蔡泳桃

(廣東粵水電勘測設計有限公司，廣東 佛山，528000)

0 引言

隨著經(jīng)濟社會快速高質(zhì)量發(fā)展和城鎮(zhèn)建設步伐的加快，區(qū)域的防洪、排澇等問題日益突出[1－2]。水泵站擔負著區(qū)域防洪排澇和改善水生態(tài)環(huán)境的重要任務，小型泵站的建設尤應重視其進水池的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和出水口的消能功效作用[3]。

項目區(qū)林岳南片區(qū)沒有排澇站，現(xiàn)狀僅有南福閘一座。林岳南片區(qū)目前已從單一農(nóng)田演變?yōu)榘氤鞘邪朕r(nóng)村的混合區(qū)，地面硬化較多，下滲調(diào)蓄能力減弱，暴雨匯流時間縮短，洪峰流量增大，加上林岳南片區(qū)地鐵2號線工程的實施，部分排澇河涌已填埋，導致林岳南片區(qū)面臨較大的排澇風險。為完善林岳南片區(qū)排澇能力的需要，亟需增設林岳水閘電排站一座，配套建設站區(qū)環(huán)境等，使南海區(qū)林岳大道以南片區(qū)的排澇標準達到50年一遇，24h設計暴雨1天排完且內(nèi)涌不超過控制水位1.20m。

本文以林岳新建泵站為研究對象，對其進水池結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和出水口的消能功效進行計算模擬分析，以期探究出一套小型排澇站的進出水口穩(wěn)定設計方案。

1 工程概況

1.1 水泵設計標準

本項目泵站規(guī)劃排澇流量為8.00m3/s，經(jīng)機組選型計算，選定3臺900ZLB－160型軸流泵方案，配AC380V異步電動機(110kW)，總裝機容量3×110＝330kW。根據(jù)?水利水電工程等級劃分及洪水標準?(SL 252－2017)，泵站等別為Ⅳ等，規(guī)模屬于小(1)型，主要建筑物為4級建筑物，次要建筑物為5級，臨時建筑物為5級[4]。

自排涵的設計過流流量為19.96m3/s，根據(jù)?水利水電工程等級劃分及洪水標準?(SL 252－2017)，為4級建筑物，綜合確定主要建筑物為4級，次要建筑物為5級，臨時建筑物為5級[5]。

1.2 工程總平面布置

本項目為堤內(nèi)式電排站，正向進水，正向出水。

根據(jù)電排站平面布置方案，順水流方向自內(nèi)涌向外江依次布置有:內(nèi)涌銜接段、進水前池段、泵房段、出口護底段等主要水工建筑物[6]。

根據(jù)自排涵平面布置方案，順水流方向自內(nèi)涌向外江依次布置有:進水涵段、閘室段、出口護底段等水工建筑物。

1.3 主要建筑物型式布置

1、電排站主要建筑物型式

(1)內(nèi)涌銜接段:采用鋼筋混凝土擋墻結(jié)合C25混凝土護底的型式與內(nèi)河涌進行銜接。兩側(cè)鋼筋混凝土擋墻均為懸臂式擋土墻，頂部高程為3.80m～2.50m，底板面高程為－1.30m，東西兩側(cè)擋土墻各15.6m。C25素混凝土護底厚度為600mm。

(2)進水前池段:采用鋼筋混凝土箱涵結(jié)構(gòu)，共布設3孔，單孔凈寬3.8m，凈高為4.50m～5.9m，頂部為堤頂交通橋。底板面高程為－1.30m～－2.70m，坡比為1∶6.0，縱向長度為13.5m，頂板面高程為3.80m。

(3)泵房段:采用鋼筋混凝土開敞式結(jié)構(gòu)，下部為整體現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，上部為框架結(jié)構(gòu)，縱向總長20.0m，共分為三個部分，順水流方向依次是:檢修閘門以及安全柵安裝段、副廠房、主廠房。檢修閘門以及安全柵安裝段縱向長5.0m；副廠房縱向長7.3m；主廠房縱向長7.7m；底板面高程為－2.70m。

(4)出口護底段:采用鋼筋混凝土擋墻結(jié)合C25混凝土護底的型式與內(nèi)河涌進行銜接。兩側(cè)鋼筋混凝土擋墻均為懸臂式擋土墻，頂部高程為3.80m，底板面高程為－1.30m，東西兩側(cè)擋土墻各8.0m。C25素混凝土護底厚度為600mm。

