浅谈中型水闸泵站的主要计算

黄义淳

（广东省水利电力勘测设计研究院有限公司,广东 广州 510170）

1 工程概况

鹤洞涌位于荔湾区白鹤洞街道,北靠德士古油库旧址,南靠广船地块,西临芳村大道南,东靠珠江后航道,河长约0.37 km,宽度5 m～15 m、河底高程-0.8 m～0.33 m,汇入珠江口处河宽达40 m。汇水总面积1.46 km2,平均比降4.5‰,河口现状无水闸。鹤洞水闸泵站工程建设的主要内容为：新建水闸1座,新建排涝泵站1座。本工程主要任务为防洪（潮）、治涝。通过本工程修建,减少危及到生命财产安全的事故所产生的社会效益和环境效益上。工程建设完善后,可以为本地区经济可持续发展提供安全保障。

2 工程总布置

从现场的实际地形、水流形态、经济等方面考虑,并根据项目用地限制情况,采用水闸、泵站平面一字并排布置。中墩设分缝,水闸采用单孔8 m,泵站采用三台机组。

此方案近期需要满足9.75 m3/s的排涝要求,安装2台1.5 m3/s+1台6.75 m3/s的机组组合。远期需要满足15 m3/s的排涝要求,仅需将1台1.5 m3/s的水泵更换为6.75 m3/s的水泵。建筑物总宽25.10 m,水闸布置在左岸侧,水闸底板高程-1.50 m,水闸设单孔,孔净宽8 m,水闸总净宽8 m。设一孔防洪排涝闸,闸门采用平板顶升式钢闸门,孔口尺寸（孔口净宽×净高）为8.0 m×5.9 m,底槛高程1.50 m。右侧布置排涝泵站,排涝泵站底板高程-4.10 m,闸墩顶高程4.40 m。泵房布置为一字并排布置,均为正向进水及出水。排涝泵站净宽12.4 m,泵房底高程为-4.10 m。管理房布置在右岸外江侧。管理房平台从进水池前端开始至外江侧,沿涌边管理范围线平顺布置。整体布置长度为80 m。

3 建筑物主要计算

3.1 闸顶高程确定

根据《水闸设计规范》（SL 265-2016）4.2.4的规定,闸顶高程应根据挡水和泄水两种运用情况确定[1]。闸顶高程不应低于正常蓄水位（或最高挡水位）加波浪计算高度与相应安全超高值之和,并及根据《水闸设计规范》（SL 265-2016）4.2.22第3点工作桥、检修桥的梁（板）底高程均应高程最高洪水位0.5 m以上来确定水闸墩顶高程。鹤洞涌水闸挡洪（潮）标准为200 年一遇水位,1级建筑物。

（1）风壅水面高度

按《水闸设计规范》有关风浪要素计算的规定算出鹤洞涌水闸泵站水闸的等效风区长度为150 m。

查广东沿海地区国家气象站设计风速资料,荔湾区最大风速为22 m/s。

风壅水面高度计算公式：

式中：e为风壅水面高度,m；K为综合摩阻系数；V为计算风速,m/s；d为水域的平均水深,m；F为风区长度,m；g为重力加速度,9.8m/s2；β为风向垂直于大坝轴线的法线的夹角（°）,30°。

（2）风浪要素

平均波高按下列公式计算确定：

式中：H为平均波高,m；V为计算风速,m/s；d为水域的平均水深,m；F为风区长度,m；g为重力加速度,9.8 m/s2。

计算正常蓄水位平均波高H=0.14 m,最高挡水位平均波高=0.34 m。

（3）平均波周期

按下式计算：

计算正常蓄水位平均波周期T=1.09 s,最高挡水位平均波周期=1.69 s。

（4）波长计算

按下式计算：

计算正常蓄水位平均波长L=1.84 m,最高挡水位平均波长L=4.45 m。

（5）波浪爬高采用莆田公式计算：

式中：RP为累积频率为P的波浪爬高；KA为斜坡的粗率及渗透系数,根据护面类型确定；KV为经验系数,可根据风速V、坝前水深d、重力加速度g组成的无维量确定；KP为爬高累积频率换算系数[2]；为坝前波浪的平均波高,m；L为坝前波浪波长。

