三維流道在瓜洲泵站工程設(shè)計(jì)的應(yīng)用

蘇葉平,吳佩峰,張夢穎,吳東恒

(1.江蘇省水利勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225009；2.江陰市水利工程公司，江蘇 無錫 214431)

瓜洲泵站工程是揚(yáng)州市城市防洪工程的重要組成部分，具有防洪、排澇等綜合功能。泵站共6臺水泵機(jī)組，設(shè)計(jì)流量為170m3/s，確定泵站規(guī)模為大(2)型，泵站等別為Ⅱ等；水工建筑物等級：泵站、上下游防滲段翼墻為主要建筑物，建筑物等級為2級；本工程防洪標(biāo)準(zhǔn)取100年一遇設(shè)計(jì)，200年一遇校核[1]。

在大型泵站工程設(shè)計(jì)中，為了減少土建工程量，提高整個(gè)泵站工程運(yùn)行效率，專門設(shè)計(jì)專用進(jìn)出水流道。瓜洲泵站站身設(shè)計(jì)采用肘形進(jìn)水流道和虹吸式出水流道。肘形進(jìn)水流道的特點(diǎn)是高度較大而寬度較小，可得到很好的水力性能；虹吸式出水流道主要優(yōu)點(diǎn)是運(yùn)行方便可靠，水泵停機(jī)時(shí)可通過真空破壞閥破壞虹吸，切斷水流[2][3]。瓜洲泵站站身及進(jìn)出水流道單線圖如圖1—2所示。

圖1 瓜洲泵站站身示意圖

1 三維進(jìn)出水流道建模

大型泵站工程進(jìn)出水流道水力設(shè)計(jì)方法是通過三維CFD流場計(jì)算逐一優(yōu)化流道幾何參數(shù)[2- 5]，通過CAD方法和技術(shù)升級、擴(kuò)充原流道CAD功能調(diào)整流道幾何線型[6]，流道幾何參數(shù)并沒有固定的參考及約束函數(shù)，進(jìn)出水流道幾何模型需要通過復(fù)雜的曲面建模。瓜洲泵站進(jìn)出水流道水力優(yōu)化設(shè)計(jì)研究已委托高校并最后定型，其模型特點(diǎn)是進(jìn)水流道由進(jìn)口斷面逐步縮小過渡到圓形出口，即方變圓；出水流道由圓形進(jìn)口斷面逐步擴(kuò)大過渡到方形出口，即圓變方。通過進(jìn)出水流道單線圖導(dǎo)入建模軟件，并依據(jù)單線圖建立各個(gè)斷面，再通過曲線組形成曲面設(shè)計(jì)成型。瓜洲泵站進(jìn)出水流道三維幾何模型如圖3所示。

2 站身混凝土工程量計(jì)算

采用進(jìn)出水流道型式的泵站工程，涉及到站身工程量計(jì)算，以往方法是通過進(jìn)出水流道單線圖，每隔幾個(gè)斷面取斷面平均值乘以平均長度，累計(jì)疊加計(jì)算獲得進(jìn)出水流道體積，再加以扣除，即平均斷面法，該方法缺點(diǎn)是計(jì)算量有一定的誤差。三維法是通過三維進(jìn)出水流道建模，可直接得到流道體積，該方法計(jì)算量誤差很小，準(zhǔn)確度很高。

瓜洲泵站進(jìn)水流道體積為338.933m3，出水流道扣除水泵井筒內(nèi)及相交部分后體積為373.868m3；根據(jù)以往平均斷面計(jì)算方法，進(jìn)水流道體積為402.192m3，出水流道扣除水泵井筒內(nèi)及相交部分后體積為435.364m3。兩種方法體積誤差為：進(jìn)水流道18.66%，出水流道16.45%。瓜洲泵站初步設(shè)計(jì)工程量清單中有關(guān)站身混凝土用量，不考慮建筑物不同階段系數(shù)[7]，手算結(jié)果比實(shí)際建造的多748.53m3。

圖2 進(jìn)出水流道單線圖

圖3 瓜洲泵站進(jìn)出水流道三維模型圖

3 站身抗滑穩(wěn)定計(jì)算

泵站站身抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)按GB 50265—2010《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算[8]，即：

(1)

式中，Kc—抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；∑G—作用于閘底面以上的全部豎向荷載；∑H—作用于閘身上的全部水平向荷載；f—閘室底板底面與地基之間的摩擦系數(shù)。

計(jì)算方法及依據(jù)：①采用偏心受壓公式；②墻后回填土指標(biāo)：Φ=30°，c=0，r濕=19kN/m3，r飽=20kN/m3，r浮=10kN/m3；③墻后土壓力采用朗肯土壓力理論，按主動土壓力進(jìn)行計(jì)算；④根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，取綜合摩擦系數(shù)fc=0.35。

