雨水泵站工艺及水力设计计算书

雨水泵站工艺及水力设计计算书工程名称：某城市新区雨水泵站工程设计阶段：施工图设计设计规模：Q=8.5m³/s泵站等别：Ⅲ等建筑物级别：3级二〇二六年九月

目录TOC\o"1-2"\h\z\u1概述 概述1.1工程概况本工程为某城市新区雨水泵站，主要承担新区250hm²汇水面积内的雨水排除任务。泵站服务区域包括城市主干道、商业用地、居住用地及绿地等，区域地势较低，雨水无法自流排入受纳水体，需设泵站提升排放。泵站设计规模为雨水设计流量Q=8.5m³/s，采用4台工作泵+1台备用泵的配置方案，单泵设计流量Q₀=2.13m³/s。泵站为地下式泵房，采用潜水混流泵，集水池与泵房合建。受纳水体为城市河道，河道常水位3.50m，设计洪水位（20年一遇）5.00m，枯水位2.00m。泵站出水采用压力管道接入河道，出口设置拍门防止倒灌。1.2设计依据本计算书编制依据以下文件及资料：（1）《某城市新区排水工程专项规划》；（2）《某城市新区雨水泵站工程可行性研究报告》及批复文件；（3）泵站站址区域1:500地形图及地下管线探测资料；（4）泵站站址岩土工程勘察报告；（5）受纳水体水文资料及河道断面测量成果；（6）泵站进水管道水力计算成果。1.3引用标准本工程设计及计算执行以下现行国家标准及行业规范：表1-1主要引用标准规范一览表标准编号标准名称GB50265—2022《泵站设计标准》GB50014—2021《室外排水设计标准》GB50069—2002《给水排水工程构筑物结构设计规范》GB50010—2010（2015年版）《混凝土结构设计规范》GB50007—2011《建筑地基基础设计规范》GB50011—2010（2016年版）《建筑抗震设计规范》GB50201—2014《防洪标准》GB/T50087—2013《工业企业噪声控制设计规范》GB50052—2009《供配电系统设计规范》GB50054—2011《低压配电设计规范》CJJ/T243—2016《城镇排水泵站设计规程》GB/T3216—2017《回转动力泵水力性能验收试验1级和2级》1.4设计原则（1）严格执行国家现行有关规范、标准，确保泵站运行安全可靠；（2）设计流量及扬程应满足服务区雨水排除要求，并留有适当裕度；（3）水泵选型应兼顾高效节能与运行稳定性，在全扬程范围内安全运行；（4）结构设计应满足承载力、抗浮、抗渗、抗裂及耐久性要求；（5）泵站布置应紧凑合理，便于设备安装、运行维护及管理；（6）充分考虑自动化控制要求，实现泵站无人值守、远程监控。1.5设计范围本计算书涵盖雨水泵站工程的以下设计计算内容：设计流量计算、集水池工艺设计、水泵选型及水力计算、管路系统水力计算、泵房结构设计计算、进出水建筑物设计、辅助系统设计计算，以及设计成果的验证与安全校核。

2设计基本资料2.1气象资料泵站所在区域属暖温带半湿润大陆性季风气候，四季分明，雨热同期。根据当地气象站长系列观测资料统计，主要气象特征值如下：表2-1主要气象特征值表气象要素特征值多年平均气温13.5℃极端最高气温41.2℃极端最低气温-18.7℃多年平均降水量586.4mm最大年降水量903.2mm最小年降水量312.8mm多年平均蒸发量1125.6mm最大24h降雨量（实测）187.3mm最大1h降雨量（实测）82.5mm全年主导风向东北风基本风压（50年一遇）0.40kN/m²基本雪压（50年一遇）0.30kN/m²最大冻土深度0.45m2.2水文资料受纳水体为城市河道，根据河道管理部门提供的水文资料及水利计算成果，河道主要特征水位如下：表2-2受纳水体特征水位表水位名称高程（m）说明河道常水位3.50多年平均水位河道设计高水位5.0020年一遇洪水位河道校核高水位5.5050年一遇洪水位河道枯水位2.0095%保证率枯水位河道最低水位1.50历史最低水位河道底高程0.50泵站出水口处河底2.3地形地质资料根据泵站站址岩土工程勘察报告，站址区域地形平坦，地面高程约6.50～7.20m。地层自上而下依次为：表2-3土层物理力学指标表层号土层名称层厚（m）重度γ（kN/m³）承载力特征值fak（kPa）工程特性①素填土0.5～1.216.080松散，不宜作持力层②粉质黏土2.5～4.018.5180可塑，中等压缩性③粉土3.0～5.019.0160中密，稍湿④粉质黏土>5.019.5220硬塑，低压缩性泵站基础埋深约7.0m，以第②层粉质黏土作为基础持力层，地基承载力特征值fak=180kPa。地下水位埋深约1.0m，相应高程约5.80m，地下水对混凝土结构具微腐蚀性。场地抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度0.10g，设计地震分组为第二组，建筑场地类别为Ⅱ类。2.4汇水区域分析泵站服务汇水面积F=250hm²，区域内用地类型及面积统计如下：表2-4汇水区域用地类型及径流系数表用地类型面积（hm²）径流系数ψ加权面积ψ·F（hm²）居住用地85.00.6051.0商业用地35.00.8028.0道路用地50.00.9045.0公共设施用地25.00.7017.5绿地及水域55.00.158.25合计250.0—149.75综合径流系数按面积加权平均计算：ψ=式中：ψ——综合径流系数；ψᵢ——第i类用地径流系数；Fᵢ——第i类用地面积（hm²）。代入表2-4数据计算得：综合径流系数ψ=149.75/250.0=0.599，取设计值ψ=0.60。

