水利工程泵站结构设计及流道优化设计研究

水利工程泵站结构设计及流道优化设计研究

徐君冉

河北天和咨询有限公司   河北石家庄   050021

摘要：由于水利工程功能作用的特点，泵站结构经常受水流冲利，受外部各种因素的干扰影响较大，一旦设计或施工错误，就很易发生工程质量问题，产生巨大的经济损失，情况严重的甚至会发生安全事故。本文根据多年从事水利方面的有关工作经历，并根据水利工程泵站施工特点，对结构做出了合理设计，确保施工结果可以达到专业要求，文章对此进行了简要分析。

关键词：水利工程；泵站结构；流道优化；研究

前言：在城市信息化建设进程中，泵站设置和建造对人民生产生活和发展的作用越来越明显。一般来说，工程设计工作者在设计泵站结构时，必须立足于模型和荷载的分析研究，并严格地按照泵站结构原理，使架构设计更符合抽水站设计特点，故本次讨论重点主要围绕着水利工程泵站架构设计和节流管结构设计展开讨论。

1泵站结构设计内容

1.1泵站结构模型计算

在设计泵站构造中，必须联合结构特点和其实现，形成结构模型。包括启闭排架、启闭室、上部厂房、下部结构。并根据模型进行计算，才能保证构造稳定性。泵站的下部结构通常是钢筋混凝体系。在模型计算时，需要结合长宽比估算楼板构造，当计算数值等于0.5，楼板结构计算为单板;而当计算数值超过0.5，底板构造结算为双面板。在建立泵站的上部结构框架模板时，也需要依据框架模板，不但要注意模型正确性，而且还必须注意内容全面性。

1.2结构荷载计算与稳定性分析

根据设计模型，对泵站在各种情况的受力状态进行了研究。在设计泵站压强时，需要考虑泵站墙体自重、静水压力、水重、地气压、风气压和扬气压等，也可考虑其他的不良压力因素。在设计泵站构造时，考虑工程现场状况，并结合工程现场设施的特性，以研究不良状态。另外，构造稳定安全系数必须符合排水泵站设计规范与要求，全面考虑不平衡系数容值、抗浮安全系数容值、抗滑安全系数容值等方面。

1.3泵房高度的确定

（1）主泵房电动机级的净高必须符合下列规定：首先，立式发电机组必须符合调节水泵轴或发电机转子联轴节的吊装条件。若叶轮调节机构采用机械控制方式，则必须符合调节轴吊运的规定。其次，卧式机组必须符合由水泵或发电机整体吊装，或在运输设备上整体安装的规定。最后，起重机最高处距屋面大梁下部高度不应低于0.3m。

（2）吊装的机械装置和固定物的相对间距必须满足以下条件：第一，当使用刚性吊具时，垂直于方位不应低于0.3m;使用柔性吊具时，垂直于方位不应低于0.5m。第二，水平方向高度不允许低于0.4m。第三，当主变压器大修后，其抽芯所要求的标高并不能成为判断主泵室设计标高的重要依据。若吊挂标高不够的，则可设置交流变压器检修坑。

（3）水泵层净高不得低于4m，排水泵房净高不得低于2.4m，空气压缩机房净高应超过贮气罐的高度，但也不能小于3.5m，并有适当的泄压面积。主泵房水泵层底板高度宜依据自动化泵的安装高度和进水道布局以及管路安装条件等原因而决定。水泵布置宜根据泵房处的地形、地质等条件综合决定。主泵房电动机层楼板高度宜参照自动化泵安装高度，以及水泵轴线、电机轴承的直径等因素综合决定。

1.4主泵房宽度的确定

（1）立式机组：泵室设计的直径应按照汽轮机及风道的直径和上、下流侧安装和维修管道所要求的尺寸确定。电机底部和泵层中间的上、下游两侧均为运行维护管道，其净宽不能小于1.2m-1.5m当附近安装有控制盘箱的，其净宽也不能小于2m。泵层的运行管道中，还应当满足机器搬运的要求。（2）卧式机组：泵房长度宜按照水泵、闸门以及所配备的其他管件规格，以及符合电气设备布置、检测和操作维修管道及交通道布置的条件制定。

