水利樞紐工程泵站結構設計及流道設計淺析

付寧波

（進賢縣水利局，江西 進賢331700）

1 引言

河洪泛濫嚴重影響到沿岸居民的生活、河道通航及沿線城鎮經濟發展，因此，需要通常采用新建水利樞紐工程對河道進行整治。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。針對城鎮發展情況，以及水路運輸需要，可修建船閘[7～8]以改善通航條件。本文以進賢鐘陵水庫水利樞紐工程配套泵站為例，研究泵站結構初步設計和流道設計。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 泵站結構設計

2.1 泵站結構比選

泵站設計流量300 m3/s，主要采用立軸式機組配“X”型流道的機組型式和雙向“S”形葉片的貫流式機組配平直管流道型式。采用立式軸流泵和豎井貫流泵進行方案比選，水泵臺數宜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，均采用三臺機組安裝在一塊底板上，即三機一聯，整個泵站共3聯。進、出水流道凈寬9.0 m。（可研階段設計的流道寬度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。設計如此小的流道寬度，會帶來流道出口盲端側水流紊亂，造成機組運行不穩定和閘門震動。本次調整到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。考慮進出水流道、站上廠房及公路橋的布置，站身底板順水流向長42.9 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之間為輔機層，高程9.6 m以上為地面層。進、出水流道兩側各布置2道快速工作門閘門，采用油壓啟閉機控制，泵站正反向運行通過四道工作門的切換實現。在進、出水流道口前端均設置簡易攔污柵（安全格柵）1道。

主泵房內配320/50 kN電動橋式起重機一臺，跨度為13.5 m，軌頂高程19.6 m，內河側設副廠房，配2×100 kN橋式啟重機用于設備檢修。

（2）方案二：豎井貫流泵

泵站選用9臺套豎井貫流泵，均采用三臺機組安裝在一塊底板上，即三機一聯，整個泵站共3聯。進、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、進出水流道、站上廠房及公路橋的布置，站身底板順水流方向長42.9 m。水泵葉輪直徑3.25 m，泵站內河側最低引水運行水位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。

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

主泵房內配320/50 kN電動橋式起重機一臺，跨度為16 m，軌頂高程19.6 m，長江側設副廠房，配2×200 kN橋式啟重機用于設備檢修。

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 泵站結構設計

2.2.1 站頂高程

站頂高程計算過程如下：

H1=設計洪（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。

根據以上計算，站頂高程應不低于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臺機組成一列式布置，分設三塊底板，每塊布置三臺機組。主泵房的長度按下式計算：

式中：L為主泵房的長度；n為主機組臺數；B為進水流道寬度；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 穩定性計算

泵站站身底板為粉砂、細砂，局部砂壤土，C=3.8 kPa，φ=25.5°，地基允許承載力為120 kPa，標準貫入擊數為12，底板與土之間的綜合摩擦系數取用0.35；墻后填土等代內摩擦角取28°。

站身穩定計算成果見表2～表5。

表2 泵站站身中聯孔縱向穩定計算成果表

表3 泵站站身兩邊聯孔縱向穩定計算成果表

表4 泵站邊聯孔（臨土側）側向穩定計算成果表

表5 泵站邊聯孔（臨土側）雙向穩定計算成果表

根據以上計算結果，站身抗滑穩定、基底反力不均勻系數均滿足規范要求，但地基承載力大于地基允許承載力，需進行地基處理，擬采用φ100鉆孔灌注樁基礎，設計樁長7 m～10.0 m，間距2.0 m。

3 水泵流道設計

3.1 雙層“X”流道設計

進口斷面處流速宜取0.8 m/s～1.0 m/s，對于雙向進水流道，平均速度取值應比規范要求小，以防止有害旋渦的產生；對于雙向出水流道，由于一側流道出水時，另一側流道閘門關閉，水流從擴散喇叭管出來以后，向流道兩側流動，在閘門關閉側形成水流的擾動，如果流道寬度過窄，會形成振動，造成機組運行的不穩定。

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出水流道的主要控制尺寸，確定雙向開敞式進水流道寬度取9 m，為2.73 D，高度取5 m，為1.52 D，進水流道進口流速為0.74 m/s。

表6 同類型泵站進出水流道主要控制尺寸

水泵葉輪直徑為3.25 m，流道進口斷面的寬度為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。設計如此小的流道寬度，會帶來流道出口盲端側水流非常紊亂，造成機組運行很不穩定。

雙層“X”流道分為上下兩層，上層水泵出水采用曲線旋轉面擴散管出水方式，經開敞式出水流道流出，底層采用平面蝸殼式進水流道，根據已建泵站經驗，在流道中合適位置設置導水錐，可防止漩渦產生。

3.2 雙層“X”流道斷流方式

根據本機組的特點及流道型式，分別在雙層流道的進、出口各設置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，配合使用導水錐可防止出現旋渦，在進、出口處設置一道閘門控制抽水的啟動和斷流。