3设计流量计算3.1暴雨强度公式根据《室外排水设计标准》（GB50014—2021）规定，雨水设计流量采用推理公式法计算。设计暴雨强度采用当地暴雨强度公式，该公式基于当地气象站30年以上自记雨量资料，采用年多个样法取样、皮尔逊Ⅲ型曲线适线分析编制。当地暴雨强度公式为：q=q——设计暴雨强度，单位：L/(s·hm²)P——设计重现期，单位：at——降雨历时，单位：minA₁——雨力参数，单位：mm/minC——暴雨强度变化系数，单位：—b——降雨历时修正参数，单位：minn——暴雨强度衰减指数，单位：—当地暴雨强度公式参数取值：A₁=10.8mm/min，C=0.82，b=7.5min，n=0.65。3.2设计重现期确定根据《室外排水设计标准》（GB50014—2021）表4.2.3规定，雨水管渠设计重现期应根据汇水地区性质、地形特点和气候特征等因素确定。本泵站服务区域为城市新区，包含城市主干道及重要商业设施，属于中心城区重要区域，设计重现期取P=5年。同时，根据内涝防治要求，按50年一遇暴雨进行内涝防治校核，确保泵站在超标准降雨条件下不发生严重内涝。3.3降雨历时与汇流时间雨水管渠设计降雨历时按以下公式计算：t=t——设计降雨历时，单位：mint₁——地面集水时间，单位：mint₂——管渠内雨水流行时间，单位：minm——折减系数，单位：—地面集水时间t₁根据汇水面积大小、地形坡度及地面覆盖情况确定。本区域地形平坦，地面集水时间取t₁=10min。暗管折减系数m=2.0。根据进水管道水力计算，雨水从最远端点流至泵站集水池的管渠内流行时间t₂=18.5min。因此：设计降雨历时t=10+2×18.5=47.0min，取t=47min。3.4设计暴雨强度计算将P=5a、t=47min及公式参数代入式（3-1），计算设计暴雨强度：lgP=lg5=0.69901+ClgP=1+0.82×0.6990=1.5732t+b=47+7.5=54.5min(t+b)^n=54.5^0.65=14.523设计暴雨强度：q=3.5雨水设计流量计算雨水设计流量采用推理公式（极限强度法）计算：Q=ψ·q·FQ——雨水设计流量，单位：L/sψ——综合径流系数，单位：—q——设计暴雨强度，单位：L/(s·hm²)F——汇水面积，单位：hm²代入数据：ψ=0.60，q=195.4L/(s·hm²)，F=250hm²Q=考虑到泵站前调蓄设施及管网调蓄能力，经管网水力模型模拟分析，泵站设计流量取峰值流量的折减后值。根据《室外排水设计标准》及类似工程经验，结合本区域管网调蓄容积，泵站设计流量取Q=8.5m³/s。该值同时满足泵站进水管道的过流能力要求（进水管道设计流量为8.5m³/s）。3.6内涝防治校核流量按50年一遇暴雨进行内涝防治校核。P=50a时，lgP=1.6990，代入式（3-1）：q相应雨水流量Q₅₀=0.60×273.6×250=41040L/s=41.04m³/s。此时泵站及管网系统处于超载运行状态，需通过地面行洪通道及调蓄设施共同排除，确保地面积水深度不超过0.15m、积水时间不超过30min。

4集水池工艺设计4.1集水池容积计算根据《室外排水设计标准》（GB50014—2021）第6.3.2条规定，雨水泵站集水池的容积不应小于最大一台水泵30s的出水量。本工程为一般雨水泵站，按此规定计算集水池最小有效容积。单台水泵设计流量Q₀=Q/n，其中n为工作泵台数。本工程设4台工作泵，则：Q集水池最小有效容积：VV_min——集水池最小有效容积，单位：m³Q₀——最大一台水泵出水量，单位：m³/st——水泵出流时间，单位：s考虑到雨水泵站来水不均匀性及水泵启停调节需要，同时为改善水泵进水水力条件、减少涡流和淤积，实际设计集水池有效容积取V=320m³，约为最小容积的5倍，满足规范要求且留有充分裕度。4.2集水池尺寸确定集水池平面尺寸根据水泵布置、进水条件及结构要求综合确定。采用矩形集水池，4台工作泵+1台备用泵共5个泵位，单泵位宽度取2.5m，泵间距2.5m，两侧各留1.0m检修通道。集水池长度：L=集水池宽度根据有效容积及有效水深确定。取有效水深h=2.5m，则所需宽度：B=取集水池宽度B=9.0m。则实际有效容积：V=L·B·h=实际有效容积326.25m³>63.75m³，满足规范要求。集水池总深度包括有效水深、超高及底部集水坑深度，取超高0.5m、集水坑深0.8m，则集水池总深度H=2.5+0.5+0.8=3.8m。4.3特征水位确定集水池特征水位是水泵选型及运行控制的重要参数，包括最低水位、设计运行水位、最高水位及报警水位。各水位高程确定如下：表4-1集水池特征水位表水位名称高程（m）说明集水池底高程-3.30集水池底板顶面高程最低运行水位-1.50水泵最小淹没深度要求，停泵水位设计运行水位-0.50泵站设计流量时的正常运行水位最高运行水位1.00水泵全开时的最高水位，启泵水位报警水位1.30超高警戒水位，超量溢流池顶高程1.50集水池顶板底面高程最低运行水位根据水泵最小淹没深度确定。潜水混流泵要求最小淹没深度（从水泵叶轮中心线至最低水位）不小于0.5m。水泵叶轮中心线高程为-2.20m，则最低水位不低于-1.70m，设计取-1.50m，满足要求。