016)附录B进行出口消能计算。

3.2.1 计算水流衔接状态，判断是否需布设消力池

收缩水深需满足下式要求:

式中，hc为收缩水深，m；T0为由消力池底板面算起的总势能，m；α为水流动能校正系数，可取为1.0～1.05，本次计算取为1.0；q为单宽流量，本次计算取为4m3/(s·m)；φ为流速系数，一般取为0.95；hc"为跃后水深，m；Fr为跃前断面水流的弗劳德数；

进行迭代计算可求得hc的值为0.25m，Fr2为104.5，跃后水深hc"为3.49m，大于下游水位1.30m，故需布设消力池。

3.2.2 消力池的池长计算

式中:Lsj为消力池长度，m；Ls为消力池斜坡段水平投影长度，m；β为水跃长度校正系数，可采用0.7～0.8，本次计算采用0.75；Lj为水跃长度，m。

计算得出水跃长度Lj为22.356m，故消力池的长度Lsj不少于16.8m；由于本项目出水口紧接市政道路的用地范围，设计用地有限，故工程出水口的混凝土护底段只能布设8m的长度，本方案建议市政道路范围施工期间对跨涌范围进行护底处理。

3.3 出水口流态分析

潜水泵布设采用直管式，目的是降低水泵出口高程，出口处布设拍门，并在出水直管段处增加止水蝶阀，同时具有如下优点:拍门在外江高水位的情况下可起到防洪的作用，一旦拍门失效，可利用手电两用的蝶阀进行防洪，避免水流倒灌。

对其进行三维流场数值模拟，潜水泵的三维模型如图4所示，其流道主要截面和表面流场如图5所示。

图4 流泵装置三维模型

图5 出水流道表面流场

由图5可知道，在流道进水口处有部分环流量会通过旋转式的流态进入其中[7]。由于水流惯性和环量的原因，同时上升直管式的出水流道为90°转向的时候，其转弯半径非常小，导致直管式的出水流道在发生90°转向后，流道的下降段两边左右流场不具有对称性。顺水流方向来看，主流会偏向左上侧部，同时在一定范围内有小型旋涡出现于流道右下侧的下降段区域内[8]。