根據(jù)GB 50265—2010抗滑穩(wěn)定計(jì)算公式，取四種工況，兩種方法計(jì)算表格見表1。

表1 站身兩種方法站身抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果表

兩種方法各工況抗滑安全系數(shù)誤差在5%左右，平均斷面法計(jì)算所得的各工況抗滑安全系數(shù)略小于三維法，表明平均斷面法抗滑穩(wěn)定計(jì)算成果偏向保守。

表2 站身兩種方法站身地基反力計(jì)算成果表

4 地基反力計(jì)算

地基反力計(jì)算按GB 50265—2010計(jì)算[8]，即：

(2)

在三維建模軟件中，通過測量體命令，查詢進(jìn)出水流道實(shí)體模型各質(zhì)心坐標(biāo)，計(jì)算各質(zhì)心點(diǎn)到順?biāo)鞣较蛴?jì)算端點(diǎn)距離，即力臂，再乘以進(jìn)出水流道所占混凝土重量，以負(fù)彎矩計(jì)算。

有關(guān)進(jìn)出水流道力臂計(jì)算，平均斷面法求得進(jìn)出水流道力臂分別為7.66、23.9m，三維進(jìn)出水流道力臂分別為5.56、24.78m。

根據(jù)GB 50265—2010地基反力計(jì)算公式，取四種工況，兩種方法計(jì)算表格見表2。

兩種方法各工況地基反力誤差在5%左右，平均斷面法計(jì)算所得的各工況最大、最小及平均地基反力均略小于三維法，表明三維法地基反力計(jì)算成果偏向安全。

5 相貫線提取

兩立體組合時(shí)會產(chǎn)生兩立體相交情況，兩立體相交稱為兩立體相貫，其表面形成的交線稱做相貫線。對于圓柱面與圓柱面、圓柱面與球面、圓柱面與圓錐面等，可通過坐標(biāo)變換構(gòu)建相貫線并展開曲線方程[9]；對于不易用方程表示或者方程表達(dá)式未知的三維坐標(biāo)系實(shí)體相交的相貫線展開曲線方程有一定的困難，通常采用普遍規(guī)律的橢圓擬合法和基于曲線擬合的三坐標(biāo)軸分立最小二乘法兩種方法[10]。

瓜洲泵站出水流道進(jìn)口與水泵井筒相交，其相貫線形狀復(fù)雜。采用傳統(tǒng)CAD三視圖作圖方法提取相貫線面臨諸多困難，其最大的困難是無法知曉該相貫線在坐標(biāo)軸下的函數(shù)公式。通過三維法建立水泵井筒、出水流道、門洞及空箱等三維模型，再通過剪切等命令扣除出水流道就可提取相貫線。三維法無須知道不同部位的函數(shù)關(guān)系，且提取的相貫線快捷方便，精準(zhǔn)度符合設(shè)計(jì)要求。瓜洲泵站出水流道與水泵井筒相貫線如圖4所示。

圖4 出水流道與水泵井筒相貫線

提取相貫線轉(zhuǎn)化為CAD格式，在相貫線的基礎(chǔ)上，水泵井筒內(nèi)側(cè)鋼筋在相貫線處截?cái)嗯c出水流道銜接部位水平鋼筋、垂直鋼筋伸入流道鋼筋層長度不小于70cm并與流道鋼筋焊接，接頭長度應(yīng)滿足規(guī)范要求。出水流道內(nèi)側(cè)鋼筋在相貫線處截?cái)嗄┒藦澣胨镁畠?nèi)側(cè)70cm，并與水泵井內(nèi)側(cè)鋼筋焊接。水泵井筒內(nèi)側(cè)鋼筋圖如圖5所示。

圖5 水泵井筒內(nèi)壁鋼筋圖

6 結(jié)語

通過瓜洲泵站三維進(jìn)出水流道應(yīng)用與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法比較，在站身混凝土工程量有關(guān)進(jìn)出水流道體積計(jì)算、站身抗滑穩(wěn)定及地基反力計(jì)算中，三維法比傳統(tǒng)平均斷面法更加精準(zhǔn)；三維法提取相貫線更為便捷，能快速明確水泵井筒及出水流道內(nèi)側(cè)鋼筋截?cái)辔恢?。三維法在工程量、抗滑穩(wěn)定計(jì)算等有著傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法不具有的較大優(yōu)勢。在大型工程設(shè)計(jì)中遇到較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用三維設(shè)計(jì)輔助，既能合理優(yōu)化工程布局，又能進(jìn)一步提高水利工程

設(shè)計(jì)科技含量。