淺談中型水閘泵站的主要計算

黃義淳

（廣東省水利電力勘測設計研究院有限公司,廣東 廣州 510170）

1 工程概況

鶴洞涌位于荔灣區(qū)白鶴洞街道,北靠德士古油庫舊址,南靠廣船地塊,西臨芳村大道南,東靠珠江后航道,河長約0.37 km,寬度5 m～15 m、河底高程-0.8 m～0.33 m,匯入珠江口處河寬達40 m。匯水總面積1.46 km2,平均比降4.5‰,河口現狀無水閘。鶴洞水閘泵站工程建設的主要內容為：新建水閘1座,新建排澇泵站1座。本工程主要任務為防洪（潮）、治澇。通過本工程修建,減少危及到生命財產安全的事故所產生的社會效益和環(huán)境效益上。工程建設完善后,可以為本地區(qū)經濟可持續(xù)發(fā)展提供安全保障。

2 工程總布置

從現場的實際地形、水流形態(tài)、經濟等方面考慮,并根據項目用地限制情況,采用水閘、泵站平面一字并排布置。中墩設分縫,水閘采用單孔8 m,泵站采用三臺機組。

此方案近期需要滿足9.75 m3/s的排澇要求,安裝2臺1.5 m3/s+1臺6.75 m3/s的機組組合。遠期需要滿足15 m3/s的排澇要求,僅需將1臺1.5 m3/s的水泵更換為6.75 m3/s的水泵。建筑物總寬25.10 m,水閘布置在左岸側,水閘底板高程-1.50 m,水閘設單孔,孔凈寬8 m,水閘總凈寬8 m。設一孔防洪排澇閘,閘門采用平板頂升式鋼閘門,孔口尺寸（孔口凈寬×凈高）為8.0 m×5.9 m,底檻高程1.50 m。右側布置排澇泵站,排澇泵站底板高程-4.10 m,閘墩頂高程4.40 m。泵房布置為一字并排布置,均為正向進水及出水。排澇泵站凈寬12.4 m,泵房底高程為-4.10 m。管理房布置在右岸外江側。管理房平臺從進水池前端開始至外江側,沿涌邊管理范圍線平順布置。整體布置長度為80 m。

3 建筑物主要計算

3.1 閘頂高程確定

根據《水閘設計規(guī)范》（SL 265-2016）4.2.4的規(guī)定,閘頂高程應根據擋水和泄水兩種運用情況確定[1]。閘頂高程不應低于正常蓄水位（或最高擋水位）加波浪計算高度與相應安全超高值之和,并及根據《水閘設計規(guī)范》（SL 265-2016）4.2.22第3點工作橋、檢修橋的梁（板）底高程均應高程最高洪水位0.5 m以上來確定水閘墩頂高程。鶴洞涌水閘擋洪（潮）標準為200 年一遇水位,1級建筑物。

（1）風壅水面高度

按《水閘設計規(guī)范》有關風浪要素計算的規(guī)定算出鶴洞涌水閘泵站水閘的等效風區(qū)長度為150 m。

查廣東沿海地區(qū)國家氣象站設計風速資料,荔灣區(qū)最大風速為22 m/s。

風壅水面高度計算公式：

式中：e為風壅水面高度,m；K為綜合摩阻系數；V為計算風速,m/s；d為水域的平均水深,m；F為風區(qū)長度,m；g為重力加速度,9.8m/s2；β為風向垂直于大壩軸線的法線的夾角（°）,30°。

（2）風浪要素

平均波高按下列公式計算確定：

式中：H為平均波高,m；V為計算風速,m/s；d為水域的平均水深,m；F為風區(qū)長度,m；g為重力加速度,9.8 m/s2。

計算正常蓄水位平均波高H=0.14 m,最高擋水位平均波高=0.34 m。

（3）平均波周期

按下式計算：

計算正常蓄水位平均波周期T=1.09 s,最高擋水位平均波周期=1.69 s。

（4）波長計算

按下式計算：

計算正常蓄水位平均波長L=1.84 m,最高擋水位平均波長L=4.45 m。

（5）波浪爬高采用莆田公式計算：

式中：RP為累積頻率為P的波浪爬高；KA為斜坡的粗率及滲透系數,根據護面類型確定；KV為經驗系數,可根據風速V、壩前水深d、重力加速度g組成的無維量確定；KP為爬高累積頻率換算系數[2]；為壩前波浪的平均波高,m；L為壩前波浪波長。