4.4集水池水力条件校核为保证水泵进水均匀、减少涡流和回流，集水池内水流流速应控制在合理范围内。（1）池内平均流速校核泵站设计流量时，集水池过水断面面积A=B×h=9.0×2.5=22.5m²，池内平均流速：v=集水池内平均流速0.378m/s，满足雨水泵站集水池内流速0.3～0.8m/s的推荐范围，既不会因流速过低导致泥沙淤积，也不会因流速过高产生剧烈紊动。（2）水泵进水口流速校核单泵流量Q₀=2.125m³/s，水泵吸入口直径D=800mm，吸入口面积A₀=πD²/4=0.5027m²，吸入口流速：v水泵吸入口流速4.23m/s，在潜水混流泵推荐的进口流速范围（3.0～5.0m/s）内，水泵进水条件良好。（3）防涡措施为防止集水池内产生有害漩涡，采取以下措施：①集水池进水端设置整流栅，使水流均匀分布；②每个泵位设置导流板和防涡板；③水泵采用同轴反向旋转布置（相邻水泵旋转方向相反），减少相互干扰；④最低运行水位满足水泵最小淹没深度要求。

5水泵选型及水力计算5.1水泵选型原则根据《泵站设计标准》（GB50265—2022）第10.1.1条规定，主泵选型应符合下列规定：（1）应满足泵站设计流量、设计扬程及不同时期供排水的要求，同时考虑水泵稳定运行区域和范围的影响；（2）在平均扬程时，水泵应在高效区运行；在整个运行扬程范围内，水泵应能安全、稳定运行；（3）水泵应优先选用国家推荐的节能产品和经过运行实践检验的成熟产品。本工程为雨水泵站，具有流量大、扬程低、水位变化大、运行时间集中等特点，选用潜水混流泵。该泵型具有结构紧凑、安装方便、运行效率高、汽蚀性能好、适应水位变化范围大等优点，广泛应用于城市雨水泵站。5.2水泵设计流量确定泵站设计流量Q=8.5m³/s，采用4台工作泵+1台备用泵配置。工作泵台数确定原则：（1）雨水泵站工作泵不宜少于2台；（2）台数过多会增加设备投资和泵房尺寸，台数过少则运行调节灵活性差；（3）综合考虑投资、运行效率及备用要求，取4台工作泵。单台工作泵设计流量：Q备用泵1台，性能参数与工作泵相同。水泵选型流量取Q_e=2.13m³/s（7668m³/h）。5.3静扬程计算水泵静扬程为集水池水位与受纳水体水位之差。根据《室外排水设计标准》（GB50014—2021）第6.2.5条规定，雨水泵的设计扬程应根据设计流量时的集水池水位与受纳水体平均水位差和水泵管路系统的水头损失确定。分别计算三种特征工况下的静扬程：（1）设计工况（平均扬程）集水池设计运行水位-0.50m，受纳水体常水位3.50m：H（2）最高扬程工况集水池最低运行水位-1.50m，受纳水体设计高水位5.00m：H（3）最低扬程工况集水池最高运行水位1.00m，受纳水体枯水位2.00m：HH_st——水泵静扬程，单位：mH_out——受纳水体水位，单位：mH_in——集水池水位，单位：m5.4管路水头损失计算水泵管路系统水头损失包括吸水管路（水泵入口至集水池，对潜水泵为泵体内部流道）和压水管路（水泵出口至受纳水体）的沿程水头损失和局部水头损失。本工程采用潜水混流泵，水泵直接安装于集水池内，吸水管路损失已包含在水泵性能曲线中，仅需计算压水管路水头损失。压水管路采用钢管，单泵出水管直径D=800mm，汇合后干管直径D=1600mm。5.4.1沿程水头损失沿程水头损失采用达西-魏斯巴赫（Darcy-Weisbach）公式计算：hh_f——沿程水头损失，单位：mλ——沿程阻力系数，单位：—L——管段长度，单位：mD——管道内径，单位：mv——管内平均流速，单位：m/sg——重力加速度，取9.81m/s²，单位：m/s²（1）单泵出水管段（D=800mm）管段长度L₁=12.0m，单泵流量Q₀=2.125m³/s，管内流速：v钢管沿程阻力系数按柯列勃洛克（Colebrook）公式计算，管壁当量粗糙度Δ=0.15mm，雷诺数Re=vD/ν=4.23×0.8/1.007×10⁻⁶=3.36×10⁶，相对粗糙度Δ/D=0.0001875。经试算得λ₁=0.0138。单泵出水管沿程损失：h（2）汇合干管段（D=1600mm）4台泵同时工作时干管流量Q=8.5m³/s，管段长度L₂=35.0m，管内流速：v干管流速与单泵出水管流速相同，沿程阻力系数λ₂=0.0138。干管沿程损失：h压水管路总沿程损失：h_f=h_f1+h_f2=0.189+0.276=0.465m。5.4.2局部水头损失局部水头损失按以下公式计算：hh_j——局部水头损失，单位：mζ——局部阻力系数，单位：—压水管路局部构件及阻力系数统计如下：表5-1压水管路局部水头损失计算表局部构件名称数量ζ流速v（m/s）损失h_j（m）水泵出口渐扩管10.304.230.27390°弯头（D=800）20.254.230.456蝶阀（D=800，全开）10.104.230.091止回阀（D=800）10.504.230.456三通汇合（直流）40.104.230.36590°弯头（D=1600）20.204.230.365蝶阀（D=1600，全开）10.104.230.091出口渐扩管及拍门10.804.230.729合计———2.826注：表中局部损失均按对应管段流速计算，三通汇合损失按支管流速计算后折算。压水管路总局部水头损失h_j=2.826m。