淺談中型水閘泵站的主要計(jì)算

黃義淳

（廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)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(kù)舊址,南靠廣船地塊,西臨芳村大道南,東靠珠江后航道,河長(zhǎng)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(dá)40 m。匯水總面積1.46 km2,平均比降4.5‰,河口現(xiàn)狀無(wú)水閘。鶴洞水閘泵站工程建設(shè)的主要內(nèi)容為：新建水閘1座,新建排澇泵站1座。本工程主要任務(wù)為防洪（潮）、治澇。通過(guò)本工程修建,減少危及到生命財(cái)產(chǎn)安全的事故所產(chǎn)生的社會(huì)效益和環(huán)境效益上。工程建設(shè)完善后,可以為本地區(qū)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展提供安全保障。

2 工程總布置

從現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際地形、水流形態(tài)、經(jīng)濟(jì)等方面考慮,并根據(jù)項(xiàng)目用地限制情況,采用水閘、泵站平面一字并排布置。中墩設(shè)分縫,水閘采用單孔8 m,泵站采用三臺(tái)機(jī)組。

此方案近期需要滿足9.75 m3/s的排澇要求,安裝2臺(tái)1.5 m3/s+1臺(tái)6.75 m3/s的機(jī)組組合。遠(yuǎn)期需要滿足15 m3/s的排澇要求,僅需將1臺(tái)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(cè),水閘底板高程-1.50 m,水閘設(shè)單孔,孔凈寬8 m,水閘總凈寬8 m。設(shè)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(cè)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(jìn)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(cè)。管理房平臺(tái)從進(jìn)水池前端開始至外江側(cè),沿涌邊管理范圍線平順布置。整體布置長(zhǎng)度為80 m。

3 建筑物主要計(jì)算

3.1 閘頂高程確定

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 265-2016）4.2.4的規(guī)定,閘頂高程應(yīng)根據(jù)擋水和泄水兩種運(yùn)用情況確定[1]。閘頂高程不應(yīng)低于正常蓄水位（或最高擋水位）加波浪計(jì)算高度與相應(yīng)安全超高值之和,并及根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 265-2016）4.2.22第3點(diǎn)工作橋、檢修橋的梁（板）底高程均應(yīng)高程最高洪水位0.5 m以上來(lái)確定水閘墩頂高程。鶴洞涌水閘擋洪（潮）標(biāo)準(zhǔn)為200 年一遇水位,1級(jí)建筑物。

（1）風(fēng)壅水面高度

按《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》有關(guān)風(fēng)浪要素計(jì)算的規(guī)定算出鶴洞涌水閘泵站水閘的等效風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度為150 m。

查廣東沿海地區(qū)國(guó)家氣象站設(shè)計(jì)風(fēng)速資料,荔灣區(qū)最大風(fēng)速為22 m/s。

風(fēng)壅水面高度計(jì)算公式：

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

（2）風(fēng)浪要素

平均波高按下列公式計(jì)算確定：

式中：H為平均波高,m；V為計(jì)算風(fēng)速,m/s；d為水域的平均水深,m；F為風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度,m；g為重力加速度,9.8 m/s2。

計(jì)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(jì)算：

計(jì)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(zhǎng)計(jì)算

按下式計(jì)算：

計(jì)算正常蓄水位平均波長(zhǎng)L=1.84 m,最高擋水位平均波長(zhǎng)L=4.45 m。

（5）波浪爬高采用莆田公式計(jì)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(shù),根據(jù)護(hù)面類型確定；KV為經(jīng)驗(yàn)系數(shù),可根據(jù)風(fēng)速V、壩前水深d、重力加速度g組成的無(wú)維量確定；KP為爬高累積頻率換算系數(shù)[2]；為壩前波浪的平均波高,m；L為壩前波浪波長(zhǎng)。

經(jīng)計(jì)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(yīng)低于水閘正常蓄水位或最高檔水位加波浪計(jì)算高度與相應(yīng)安全加高值之和。