2、自排閘主要建筑物型式

(1)進水段:采用鋼筋混凝土箱涵結(jié)構(gòu)，共1孔，凈寬為5.0m，凈高為4.5m，底板面高程為－1.30m，頂板面高程為3.80m，縱向長度為13.5m。

(2)閘室段:上部與電排站泵房連為一體，縱向總長20.0m，底板面高程－1.30m。

(3)出口護底段:采用鋼筋混凝土擋墻結(jié)合C25混凝土護底的型式與內(nèi)河涌進行銜接。兩側(cè)鋼筋混凝土擋墻均為懸臂式擋土墻，頂部高程為3.80m～2.50m，底板面高程為－1.30m，東西兩側(cè)擋土墻各15.6m。C25素混凝土護底厚度為600mm。

2 進水前池穩(wěn)定性計算分析

工程管理是發(fā)揮工程效益的關(guān)鍵，只有加強和提高管理水平，才能充分發(fā)揮工程的綜合效益和潛在效益。尤其在平原感潮河網(wǎng)地區(qū)，系統(tǒng)的工程只有實行系統(tǒng)的管理和長效管理，開展實時的調(diào)度，才能充分發(fā)揮群體工程的作用。

2.1 進水前池水平段結(jié)構(gòu)計算

2.1.1 無頂板段

(1)結(jié)構(gòu)尺寸

本項目進水前池水平無頂板段的底板厚為0.80m，側(cè)墻厚為0.70m，中隔墻厚分別為0.80m以及1.0m，泵房范圍的凈寬×凈高＝3.8m×5.1m，自排涵范圍的凈寬×凈高＝5.0m×4.5m，具體的結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 進水前池水平無頂板段結(jié)構(gòu)示意

(2)荷載計算

在過水情況下側(cè)向水壓力將抵消部分作用于側(cè)墻外側(cè)的土壓力，對結(jié)構(gòu)有利，因此結(jié)構(gòu)的計算控制工況應為無水時，相應的荷載組合為土壓力以及結(jié)構(gòu)自重。各種荷載均取單位長度(1m)計算，計算得到的值均為設計值，計算時混凝土結(jié)構(gòu)自重的作用分項系數(shù)取為1.05；土壓力的作用分項系數(shù)取為1.20；汽車荷載的作用分項系數(shù)取為1.40。計算簡圖見圖2，圖2中的各結(jié)點均為構(gòu)件軸線的交點。

圖2 進水前池荷載分布計算簡圖

①作用于側(cè)墻的水平土壓力計算

側(cè)墻土壓力的計算公式如下:

式中，γ為墻后填土重度，取為19kN/m3；H為受力點處的填土高度；h為墻頂水平面以上的車輛荷載等代的填土高度，取為30/19＝1.58m；φ為填土內(nèi)摩擦角，墻后回填粘性土，可取為15o。

由計算得，側(cè)向最小、最大土壓力Q2和Q3:

②作用于自排涵頂板的垂直均布荷載Q1計算

作用于自排涵頂板的均布荷載Q1主要為頂板自重。頂板的車輛荷載根據(jù)車輛荷載布置圖直接作用于頂板上。

頂板自重為:

③作用于底板底面的垂直均布荷載Q4計算

作用于底板底面的力為結(jié)構(gòu)重力產(chǎn)生的地基反力部分，因地基反力按均勻分布考慮，其中由底板產(chǎn)生的向上作用的地基反力與向下的底板自重力可相互抵消。

計算地基反力時可只考慮側(cè)墻及自排涵頂板的重，故:

式中，γc為鋼筋混凝土重度，取為25kN/m3；d1、d2、d3、d4為側(cè)墻、中隔墻厚度，分別為0.70m、0.80m、1.0m、0.70m；H1、H2、H3、H4為側(cè)墻、中隔墻高度，分別為5.50m、5.50m、5.20m、5.20m；B為底板寬度，取為19.7m；b為自排涵寬度，取為5.85m。

由計算得底板底面的垂直均布荷載Q4＝47.24kN/m。

2.1.2 有頂板段

(1)結(jié)構(gòu)尺寸。本項目進水前池水平有頂板段的底板厚為0.80m，側(cè)墻厚為0.70m，中隔墻厚分別為0.80m以及1.0m，泵房范圍的凈寬×凈高＝3.8m×4.5m，自排涵范圍的凈寬×凈高＝5.0m×4.5m。