經計算,正常蓄水位浪高0.17 m,最高擋水位浪高0.42 m。

擋水工況：閘頂高程不應低于水閘正常蓄水位或最高檔水位加波浪計算高度與相應安全加高值之和。

泄水工況：閘頂高程不應低于設計洪水位或校核洪水位與相應安全加高值之和[3]。

兩種不同工況計算出來的閘頂高程見表1。

表1 閘頂計算表

同時,根據《水閘設計規(guī)范》（SL 265-2016）4.2.22,工作橋、檢修便橋和交通橋的梁底高程應高出最高洪水位0.5 m以上[4],本工程梁底高程應大于2.08+0.5=2.58 m,最大梁高=0.8 m,因此：設計閘頂高程=梁底高程+梁高≥3.38 m；《水閘設計規(guī)范》（SL 265-2016）4.2.5,位于防洪、擋潮堤上的水閘,其閘頂高程不應低于防洪、擋潮堤堤頂高程。根據《珠江河口綜合治理規(guī)劃修編-主要測站設計潮位復核報告》（以下簡稱《潮位復核報告》）的成果,200年一遇外江潮水位為3.07 m,根據《廣州市珠江堤防達標提升總體方案》,本工程所在位置為珠江后航道,參考最近的浮標廠計算資料,計算參數取值：有效吹程為600 m,平均水深為7.3 m,計算風速為27.4 m/s,夾角取值為55°,計算得出波浪爬高為0.766 m,計算風壅水面高0.006 m,按允許越浪計算安全超高0.5 m,得出計算堤頂超高1.27 m,因此得出堤頂超高取值1.30 m。

鶴洞水閘附近珠江堤防的堤頂高程3.07+1.30=4.37 m。

綜上,本工程閘頂高程取4.40 m≥4.34 m,滿足規(guī)范。

3.2 滲流計算

初步擬定防滲長度,根據《水閘設計規(guī)范》,采用規(guī)范公式4.3.2計算：

由于典故負載的文化信息在一定程度上反映了一個特定地區(qū)民族的民風、民俗背景以及長期積淀而形成的民族文化傳統(tǒng)與心理，具有特定的內涵與寓意，加上原語與譯入語的語言體系及表達方式的不同，所以在譯入語中有時難以找到完全對應的表達方式，因此在翻譯過程中原文文化內涵與寓意的流失便不可避免，從而進一步加大了譯入語讀者對原文的理解難度。采用文中加尾注的方法，基本能夠補充譯文中缺失的信息，使譯入語讀者更好地理解原文的文化底蘊。

式中：L為閘基防滲長度,及閘基輪廓線防滲部分水平段和垂直段總和,m；ΔH為上下游水位差,m；C為允許滲徑系數,本工程泵站側建基面為強風化粉砂質泥巖（k=8.49×10-5cm/s）,水閘側建基面為土質采用回填埋石混凝土,換填層下部為粉質粘土（無濾層,k=4.50×10-5cm/s）,綜合取為3.3。

防洪外江水位Z江=3.07 m；

閘內設計低水位Z內= -0.60 m；

閘上、下游設計水頭差H=3.07-（-0.60）=3.67 m。

由設計圖紙查得泵站底板地下輪廓線E總長度：

水平滲徑L1=18.5 m

垂直滲徑：

L2=1.5+0.5+0.5+1.5=4.0 m；

L實=L1+L2=18.5+4=22.5 m；

L計=CΔH=3.3×3.67=12.85 m；

實際L實=22.5.m＞計算L計=12.85 m滿足設計要求。

3.3 穩(wěn)定計算

3.3.1 計算工況

根據《水閘設計規(guī)范》《泵站設計規(guī)范》《水工建筑物荷載設計規(guī)范》《水工建筑物抗震設計標準》,鶴洞水閘泵站況包括完建情況、正常蓄水位情況、設計洪水位情況、施工情況、檢修情況、校核洪水位情況、地震情況。

3.3.2 荷載

本工程水閘地基為土基,水閘基礎荷載如圖1水閘計算模型所示。泵站地基為巖基,泵站基礎荷載如圖2泵站計算模型所示。根據《水閘設計規(guī)范》《泵站設計規(guī)范》的要求,水閘、泵站穩(wěn)定分析計算包括：水閘、泵站沿基礎底面的抗滑穩(wěn)定安全系數分析計算,基本公式如下：

圖1 水閘計算模型

圖2 泵站計算模型

式中：Kc為抗滑安全穩(wěn)定系數；∑G為作用與泵房基礎底面以上的全部豎向荷載（包括揚壓力,kN）；∑H為作用與泵房基礎底面以上的全部水平荷載,kN；f 為基礎底面與地基之間的摩擦系數,水閘部分基底為粉質粘土,取0.4,泵站部分地基類別為軟質巖石（極軟）,取值為0.45。

泵站抗浮穩(wěn)定安全系數分析計算,基本公式如下：

式中：Kf為抗浮安全穩(wěn)定系數；∑V為作用與泵房基礎底面以上的全部重力,kN；∑U為作用與泵房基礎底面以上的揚壓力,kN[5]。

（1）水閘穩(wěn)定計算,結果見表2。

表2 閘室抗滑及基礎應力成果表

（2）泵站穩(wěn)定計算,結果見表3。

表3 泵房抗滑及基礎應力成果

4 結論

本文通過實例根據《水閘設計規(guī)范》《泵站設計規(guī)范》《廣東省防洪（潮）標準和治澇標準（試行）》（粵水電總字［1995］4號）[6]等文件及項目實際要求對廣州市荔灣區(qū)鶴洞水閘泵站工程的閘頂、水力、結構穩(wěn)定進行計算討論,借助計算模型可以直觀地看出水閘、泵站相應地基處理所能承受的荷載,為主要結構物的耐久性、穩(wěn)定性提供的真實有效的數據基礎,源頭上保證了工程的質量。