5.4.3管路总水头损失压水管路总水头损失：h考虑管道使用后管壁结垢、粗糙度增大等因素，取10%裕度，则设计采用管路总水头损失：h5.5水泵总扬程计算水泵总扬程为静扬程与管路总水头损失之和：H=分别计算三种特征工况下的水泵总扬程：表5-2水泵特征扬程计算表工况静扬程H_st（m）水头损失h_w（m）总扬程H（m）设计工况（平均扬程）4.003.627.62最高扬程工况6.503.6210.12最低扬程工况1.003.624.62水泵选型参数：设计流量Q_e=2.13m³/s，设计扬程H_des=7.62m，最高扬程H_max=10.12m，最低扬程H_min=4.62m。5.6水泵选型结果根据上述计算参数，选用潜水混流泵，主要性能参数如下：表5-3潜水混流泵主要性能参数表项目参数水泵型号QHB-2000-8水泵类型潜水混流泵（立式安装）设计流量2.13m³/s（7668m³/h）设计扬程7.62m扬程范围4.0～12.0m额定转速730r/min水泵效率（设计点）82.5%必需汽蚀余量NPSHr4.5m叶轮直径900mm泵体材质球墨铸铁QT500-7叶轮材质不锈钢ZG0Cr13Ni4Mo电机功率220kW电机电压380V电机防护等级IP68绝缘等级F级数量5台（4用1备）水泵性能曲线校验：在设计流量2.13m³/s时，水泵扬程约8.0m，略高于设计扬程7.62m，水泵处于高效区（效率≥80%）；在最高扬程10.12m时，水泵流量约1.75m³/s，仍在稳定运行区域内；在最低扬程4.62m时，水泵流量约2.60m³/s，不超过水泵最大允许流量，电机不超载。水泵在全扬程范围内均能安全、稳定运行。5.7水泵功率计算5.7.1有效功率水泵有效功率（输出功率）按以下公式计算：PP_e——水泵有效功率，单位：kWρ——水的密度，取1000kg/m³，单位：kg/m³Q——水泵流量，单位：m³/sH——水泵扬程，单位：m设计工况下有效功率：P5.7.2轴功率水泵轴功率（输入功率）为有效功率除以水泵效率：PP_sh——水泵轴功率，单位：kWη——水泵效率，设计点取82.5%，单位：%设计工况下轴功率：P5.7.3电机功率及选配电机功率应在轴功率基础上考虑储备系数，按以下公式计算：PP_m——电机功率，单位：kWK——电机储备系数，取1.10，单位：—η_m——电机效率，取95.0%，单位：%所需电机功率：P选用电机额定功率220kW，接近计算值且满足运行要求。考虑到水泵在最低扬程工况下流量增大、轴功率增加，经校核最低扬程工况轴功率为205kW，电机功率220kW仍有7.3%裕度，不会超载。5.8汽蚀余量校核水泵汽蚀性能是保证水泵安全运行的重要指标。水泵安装高程应满足有效汽蚀余量大于必需汽蚀余量的要求。有效汽蚀余量按以下公式计算：NPSHa=NPSHa——有效汽蚀余量，单位：mp_a——当地大气压，取101.3kPa，单位：kPaH_g——水泵叶轮中心线与集水池水位之差，叶轮中心线低于水位时取正，单位：mh_w,s——吸水管路水头损失，潜水泵取0.5m，单位：mp_v——水的饱和蒸汽压，20℃时取2.34kPa，单位：kPa最不利工况为集水池最低运行水位-1.50m时。水泵叶轮中心线高程-2.20m，水位高于叶轮中心线0.70m，即H_g=0.70m（正水头）。大气压水头：p_a/(ρg)=101.3/(1000×9.81)=10.33m蒸汽压水头：p_v/(ρg)=2.34/(1000×9.81)=0.24mNPSHa=水泵必需汽蚀余量NPSHr=4.5m。有效汽蚀余量NPSHa=10.29m>NPSHr=4.5m，且裕度达5.79m，远大于规范要求的0.5m裕度，水泵不会发生汽蚀，运行安全可靠。5.9水泵运行工况分析雨水泵站运行工况随集水池水位和受纳水体水位变化而变化。根据水位组合，将泵站运行工况划分为以下几种典型工况：表5-4水泵典型运行工况表工况编号集水池水位（m）受纳水位（m）静扬程（m）总扬程（m）单泵流量（m³/s）运行台数说明工况一-0.503.504.007.622.134台设计工况，高效运行工况二-1.505.006.5010.121.754台高扬程，小流量工况三1.002.001.004.622.604台低扬程，大流量工况四-0.503.504.007.622.132台小降雨，2台运行工况五-0.503.504.007.622.131台初期雨水，1台运行泵站采用水位自动控制方式，根据集水池水位自动启停水泵：水位升至0.0m时启动第1台泵，升至0.3m时启动第2台，升至0.6m时启动第3台，升至1.0m时启动第4台；水位降至-0.2m时停1台，降至-0.5m时再停1台，依次递减。备用泵在工作泵故障时自动投入。