(2)荷載計算。在過水情況下側(cè)向水壓力將抵消部分作用于側(cè)墻外側(cè)的土壓力，對結(jié)構(gòu)有利，因此結(jié)構(gòu)的計算控制工況應為無水時，相應的荷載組合為土壓力以及結(jié)構(gòu)自重。各種荷載均取單位長度(1m)計算，計算得到的值均為設計值，計算時混凝土結(jié)構(gòu)自重的作用分項系數(shù)取為1.05；土壓力的作用分項系數(shù)取為1.20；汽車荷載的作用分項系數(shù)取為1.40。

同2.1.1計算公式:

作用于底板底面的力為結(jié)構(gòu)重力產(chǎn)生的地基反力部分，因地基反力按均勻分布考慮，其中由底板產(chǎn)生的向上作用的地基反力與向下的底板自重力可相互抵消。

計算地基反力時可只考慮側(cè)墻及自排涵頂板的重，故:

式中，γc——鋼筋混凝土重度，取為25kN/m3；d1、d2、d3、d4—側(cè)墻、中隔墻厚度，分別為0.70m、0.80m、1.0m、0.70m；H1、H2、H3、H4為側(cè)墻、中隔墻高度，均為5.20m；B為底板寬度，取為19.7m；F為泵站范圍頂板受到的集中車輛荷載，共0.7×550×1.4＝539kN。

由計算得底板底面的垂直均布荷載，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 進水前池放坡段結(jié)構(gòu)計算

(1)結(jié)構(gòu)尺寸。本項目進水前池放坡段的底板厚為0.80m，側(cè)墻厚為0.70m，中隔墻厚分別為0.80m以及1.0m，泵房范圍最大的凈寬×凈高＝3.8m×5.9m，自排涵范圍的凈寬×凈高＝5.0m×5.9m，具體的結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 進水前池放坡段結(jié)構(gòu)示意

(2)荷載計算。在過水情況下側(cè)向水壓力將抵消部分作用于側(cè)墻外側(cè)的土壓力，對結(jié)構(gòu)有利，因此結(jié)構(gòu)的計算控制工況應為無水時，相應的荷載組合為土壓力以及結(jié)構(gòu)自重。各種荷載均取單位長度(1m)計算，計算得到的值均為設計值，計算時混凝土結(jié)構(gòu)自重的作用分項系數(shù)取為1.05；土壓力的作用分項系數(shù)取為1.20；汽車荷載的作用分項系數(shù)取為1.40，計算簡圖見圖4。

圖4 進水前池放坡段荷載分布計算簡圖

同2.1.1計算公式:

作用于底板底面的力為結(jié)構(gòu)重力產(chǎn)生的地基反力部分，因地基反力按均勻分布考慮，其中由底板產(chǎn)生的向上作用的地基反力與向下的底板自重力可相互抵消，計算地基反力時可只考慮側(cè)墻、中隔墻、頂板以及自排涵回填砂、混凝土護板的重，故:

式中，γc為鋼筋混凝土重度，取為25kN/m3；d1、d2、d3、d4為側(cè)墻、中隔墻厚度，分別為0.70m、0.80m、1.0m、0.70m；H1、H2、H3、H4為側(cè)墻、中隔墻高度，均為6.6m；B為底板寬度，取為19.7m；F1為頂板受到的集中車輛荷載，共0.7×550×1.4＝539kN；F2為自排涵回填砂重，5×1.1×19×1.2＝125.4kN；F3為自排涵混凝土護面重，共5×0.3×25×1.05＝39.38kN；代入計算Q4＝86.65kN/m。

3 出水口消能計算及流態(tài)分析

3.1 泵站出口消能計算

本項目為管道出流，根據(jù)取水輸水建筑物叢書中的?跌水與陡坡?中的相關(guān)銜接消能章節(jié)進行出口消能計算，計算時考慮下游出水口處水位為低水位0.00m。

3.1.1 消力池池長計算

消力池的總長度L為水舌跌落距離l1與壅高水躍的水躍長度l2之和。

(1)水舌跌落距離l1

式中，φ為流速系數(shù)，取為1.0；h上為上游水深，取為管道出口直徑1.2m；p為跌差，取為管道底部到底板面高程，為2.2m；v上為上游渠道斷面平均流速，從偏安全角度取為不考慮拍門情況的管道出水流速，本項目單機設計流量為2.7m3/s，出水管直徑為1.2m，管道出水流速為2.4m/s；代入計算l1＝2.9m。