泄水工況：閘頂高程不應(yīng)低于設(shè)計(jì)洪水位或校核洪水位與相應(yīng)安全加高值之和[3]。

兩種不同工況計(jì)算出來(lái)的閘頂高程見表1。

表1 閘頂計(jì)算表

同時(shí),根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)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(yīng)高出最高洪水位0.5 m以上[4],本工程梁底高程應(yīng)大于2.08+0.5=2.58 m,最大梁高=0.8 m,因此：設(shè)計(jì)閘頂高程=梁底高程+梁高≥3.38 m；《水閘設(shè)計(jì)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(yīng)低于防洪、擋潮堤堤頂高程。根據(jù)《珠江河口綜合治理規(guī)劃修編-主要測(cè)站設(shè)計(jì)潮位復(fù)核報(bào)告》（以下簡(jiǎn)稱《潮位復(fù)核報(bào)告》）的成果,200年一遇外江潮水位為3.07 m,根據(jù)《廣州市珠江堤防達(dá)標(biāo)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(biāo)廠計(jì)算資料,計(jì)算參數(shù)取值：有效吹程為600 m,平均水深為7.3 m,計(jì)算風(fēng)速為27.4 m/s,夾角取值為55°,計(jì)算得出波浪爬高為0.766 m,計(jì)算風(fēng)壅水面高0.006 m,按允許越浪計(jì)算安全超高0.5 m,得出計(jì)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(jì)算

初步擬定防滲長(zhǎng)度,根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》,采用規(guī)范公式4.3.2計(jì)算：

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

式中：L為閘基防滲長(zhǎng)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(shù),本工程泵站側(cè)建基面為強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖（k=8.49×10-5cm/s）,水閘側(cè)建基面為土質(zhì)采用回填埋石混凝土,換填層下部為粉質(zhì)粘土（無(wú)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(nèi)設(shè)計(jì)低水位Z內(nèi)= -0.60 m；

閘上、下游設(shè)計(jì)水頭差H=3.07-（-0.60）=3.67 m。

由設(shè)計(jì)圖紙查得泵站底板地下輪廓線E總長(zhǎng)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(shí)=L1+L2=18.5+4=22.5 m；

L計(jì)=CΔH=3.3×3.67=12.85 m；

實(shí)際L實(shí)=22.5.m＞計(jì)算L計(jì)=12.85 m滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 穩(wěn)定計(jì)算

3.3.1 計(jì)算工況

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》,鶴洞水閘泵站況包括完建情況、正常蓄水位情況、設(shè)計(jì)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(chǔ)荷載如圖1水閘計(jì)算模型所示。泵站地基為巖基,泵站基礎(chǔ)荷載如圖2泵站計(jì)算模型所示。根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求,水閘、泵站穩(wěn)定分析計(jì)算包括：水閘、泵站沿基礎(chǔ)底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)分析計(jì)算,基本公式如下：

圖1 水閘計(jì)算模型

圖2 泵站計(jì)算模型

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

泵站抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)分析計(jì)算,基本公式如下：

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

（1）水閘穩(wěn)定計(jì)算,結(jié)果見表2。

表2 閘室抗滑及基礎(chǔ)應(yīng)力成果表

（2）泵站穩(wěn)定計(jì)算,結(jié)果見表3。

表3 泵房抗滑及基礎(chǔ)應(yīng)力成果

4 結(jié)論

本文通過(guò)實(shí)例根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》《廣東省防洪（潮）標(biāo)準(zhǔn)和治澇標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（粵水電總字［1995］4號(hào)）[6]等文件及項(xiàng)目實(shí)際要求對(duì)廣州市荔灣區(qū)鶴洞水閘泵站工程的閘頂、水力、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定進(jìn)行計(jì)算討論,借助計(jì)算模型可以直觀地看出水閘、泵站相應(yīng)地基處理所能承受的荷載,為主要結(jié)構(gòu)物的耐久性、穩(wěn)定性提供的真實(shí)有效的數(shù)據(jù)基礎(chǔ),源頭上保證了工程的質(zhì)量。