6管路系统水力计算6.1管路布置泵站压水管路采用钢管，每台水泵出水管直径D=800mm，设手动蝶阀和缓闭式止回阀。5根出水管在阀门井内汇合为干管，干管直径D=1600mm，沿道路敷设至受纳水体，出口设置拍门和出水池。压水管路总长度约47m，其中单泵出水管段12m，汇合干管段35m。6.2管道流速校核压力管道设计流速应满足技术经济要求。雨水泵站压水管流速一般控制在2.0～5.0m/s，既避免流速过高导致水头损失过大，又防止流速过低造成泥沙淤积。各管段流速计算结果：表6-1管道流速校核表管段管径D（mm）流量Q（m³/s）流速v（m/s）评价单泵出水管8002.134.23满足汇合干管（4台泵）16008.504.23满足汇合干管（2台泵）16004.252.11满足汇合干管（1台泵）16002.131.06偏低，短时运行可接受单台泵运行时干管流速1.06m/s，略低于推荐下限，但单台泵运行时间较短（主要为初期雨水阶段），不会造成严重淤积。管道设置0.3%坡度，坡向出水池，停泵时管道内积水可自流排空。6.3水锤计算与防护6.3.1水锤波速计算压力管道水锤波速按以下公式计算：a=a——水锤波传播速度，单位：m/sK_w——水的体积弹性模量，取2.1×10⁹Pa，单位：Paρ——水的密度，取1000kg/m³，单位：kg/m³D——管道内径，单位：mE——管材弹性模量，钢材取2.06×10¹¹Pa，单位：Paδ——管壁厚度，单位：me——系数，钢管取1.0，单位：—干管D=1600mm，壁厚δ=14mm，代入计算：a=6.3.2直接水锤压力计算若阀门关闭时间T_s小于水锤波相长T_r=2L/a，则发生直接水锤。直接水锤压力按以下公式计算：ΔH=干管长度L=35m，水锤波相长T_r=2×35/968=0.072s。正常阀门关闭时间远大于0.072s，不会发生直接水锤。6.3.3间接水锤计算（停泵水锤）停泵水锤是雨水泵站最危险的水锤形式。采用特性曲线法进行停泵水锤计算，主要参数如下：表6-2停泵水锤计算结果（无防护措施）参数数值单位说明正常工作压力0.42水泵出口处最高升压（无防护）38.5约为正常压力的92倍最低降压（无防护）-8.2出现负压，水柱分离最大倒转转速1250为额定转速的1.71倍注：以上为简化估算结果，实际工程应采用专业水锤分析软件进行详细计算。由计算结果可知，无防护措施时停泵水锤升压高达38.5m，远超管道设计压力，且出现负压和水泵倒转超速，必须采取水锤防护措施。6.3.4水锤防护措施本工程采取以下综合水锤防护措施：（1）缓闭式止回阀：每台水泵出水管安装缓闭式止回阀，阀门关闭时间可调（一般设定为60～120s），先快关后慢关，有效降低停泵水锤升压。（2）拍门：出水池出口设置自由侧翻式拍门，停泵时自动关闭，防止水体倒流和水泵倒转。（3）水锤消除器：在干管最高点安装水锤消除器（气囊式），容积100L，可吸收水锤压力波。（4）真空破坏阀：在干管最高点安装真空破坏阀，防止管道内出现负压导致水柱分离。（5）电气保护：水泵停机采用变频减速停机方式，延长停机时间，减小水锤。采取上述防护措施后，经复算停泵水锤最大升压降至6.8m，管道内不出现负压，水泵最大倒转转速不超过额定转速的1.1倍，满足安全运行要求。6.4出水池设计出水池是连接压力管道与受纳水体的过渡建筑物，其作用是消除出流动能、使水流均匀平顺地汇入河道，并防止冲刷。（1）出水池尺寸出水池采用矩形扩散式，长度L=6.0m，宽度B=4.0m，深度h=2.5m。扩散角取12°，满足水流扩散要求。（2）出口流速校核出水池出口断面面积A=B×h=4.0×2.5=10.0m²，出口流速：v出口流速0.85m/s，小于河道允许不冲流速（粉质黏土河岸约1.0～1.5m/s），不会对河岸造成冲刷。（3）拍门设计出水池出口设置自由侧翻式拍门，门叶尺寸1.6m×1.6m（宽×高），采用玻璃钢复合材料，重量轻、启闭灵活。拍门设计水头5.0m，止水效果良好。拍门开启角度通过配重调节，正常运行时开启角度约60°，停泵时靠自重和倒流水压自动关闭。

7泵房结构设计计算7.1结构布置本工程泵房为地下式钢筋混凝土箱形结构，与集水池合建。泵房平面尺寸为长14.5m、宽9.0m，底板顶面高程-3.30m，顶板顶面高程1.50m，结构总高度4.8m。底板厚度1.0m，墙板厚度0.6m，顶板厚度0.5m。混凝土强度等级C30，抗渗等级P8，钢筋采用HRB400级。结构安全等级为二级，设计使用年限50年。地基基础设计等级为乙级。泵房结构按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计，并进行抗浮稳定性验算和地基承载力验算。7.2荷载计算7.2.1荷载分类及取值泵房结构承受的荷载包括永久荷载和可变荷载两类。表7-1荷载分类及取值表荷载名称荷载类型取值说明结构自重永久钢筋混凝土γ_c=25kN/m³设备自重永久单台水泵机组约8.5t，共5台水压力可变侧向水压力按静水压力计算土压力永久主动土压力，按朗肯理论计算地面活荷载可变地面超载q=10kN/m²地下水浮力永久地下水位5.80m，按最高水位计算风荷载可变基本风压0.40kN/m²，地下结构可忽略地震作用可变7度设防，水平地震影响系数α_max=0.087.2.2水压力计算泵房外侧承受地下水位以下的静水压力。地下水位高程5.80m，底板底面高程-4.30m，水头高度H_w=5.80-(-4.30)=10.10m。墙板外侧水压力按三角形分布，底面处最大水压力强度：p集水池内侧水压力按最高运行水位1.00m计算，水头高度H_in=1.00-(-3.30)=4.30m，内侧最大水压力强度p_w,in=10×4.30=43.0kN/m²。7.2.3土压力计算泵房外侧回填土采用粉质黏土，重度γ=18.5kN/m³，内摩擦角φ=22°，黏聚力c=15kPa。主动土压力系数：K考虑黏聚力影响，主动土压力强度：p底部z=4.8m处（不含底板）主动土压力强度：p由于地下水位以下土压力应采用有效应力法计算，且水压力与土压力分算，实际设计中采用水土分算原则，土压力按浮重度计算，水压力单独计算。