1.5泵房长度的确定

主泵房尺寸大小一般按照主机组台号、安装方式、机组间隔、周边机段长度，以及维修位置问题等因素，并满足提升机组和泵房内部交通的要求。

2泵房稳定分析及地基处理

2.1泵房稳定分析

（1）自重分为泵房结构自重、基础材料质量和永久装置质量。（2）静水压力必须严格按照各种正常运行水位计量。针对较多泥沙流域，要将含沙量对于水体容重的影响充分考虑进来。（3）扬压强，应包括浮力和渗透压。应根据基础型式、不同工况下的水位组合要求、泵房底座防渗排水设备的布置因素来选择渗透压。对于土基，采用改进的阻力系数法估算岩石基的T，采用线性分布法估算T。（4）土压力与基地的自然条件相对应。为解决泵室设计引起回填土的协调和变化，采用主动地压或静力地压设计。计算时应考虑填土面过载的影响。（5）泥沙压力可根据泵房的位置和泥沙可能淤积的程度来确定。

2.2地基计算及处理

泵房所使用的地面，应符合强度、稳定性与变化的规定，地基宜采用天然地基。细粘性土基层标准贯入量为4击，细砂土基层标准贯入量小于等于8，不是天然的根基。当泵房结构对地岩层物理力学性质不利，不能与地面建筑结构协调时，可选用人工土壤。在泵房结构地层中，应将最容易发生土壤“液化”的地层彻底清除。当地层无法清除时，宜进行桩帽基础、振冲砂桩或强夯等处理，或根据地层的防渗要求，采用板桩或防渗墙封堵。如果泵房结构基础为湿陷性黄土或岩石基础，可采用重质表面压实、置换垫层土、石灰土桩压实、预淹道路等处理方法，严格符合现行国家标准《湿陷性黄土地区施工技术规范》的相关要求。

3泵站结构设计与流道优化需要解决的问题

3.1混凝土防腐性能

在泵站架构设计时，必须充分考虑到混凝土耐腐蚀和溶解性，注意研究混凝土酸碱值变化规律，减少因pH值超标引起腐蚀性的作用，同时对泵站混凝土构件的表面上加以控制。在优化流管中，可采用入水前池底墙、边壁作为固墙；边界条件结合固墙法加以解决。固壁存在的边界状态下，可利用无滑动条件调整固壁区域节点，采用有效优化或组合紧靠固壁的节点缩流，优化分析固壁函数，有效减小固壁区域节点位置。

3.2优化出水流道边界条件

对泵站的水流道，需要结合出水温度情况、气压改变加以调整。水流通过泵导叶体出口，会发生回转动作，最终流入到出水道。导叶体向出口的断面压力差较大，土壤与水体流量分配不均，所以不能计算数值。但为保证进口边界状态计算的精度，在计算出水流通道后，可利用流场变换原理，将出水流量通道的进口位置及断面，沿着逆潮流走向加以延长。

3.3优化进水流道

如果进水流道形状尺寸设计错误，流速道内极易形成涡带，进而对泵工作效率造成负面影响。涡带流排入管网后，会进一步增加机组振动。进水道作为水工结构的主要部分，外形大小对泵站投入、实施建造的负面影响很大。所以，通过优化进水道选择，并进行科学化设计，对水泵运用和施工效果负面影响的降低更为突出。

3.4计算流道网格

为了利用软件实现三维形体造体，在各个地区还可以使用不同的方格分类，还需要结合进水道流场，分析网格尺寸变化。在计算区域方格分类时，还可以应用非结构网格分类方法。对进出水道连接的前池，还可以使用混合网格分类。在优化前池设计时，必须使用结构化网络分析，详细计算出流的垂直管道，实施混合网格分类，通过几次对比，得到最合理的方格。

结语：

综上所述，在工程中，泵站是重点的建设项目，因此泵站结构设计应当充分考虑参数要求，并结合受力情况，优化设置泵站构造。通过调整设计方案，才能合理应用到泵房后期使用。另外，水利工程设计还需要调整流道，计算各种控制系数，确定整体建筑设计方案的可靠性。

参考文献：

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[2]权开龙.水利工程泵站建设中的施工管理研究[J].工程技术发展,2021,2(2):7-8.

[3]冷文霜.水利枢纽工程泵站结构设计及流道设计研究[J].中国高新科技,2020(20).

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