(2)壅高水躍的水躍長度l2

式中，q為單寬流量，m3/(s·m)，本項目取為單機設計流量為2.7m3/(s·m)；hk為臨界水深，計算得0.91m；vk為臨界流速，計算得2.97m/s；E0為消力池底以上總能頭，計算得4.74m；h1為躍前水深，試算得0.289m；Fr1為躍前斷面的水流弗汝德數(shù)，計算得5.55；h2為躍后水深，計算得2.13m；代入計算l2＝6.82m。

估消力池總長度L＝l1＋l2＝9.72m，取整為10m。

3.1.2 池深計算

池中水深應略大于水躍后的躍后水深h2，由于水流出池后水面將有一個跌落△z，所以消力池深度應為:

式中，σ為水躍淹沒系數(shù)，取1.05～1.10，本次計算取為1.10；h下為下游渠道水深，取為1.30m；△z為出池水面跌落，計算得0.14m；故消力池深度d計算得0.903m，取整為1m。

3.1.3 消力池的布設

由于本項目出水口緊接市政道路的用地范圍，設計用地有限，故工程出水口的混凝土護底段只能布設8m的長度，本方案建議市政道路范圍施工期間對跨涌范圍進行護底處理。

3.2 自排涵出口消能計算

本項目自排涵出口消能計算時，內(nèi)涌計算水位取為1.20m，外江計算水位取為0.00m，自排涵凈寬為5m，設計過流流量為20m3/s，相應的單寬流量q為4m3/(s·m)。根據(jù)?水閘設計規(guī)范?(SL 265－2016)附錄B進行出口消能計算。

3.2.1 計算水流銜接狀態(tài)，判斷是否需布設消力池

收縮水深需滿足下式要求:

式中，hc為收縮水深，m；T0為由消力池底板面算起的總勢能，m；α為水流動能校正系數(shù)，可取為1.0～1.05，本次計算取為1.0；q為單寬流量，本次計算取為4m3/(s·m)；φ為流速系數(shù)，一般取為0.95；hc"為躍后水深，m；Fr為躍前斷面水流的弗勞德數(shù)；

進行迭代計算可求得hc的值為0.25m，F(xiàn)r2為104.5，躍后水深hc"為3.49m，大于下游水位1.30m，故需布設消力池。

3.2.2 消力池的池長計算

式中:Lsj為消力池長度，m；Ls為消力池斜坡段水平投影長度，m；β為水躍長度校正系數(shù)，可采用0.7～0.8，本次計算采用0.75；Lj為水躍長度，m。

計算得出水躍長度Lj為22.356m，故消力池的長度Lsj不少于16.8m；由于本項目出水口緊接市政道路的用地范圍，設計用地有限，故工程出水口的混凝土護底段只能布設8m的長度，本方案建議市政道路范圍施工期間對跨涌范圍進行護底處理。

3.3 出水口流態(tài)分析

潛水泵布設采用直管式，目的是降低水泵出口高程，出口處布設拍門，并在出水直管段處增加止水蝶閥，同時具有如下優(yōu)點:拍門在外江高水位的情況下可起到防洪的作用，一旦拍門失效，可利用手電兩用的蝶閥進行防洪，避免水流倒灌。

對其進行三維流場數(shù)值模擬，潛水泵的三維模型如圖4所示，其流道主要截面和表面流場如圖5所示。

圖4 流泵裝置三維模型

圖5 出水流道表面流場

由圖5可知道，在流道進水口處有部分環(huán)流量會通過旋轉(zhuǎn)式的流態(tài)進入其中[7]。由于水流慣性和環(huán)量的原因，同時上升直管式的出水流道為90°轉(zhuǎn)向的時候，其轉(zhuǎn)彎半徑非常小，導致直管式的出水流道在發(fā)生90°轉(zhuǎn)向后，流道的下降段兩邊左右流場不具有對稱性。順水流方向來看，主流會偏向左上側(cè)部，同時在一定范圍內(nèi)有小型旋渦出現(xiàn)于流道右下側(cè)的下降段區(qū)域內(nèi)[8]。

4 結(jié)論

本文以林岳排澇站改造工程為研究對象，主要對水工建筑物型式規(guī)劃布置、進水口結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計算、出水口消能計算和三維流態(tài)進行了研究分析，結(jié)果顯示進水口水平段和放坡段滿足水力要求；出水口采用直管式的出水流道，增加止水蝶閥可以防止倒流，模擬流態(tài)結(jié)果滿足下游結(jié)構(gòu)行洪要求，達到了預期的效果。