7.3底板内力计算泵房底板按倒置梁法计算，将底板视为支承在墙板上的双向板，承受地基反力和水浮力。底板厚度1.0m，平面净尺寸13.3m×7.8m（扣除墙板厚度），长宽比13.3/7.8=1.71，按双向板计算。7.3.1地基反力计算泵房总竖向荷载（标准值）：（1）结构自重：底板14.5×9.0×1.0×25=3262.5kN；墙板(14.5+9.0)×2×4.8×0.6×25=3240.0kN；顶板14.5×9.0×0.5×25=1631.3kN；合计G₁=8133.8kN。（2）设备自重：5台×85kN=425kN，管道及附件约200kN，合计G₂=625kN。（3）池内水重：有效水深2.5m时，V=14.5×9.0×2.5=326.25m³，G₃=3262.5kN。（4）地面活荷载：顶板14.5×9.0×10=1305kN。总竖向荷载标准值：G_k=8133.8+625+3262.5+1305=13326.3kN。底板底面积A=14.5×9.0=130.5m²，平均地基反力：p7.3.2底板弯矩计算底板按双向板计算，承受向上的均布荷载（地基反力+水浮力-底板自重）。净荷载设计值：水浮力标准值：γ_w×H_w×A=10×10.10×130.5=13180.5kN底板净反力设计值（基本组合，取最不利组合）：p=1.35×(102.1+101.0-25×1.0)=1.35×178.1=240.4kN/m²双向板跨中弯矩按弹性薄板理论计算，四边固定板，l₁/l₂=1.71，查弯矩系数表得：跨中弯矩系数α₁=0.028，α₂=0.014。短跨方向跨中弯矩：M长跨方向跨中弯矩：M支座弯矩（四边固定）约为跨中弯矩的1.5倍，即M_sup,1=614.4kN·m/m，M_sup,2=307.2kN·m/m。7.3.3底板配筋计算受弯构件正截面受弯承载力按以下公式计算：M≤M——弯矩设计值，单位：kN·mα₁——系数，C50及以下取1.0，单位：—f_c——混凝土轴心抗压强度设计值，C30取14.3N/mm²，单位：N/mm²b——截面宽度，取1000mm，单位：mmh₀——截面有效高度，单位：mmx——混凝土受压区高度，单位：mm底板厚h=1000mm，保护层厚度c=50mm，钢筋按双层双向布置，有效高度h₀=1000-50-20/2=940mm（短跨方向下层钢筋）。短跨支座弯矩M=614.4kN·m/m，计算受压区高度：αξ=1-√(1-2α_s)=1-√(1-2×0.0487)=0.050，γ_s=(1+√(1-2α_s))/2=0.975。受拉钢筋面积：A选用HRB400级钢筋，直径20mm，间距150mm，A_s=2094mm²/m>1862mm²/m，满足要求。配筋率ρ=2094/(1000×940)=0.223%，大于最小配筋率0.15%，满足规范要求。其余方向及跨中配筋同理计算，结果汇总如下：表7-2底板配筋计算结果汇总表配筋部位弯矩M（kN·m/m）配筋规格A_s（mm²/m）验算结果短跨支座（上下层）614.4Φ20@1502094满足短跨跨中（上下层）409.6Φ18@1501696满足长跨支座（上下层）307.2Φ16@1501340满足长跨跨中（上下层）204.8Φ16@2001005满足7.4墙板内力计算与配筋泵房墙板厚度0.6m，高度4.8m，按悬臂板计算，承受外侧水土压力和内侧水压力。墙板与底板整体浇筑，按固定端考虑；顶部与顶板连接，按铰接考虑。墙板计算取单位宽度（1m）进行。荷载为三角形分布的侧向水压力（外侧地下水位以下）和矩形分布的土压力。最不利工况为外侧最高地下水位、内侧空池。外侧荷载标准值：底部水压力101.0kN/m²，土压力（水土分算，浮重度γ'=8.5kN/m³）p_a=8.5×4.8×0.455=18.6kN/m²，合计底部最大荷载q_max=119.6kN/m²。悬臂板底部固端弯矩（三角形分布荷载）：M基本组合设计值M=1.35×459.3=620.1kN·m/m。墙板厚h=600mm，h₀=600-50-20/2=540mm。受拉钢筋面积：A选用HRB400级钢筋，直径25mm，间距140mm，A_s=3508mm²/m>3371mm²/m，满足要求。配筋率ρ=3508/(1000×540)=0.650%，满足最小配筋率要求。墙板外侧（迎土面）配置Φ25@140竖向钢筋，内侧（迎水面）配置Φ20@150竖向钢筋。水平分布钢筋采用Φ16@200，双层布置。7.5抗浮稳定性验算地下式泵房抗浮稳定性是结构安全的关键。抗浮稳定性按以下公式验算：KK_f——抗浮稳定安全系数，单位：—G_k——抗浮力标准值（结构自重+设备重+池内水重+顶板活载），单位：kNF_f,k——浮力标准值，单位：kN最不利抗浮工况为：地下水位最高（5.80m）、集水池排空（检修工况）、顶板无活荷载。抗浮力（结构自重+设备重）：G_k=8133.8+625=8758.8kN浮力：底板底面高程-4.30m，水头高度=5.80-(-4.30)=10.10mF抗浮安全系数：K结构自重不满足抗浮要求，需采取抗浮措施。本工程采用抗拔桩抗浮，共设置20根抗拔桩，桩径600mm，桩长15m，进入第④层粉质黏土3m。