经计算,正常蓄水位浪高0.17 m,最高挡水位浪高0.42 m。

挡水工况：闸顶高程不应低于水闸正常蓄水位或最高档水位加波浪计算高度与相应安全加高值之和。

泄水工况：闸顶高程不应低于设计洪水位或校核洪水位与相应安全加高值之和[3]。

两种不同工况计算出来的闸顶高程见表1。

表1 闸顶计算表

同时,根据《水闸设计规范》（SL 265-2016）4.2.22,工作桥、检修便桥和交通桥的梁底高程应高出最高洪水位0.5 m以上[4],本工程梁底高程应大于2.08+0.5=2.58 m,最大梁高=0.8 m,因此：设计闸顶高程=梁底高程+梁高≥3.38 m；《水闸设计规范》（SL 265-2016）4.2.5,位于防洪、挡潮堤上的水闸,其闸顶高程不应低于防洪、挡潮堤堤顶高程。根据《珠江河口综合治理规划修编-主要测站设计潮位复核报告》（以下简称《潮位复核报告》）的成果,200年一遇外江潮水位为3.07 m,根据《广州市珠江堤防达标提升总体方案》,本工程所在位置为珠江后航道,参考最近的浮标厂计算资料,计算参数取值：有效吹程为600 m,平均水深为7.3 m,计算风速为27.4 m/s,夹角取值为55°,计算得出波浪爬高为0.766 m,计算风壅水面高0.006 m,按允许越浪计算安全超高0.5 m,得出计算堤顶超高1.27 m,因此得出堤顶超高取值1.30 m。

鹤洞水闸附近珠江堤防的堤顶高程3.07+1.30=4.37 m。

综上,本工程闸顶高程取4.40 m≥4.34 m,满足规范。

3.2 渗流计算

初步拟定防渗长度,根据《水闸设计规范》,采用规范公式4.3.2计算：

由于典故负载的文化信息在一定程度上反映了一个特定地区民族的民风、民俗背景以及长期积淀而形成的民族文化传统与心理，具有特定的内涵与寓意，加上原语与译入语的语言体系及表达方式的不同，所以在译入语中有时难以找到完全对应的表达方式，因此在翻译过程中原文文化内涵与寓意的流失便不可避免，从而进一步加大了译入语读者对原文的理解难度。采用文中加尾注的方法，基本能够补充译文中缺失的信息，使译入语读者更好地理解原文的文化底蕴。

式中：L为闸基防渗长度,及闸基轮廓线防渗部分水平段和垂直段总和,m；ΔH为上下游水位差,m；C为允许渗径系数,本工程泵站侧建基面为强风化粉砂质泥岩（k=8.49×10-5cm/s）,水闸侧建基面为土质采用回填埋石混凝土,换填层下部为粉质粘土（无滤层,k=4.50×10-5cm/s）,综合取为3.3。

防洪外江水位Z江=3.07 m；

闸内设计低水位Z内= -0.60 m；

闸上、下游设计水头差H=3.07-（-0.60）=3.67 m。

由设计图纸查得泵站底板地下轮廓线E总长度：

水平渗径L1=18.5 m

垂直渗径：

L2=1.5+0.5+0.5+1.5=4.0 m；

L实=L1+L2=18.5+4=22.5 m；

L计=CΔH=3.3×3.67=12.85 m；

实际L实=22.5.m＞计算L计=12.85 m满足设计要求。

3.3 稳定计算

3.3.1 计算工况

根据《水闸设计规范》《泵站设计规范》《水工建筑物荷载设计规范》《水工建筑物抗震设计标准》,鹤洞水闸泵站况包括完建情况、正常蓄水位情况、设计洪水位情况、施工情况、检修情况、校核洪水位情况、地震情况。

3.3.2 荷载

本工程水闸地基为土基,水闸基础荷载如图1水闸计算模型所示。泵站地基为岩基,泵站基础荷载如图2泵站计算模型所示。根据《水闸设计规范》《泵站设计规范》的要求,水闸、泵站稳定分析计算包括：水闸、泵站沿基础底面的抗滑稳定安全系数分析计算,基本公式如下：

图1 水闸计算模型

图2 泵站计算模型

式中：Kc为抗滑安全稳定系数；∑G为作用与泵房基础底面以上的全部竖向荷载（包括扬压力,kN）；∑H为作用与泵房基础底面以上的全部水平荷载,kN；f 为基础底面与地基之间的摩擦系数,水闸部分基底为粉质粘土,取0.4,泵站部分地基类别为软质岩石（极软）,取值为0.45。

泵站抗浮稳定安全系数分析计算,基本公式如下：

式中：Kf为抗浮安全稳定系数；∑V为作用与泵房基础底面以上的全部重力,kN；∑U为作用与泵房基础底面以上的扬压力,kN[5]。

（1）水闸稳定计算,结果见表2。

表2 闸室抗滑及基础应力成果表

（2）泵站稳定计算,结果见表3。

表3 泵房抗滑及基础应力成果

4 结论

本文通过实例根据《水闸设计规范》《泵站设计规范》《广东省防洪（潮）标准和治涝标准（试行）》（粤水电总字［1995］4号）[6]等文件及项目实际要求对广州市荔湾区鹤洞水闸泵站工程的闸顶、水力、结构稳定进行计算讨论,借助计算模型可以直观地看出水闸、泵站相应地基处理所能承受的荷载,为主要结构物的耐久性、稳定性提供的真实有效的数据基础,源头上保证了工程的质量。