三維流道在瓜洲泵站工程設(shè)計的應(yīng)用

蘇葉平,吳佩峰,張夢穎,吳東恒

(1.江蘇省水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 揚州 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臺水泵機組，設(shè)計流量為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；本工程防洪標準取100年一遇設(shè)計，200年一遇校核[1]。

在大型泵站工程設(shè)計中，為了減少土建工程量，提高整個泵站工程運行效率，專門設(shè)計專用進出水流道。瓜洲泵站站身設(shè)計采用肘形進水流道和虹吸式出水流道。肘形進水流道的特點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)點是運行方便可靠，水泵停機時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 三維進出水流道建模

大型泵站工程進出水流道水力設(shè)計方法是通過三維CFD流場計算逐一優(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。瓜洲泵站進出水流道水力優(yōu)化設(shè)計研究已委托高校并最后定型，其模型特點是進水流道由進口斷面逐步縮小過渡到圓形出口，即方變圓；出水流道由圓形進口斷面逐步擴大過渡到方形出口，即圓變方。通過進出水流道單線圖導(dǎo)入建模軟件，并依據(jù)單線圖建立各個斷面，再通過曲線組形成曲面設(shè)計成型。瓜洲泵站進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算

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

瓜洲泵站進水流道體積為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)以往平均斷面計算方法，進水流道體積為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：進水流道18.66%，出水流道16.45%。瓜洲泵站初步設(shè)計工程量清單中有關(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)果比實際建造的多748.53m3。

圖2 進出水流道單線圖

圖3 瓜洲泵站進出水流道三維模型圖

3 站身抗滑穩(wěn)定計算

泵站站身抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)按GB 50265—2010《泵站設(shè)計規(guī)范》計算[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)。

計算方法及依據(jù)：①采用偏心受壓公式；②墻后回填土指標：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，按主動土壓力進行計算；④根據(jù)地質(zhì)報告，取綜合摩擦系數(shù)fc=0.35。

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

表1 站身兩種方法站身抗滑穩(wěn)定計算成果表

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)定計算成果偏向保守。

表2 站身兩種方法站身地基反力計算成果表

4 地基反力計算

地基反力計算按GB 50265—2010計算[8]，即：

(2)

在三維建模軟件中，通過測量體命令，查詢進出水流道實體模型各質(zhì)心坐標，計算各質(zhì)心點到順水流方向計算端點距離，即力臂，再乘以進出水流道所占混凝土重量，以負彎矩計算。

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

根據(jù)GB 50265—2010地基反力計算公式，取四種工況，兩種方法計算表格見表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算成果偏向安全。

5 相貫線提取

兩立體組合時會產(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式未知的三維坐標系實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軸分立最小二乘法兩種方法[10]。

瓜洲泵站出水流道進口與水泵井筒相交，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，精準度符合設(shè)計要求。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)鋼筋在相貫線處截斷與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)鋼筋在相貫線處截斷末端彎入水泵井內(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出水流道應(yīng)用與傳統(tǒng)設(shè)計方法比較，在站身混凝土工程量有關(guān)進出水流道體積計算、站身抗滑穩(wěn)定及地基反力計算中，三維法比傳統(tǒng)平均斷面法更加精準；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)鋼筋截斷位置。三維法在工程量、抗滑穩(wěn)定計算等有著傳統(tǒng)的設(shè)計方法不具有的較大優(yōu)勢。在大型工程設(shè)計中遇到較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，應(yīng)采用三維設(shè)計輔助，既能合理優(yōu)化工程布局，又能進一步提高水利工程

設(shè)計科技含量。