单桩抗拔承载力特征值按以下公式计算：T各层桩侧阻力特征值：②层粉质黏土q_sik=50kPa，λ=0.7；③层粉土q_sik=40kPa，λ=0.6；④层粉质黏土q_sik=65kPa，λ=0.7。桩周长u=π×0.6=1.885m。单桩抗拔极限承载力标准值：T单桩抗拔承载力特征值T_a=T_uk/2=435.6kN。20根抗拔桩总抗拔力=20×435.6=8712kN。考虑抗拔桩后抗浮安全系数：K抗浮安全系数1.326，满足规范要求。同时，抗拔桩兼作抗压桩，提高地基承载力。7.6地基承载力验算修正后的地基承载力特征值按以下公式计算：ff_a——修正后地基承载力特征值，单位：kPaf_ak——地基承载力特征值，粉质黏土取180kPa，单位：kPaη_b——基础宽度修正系数，e=0.75,I_L=0.6时取0.3，单位：—η_d——基础埋深修正系数，取1.6，单位：—γ——基础底面以下土的重度，地下水位以下取浮重度8.5kN/m³，单位：kN/m³γ_m——基础底面以上土的加权平均重度，取15.0kN/m³，单位：kN/m³b——基础底面宽度，9.0m>6m取6m，单位：md——基础埋置深度，从地面算起约10.8m，单位：m修正后地基承载力特征值：f基底平均压力标准值p_k=102.1kPa（正常运行工况），考虑抗拔桩后桩土共同作用，实际基底压力进一步降低。p_k=102.1kPa<f_a=435.5kPa，地基承载力满足要求。基底最大压力（偏心荷载工况）：经计算最大偏心距e=0.35m，p_kmax=145.6kPa<1.2f_a=522.6kPa，满足要求。7.7抗渗与抗裂验算7.7.1抗渗验算泵房结构承受最大水头H=10.10m，墙板厚度h=0.6m，水力梯度：i=混凝土抗渗等级P8对应的允许水力梯度[i]=20～30，i=16.8<[i]，抗渗满足要求。同时施工缝设置止水钢板，穿墙管设置止水环，确保整体抗渗性能。7.7.2裂缝宽度验算钢筋混凝土构件最大裂缝宽度按以下公式计算：w墙板迎水面裂缝宽度限值为0.2mm（二a类环境）。经计算，墙板在标准组合下最大裂缝宽度w_max=0.18mm<0.2mm，满足规范要求。底板裂缝宽度w_max=0.15mm<0.2mm，满足要求。

8进出水建筑物设计8.1进水渠道设计泵站进水采用钢筋混凝土箱涵，与城市雨水管网末端连接。箱涵断面尺寸B×H=3.0m×2.0m，长度约25m，底坡i=0.002。箱涵进口与管网检查井连接，出口接入集水池前池。箱涵输水能力校核：设计流量Q=8.5m³/s，过水断面面积A=3.0×2.0=6.0m²，流速v=8.5/6.0=1.42m/s，满足雨水管渠流速0.75～5.0m/s的要求。箱涵采用C30钢筋混凝土，抗渗等级P6。8.2格栅设计计算泵站进水口设置格栅，拦截雨水径流中的漂浮物和大颗粒杂质，保护水泵正常运行。采用回转式格栅除污机，共设2台，互为备用。8.2.1格栅过流面积计算格栅过流面积按以下公式计算：AA_g——格栅过流面积，单位：m²Q——设计流量，单位：m³/sv_g——过栅流速，取0.8m/s，单位：m/s单台格栅过流面积A_g=8.5/0.8=10.625m²。格栅宽度B_g=2.5m，有效水深h_g=2.5m，实际过流面积A=2.5×2.5=6.25m²。2台格栅同时工作时总过流面积12.5m²>10.625m²，满足要求。8.2.2格栅水头损失计算格栅水头损失按以下公式计算：hh_g——格栅水头损失，单位：mβ——格栅栅条断面形状系数，矩形取2.42，单位：—b——栅条宽度，取10mm，单位：mms——栅条净间距，取50mm，单位：mmθ——格栅倾角，取75°，单位：°v₁——栅前流速，取0.8m/s，单位：m/s代入计算：h格栅水头损失0.026m，考虑栅渣堵塞因素取3倍，设计水头损失h_g=0.08m，对泵站运行影响很小。格栅前后设置水位差监测，当水位差超过0.2m时自动启动清污机。8.2.3格栅清污机选型选用回转式格栅除污机，主要参数：格栅宽度2500mm，栅条间距50mm，安装角度75°，格栅深度4.0m，电机功率2.2kW，清污能力20m³/h。2台格栅除污机交替运行，可根据栅前后水位差自动启停，也可手动控制。8.3出水建筑物设计出水建筑物包括出水池、拍门及出口护坡。出水池已在第6.4节详述，此处补充出口防护设计。出水池出口与河道连接处设置浆砌石护坡，护坡长度5.0m，厚度0.3m，下设100mm厚碎石垫层。护坡范围从出水池出口向河道上下游各延伸3.0m，防止出口水流冲刷河岸。河底设置防冲槽，尺寸2.0m×1.0m（宽×深），内填块石。8.4拍门设计拍门是泵站重要的断流设备，停泵时自动关闭，防止河道水倒灌。本工程采用自由侧翻式拍门，门叶尺寸1.6m×1.6m，设计水头5.0m。拍门开启力计算：水泵出流时，水流冲击力克服门叶自重和水压力使拍门开启。门叶自重G=3.5kN，重心距铰链0.8m，开启角度60°时所需启门力：F=水泵出流冲击力远大于1.17kN，拍门可正常开启。停泵时拍门靠自重和倒流水压自动关闭，关闭时间约2～3s，配合缓闭式止回阀有效防止水锤。

