水利樞紐工程泵站結(jié)構(gòu)設(shè)計及流道設(shè)計淺析

付寧波

（進(jìn)賢縣水利局，江西 進(jìn)賢331700）

1 引言

河洪泛濫嚴(yán)重影響到沿岸居民的生活、河道通航及沿線城鎮(zhèn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，因此，需要通常采用新建水利樞紐工程對河道進(jìn)行整治。常用的河道治理工程措施包括：堤防[1～2]、大壩[3～4]、泵站[5～6]等。針對城鎮(zhèn)發(fā)展情況，以及水路運輸需要，可修建船閘[7～8]以改善通航條件。本文以進(jìn)賢鐘陵水庫水利樞紐工程配套泵站為例，研究泵站結(jié)構(gòu)初步設(shè)計和流道設(shè)計。水庫屬于信江水系，控制流域面積12.3 km2，兼具防洪灌溉作用。泵站地基巖土體主要包括：人工填土(Qml)、耕土（Qpd）、第四系沖積層（Qal）。

2 泵站結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 泵站結(jié)構(gòu)比選

泵站設(shè)計流量300 m3/s，主要采用立軸式機(jī)組配“X”型流道的機(jī)組型式和雙向“S”形葉片的貫流式機(jī)組配平直管流道型式。采用立式軸流泵和豎井貫流泵進(jìn)行方案比選，水泵臺數(shù)宜3臺～9臺，單泵流量在30 m3/s～35 m3/s左右。

（1）方案一：立式軸流泵

泵站選用9臺套開敞式立式軸流泵，均采用三臺機(jī)組安裝在一塊底板上，即三機(jī)一聯(lián)，整個泵站共3聯(lián)。進(jìn)、出水流道凈寬9.0 m。（可研階段設(shè)計的流道寬度7.5 m。從已建成的同類型泵站流道寬度可見，流道寬度至少需為葉輪直徑的2.7倍左右。設(shè)計如此小的流道寬度，會帶來流道出口盲端側(cè)水流紊亂，造成機(jī)組運行不穩(wěn)定和閘門震動。本次調(diào)整到9.0 m。）邊墩厚1.4 m，中墩厚1.2 m，計算邊孔寬度為32 m，中孔寬度31.8 m，泵站橫向總寬度95.84 m?？紤]進(jìn)出水流道、站上廠房及公路橋的布置，站身底板順?biāo)飨蜷L42.9 m。水泵葉輪直徑3.25 m，水泵葉輪中心高程定為-3.5 m。

底板面高程-8.0 m，底板厚2 m，站身上下共分四層。底板以上至高程-2.10 m之間為進(jìn)水流道層，高程-2.1 m～3.2 m之間為出水流道層，高程3.2 m～9.6 m之間為輔機(jī)層，高程9.6 m以上為地面層。進(jìn)、出水流道兩側(cè)各布置2道快速工作門閘門，采用油壓啟閉機(jī)控制，泵站正反向運行通過四道工作門的切換實現(xiàn)。在進(jìn)、出水流道口前端均設(shè)置簡易攔污柵（安全格柵）1道。

主泵房內(nèi)配320/50 kN電動橋式起重機(jī)一臺，跨度為13.5 m，軌頂高程19.6 m，內(nèi)河側(cè)設(shè)副廠房，配2×100 kN橋式啟重機(jī)用于設(shè)備檢修。

（2）方案二：豎井貫流泵

泵站選用9臺套豎井貫流泵，均采用三臺機(jī)組安裝在一塊底板上，即三機(jī)一聯(lián)，整個泵站共3聯(lián)。進(jìn)、出水流道寬8.5 m，邊墩厚1.4 m，中墩厚1.2 m，計算邊孔寬度為30.5 m，中孔寬度30.3 m，泵站橫向總寬度91.34 m?？紤]豎井布置、進(jìn)出水流道、站上廠房及公路橋的布置，站身底板順?biāo)鞣较蜷L42.9 m。水泵葉輪直徑3.25 m，泵站內(nèi)河側(cè)最低引水運行水位2.80 m，水泵葉輪中心高程定為-2.5 m，泵站流道頂高程為0.0 m，底板面高程-5.0 m，豎井頂1.0 m，廠房地面9.60 m。

泵站兩側(cè)流道均采用快速閘門斷流，并在快速工作閘門外側(cè)各設(shè)快速事故閘門（兼防洪門）1道。工作閘門和事故閘門均采用油壓啟閉機(jī)控制。在進(jìn)、出水流道口前端均設(shè)置簡易攔污柵（安全格柵）1道。

主泵房內(nèi)配320/50 kN電動橋式起重機(jī)一臺，跨度為16 m，軌頂高程19.6 m，長江側(cè)設(shè)副廠房，配2×200 kN橋式啟重機(jī)用于設(shè)備檢修。

表1 兩種站身方案對比

由表1，方案二相對于方案一有著明顯的工程優(yōu)勢，同時考慮目前低揚程雙向泵的水力模型較少，推薦采用方案二。

2.2 泵站結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2.1 站頂高程

站頂高程計算過程如下：

H1=設(shè)計洪（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。

根據(jù)以上計算，站頂高程應(yīng)不低于10.01 m，該段長江堤防防浪墻墻頂高程為10.10，綜合確定泵站頂高程為10.10 m。

2.2.2 主泵房長度

泵站9臺機(jī)組成一列式布置，分設(shè)三塊底板，每塊布置三臺機(jī)組。主泵房的長度按下式計算：

式中：L為主泵房的長度；n為主機(jī)組臺數(shù)；B為進(jìn)水流道寬度；a為間隔墩厚度；c1、c2為東、西邊墩厚度；c3為縫墩厚度；f為縫寬。

2.2.3 穩(wěn)定性計算

泵站站身底板為粉砂、細(xì)砂，局部砂壤土，C=3.8 kPa，φ=25.5°，地基允許承載力為120 kPa，標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)為12，底板與土之間的綜合摩擦系數(shù)取用0.35；墻后填土等代內(nèi)摩擦角取28°。

站身穩(wěn)定計算成果見表2～表5。

表2 泵站站身中聯(lián)孔縱向穩(wěn)定計算成果表

表3 泵站站身兩邊聯(lián)孔縱向穩(wěn)定計算成果表

表4 泵站邊聯(lián)孔（臨土側(cè)）側(cè)向穩(wěn)定計算成果表

表5 泵站邊聯(lián)孔（臨土側(cè)）雙向穩(wěn)定計算成果表

根據(jù)以上計算結(jié)果，站身抗滑穩(wěn)定、基底反力不均勻系數(shù)均滿足規(guī)范要求，但地基承載力大于地基允許承載力，需進(jìn)行地基處理，擬采用φ100鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，設(shè)計樁長7 m～10.0 m，間距2.0 m。

3 水泵流道設(shè)計

3.1 雙層“X”流道設(shè)計

進(jìn)口斷面處流速宜取0.8 m/s～1.0 m/s，對于雙向進(jìn)水流道，平均速度取值應(yīng)比規(guī)范要求小，以防止有害旋渦的產(chǎn)生；對于雙向出水流道，由于一側(cè)流道出水時，另一側(cè)流道閘門關(guān)閉，水流從擴(kuò)散喇叭管出來以后，向流道兩側(cè)流動，在閘門關(guān)閉側(cè)形成水流的擾動，如果流道寬度過窄，會形成振動，造成機(jī)組運行的不穩(wěn)定。

圖1 雙層“X”流道出水流道流場圖

從圖1可以看出，在出水流道的盲端水流是非常紊亂的，為了解決這個問題，對雙層“X”流道時要特別注意流道高度和寬度的選擇。表6列出了近幾年已建同類型泵站進(jìn)出水流道的主要控制尺寸，確定雙向開敞式進(jìn)水流道寬度取9 m，為2.73 D，高度取5 m，為1.52 D，進(jìn)水流道進(jìn)口流速為0.74 m/s。

表6 同類型泵站進(jìn)出水流道主要控制尺寸

水泵葉輪直徑為3.25 m，流道進(jìn)口斷面的寬度為7.5 m，為2.31 D。從表6可以看出，同類型泵站流道寬度至少也在葉輪直徑的2.7倍左右。設(shè)計如此小的流道寬度，會帶來流道出口盲端側(cè)水流非常紊亂，造成機(jī)組運行很不穩(wěn)定。

雙層“X”流道分為上下兩層，上層水泵出水采用曲線旋轉(zhuǎn)面擴(kuò)散管出水方式，經(jīng)開敞式出水流道流出，底層采用平面蝸殼式進(jìn)水流道，根據(jù)已建泵站經(jīng)驗，在流道中合適位置設(shè)置導(dǎo)水錐，可防止漩渦產(chǎn)生。

3.2 雙層“X”流道斷流方式

根據(jù)本機(jī)組的特點及流道型式，分別在雙層流道的進(jìn)、出口各設(shè)置1道快速閘門，通過閘門切換來配合水泵雙向抽水的啟動和斷流。

4 結(jié)論

（1）在滿足水力要素的條件下，豎井貫流泵具有工程量小、投資小、水泵效率和氣蝕均優(yōu)于立式軸流泵。采用理論計算，確定泵站站頂高程和主泵房長度，通過理論計算天然地基需采用鉆孔灌注樁處理后，承載力方可滿足要求。

（2）針對工程特點雙層“X”流道，可降低流道損失，配合使用導(dǎo)水錐可防止出現(xiàn)旋渦，在進(jìn)、出口處設(shè)置一道閘門控制抽水的啟動和斷流。