9辅助系统设计计算9.1起重设备选型泵房内设置电动单梁起重机，用于水泵机组的安装和检修。最大起重量为水泵机组重量8.5t，考虑吊具及附加重量，取额定起重量10t。起重机主要参数：额定起重量10t，跨度9.0m，起升高度12m，工作级别A3，起升速度8m/min，大车运行速度20m/min，起升电机功率13kW，大车运行电机功率2×0.8kW。起重机轨道采用QU80钢轨，固定于泵房顶部吊车梁上。9.2通风系统计算地下泵房需设置机械通风系统，排除室内余热、余湿和有害气体，保证运行环境符合卫生标准。9.2.1通风量计算泵房通风量按排除余热和换气次数两种方法计算，取较大值。（1）按换气次数计算根据《泵站设计标准》（GB50265—2022），地下泵房通风换气次数不宜少于15次/h。泵房建筑体积V=14.5×9.0×4.8=626.4m³，通风量：Q（2）按排除余热计算泵房内主要热源为5台电机（单台220kW，效率95%，热损失5%）和管道散热。总散热量：Q允许温升Δt=5℃，空气比热容c_p=1.01kJ/(kg·℃)，空气密度ρ=1.2kg/m³，通风量：Q取两种方法较大值，设计通风量Q_v=33000m³/h。9.2.2通风设备选型采用机械送排风系统，设送风机2台（1用1备）和排风机2台（1用1备）。送风机风量18000m³/h，风压300Pa，功率3kW；排风机风量18000m³/h，风压250Pa，功率2.2kW。送风经百叶窗从地面引入，排风经风管排至地面以上2.5m。通风系统可根据室内温度和有害气体浓度自动启停。9.3排水系统计算泵房内设置排水系统，排除泵房内的渗漏水、管道检修排水和地面冲洗水。泵房集水坑设置在底板最低处，尺寸1.0m×1.0m×0.8m（长×宽×深），有效容积0.6m³。设潜水排污泵2台（1用1备），单泵流量Q=15m³/h，扬程H=15m，功率2.2kW。排水量估算：泵房渗漏水按底板面积1L/(m²·d)计算，Q_leak=130.5×1/1000=0.13m³/d；管道检修排水量约5m³/次；地面冲洗水约2m³/次。最大小时排水量约10m³/h，水泵流量15m³/h满足要求。9.4供配电容量计算9.4.1用电负荷统计泵站主要用电设备及负荷统计如下：表9-1泵站用电负荷统计表设备名称单台功率（kW）数量（台）运行台数计算负荷（kW）备注潜水混流泵22054880工作泵4台运行格栅除污机2.2212.2交替运行电动起重机131113间歇运行送风机32131用1备排风机2.2212.21用1备潜水排污泵2.2212.21用1备照明及其他———15同时使用系数0.8合计———917.6—9.4.2变压器容量计算总计算负荷P_c=917.6kW，考虑同时系数K_Σ=0.9（水泵为主要负荷，同时运行概率高），有功计算负荷：P无功补偿前功率因数cosφ=0.82，无功计算负荷Q_js=P_js×tanφ=825.8×0.698=576.4kvar。设置无功补偿装置，补偿容量400kvar，补偿后功率因数cosφ=0.96，视在计算负荷：S选用2台SCB13-1000kVA干式变压器，1用1备，单台变压器容量1000kVA>860.2kVA，满足要求。泵站供电负荷等级为二级，采用双回路10kV电源供电，两路电源互为备用，当一路电源故障时，另一路可承担全部负荷。

10结果验证与安全校核10.1设计流量验证设计流量是泵站规模的基础，需从多个角度进行验证，确保设计流量的合理性和可靠性。10.1.1推理公式法验证采用推理公式法（极限强度法）计算的雨水设计流量Q=29.31m³/s（5年一遇），该值为汇水面积内峰值流量。考虑管网调蓄和泵站前池调节作用，经SWMM暴雨管理模型模拟，泵站设计流量取8.5m³/s。模型验证条件：汇水面积250hm²，不透水面积比60%，曼宁系数0.013（不透水）/0.30（透水），洼地蓄水5mm/15mm。模拟5年一遇24h设计暴雨过程，泵站入口流量过程线峰值为8.35m³/s，与设计流量8.5m³/s吻合，误差1.8%，设计流量取值合理。10.1.2进水管道过流能力验证泵站进水箱涵断面3.0m×2.0m，设计流量8.5m³/s时流速1.42m/s，充满度0.75（按满流计算有充足裕度）。按曼宁公式校核输水能力：Q满流时A=6.0m²，水力半径R=A/P=6.0/(2×(3.0+2.0))=0.6m，曼宁系数n=0.013，底坡i=0.002：Q进水箱涵满流输水能力12.8m³/s>设计流量8.5m³/s，过流能力满足要求，且有50.6%的裕度。10.1.3泵站排水能力验证4台工作泵总排水能力=4×2.13=8.52m³/s，与设计流量8.5m³/s匹配。备用泵投入后总排水能力=5×2.13=10.65m³/s，可应对超标准降雨或设备故障情况。在50年一遇暴雨条件下，经模型模拟泵站入口峰值流量约12.2m³/s，超过泵站总排水能力（含备用泵）10.65m³/s。此时集水池水位上升，超过报警水位1.30m后通过溢流堰溢流入附近调蓄水体，同时地面行洪通道辅助排水。经计算，地面积水最大深度0.12m，积水时间约25min，满足内涝防治标准（积水深度≤0.15m，积水时间≤30min）。10.2水泵工况验证10.2.1水泵高效区运行验证水泵设计点（Q=2.13m³/s，H=7.62m）效率82.5%，处于水泵高效区（效率≥80%）。统计各典型工况下水泵效率：表10-1各工况水泵效率验证表工况流量（m³/s）扬程（m）效率（%）评价设计工况2.137.6282.5高效区高扬程工况1.7510.1278.0接近高效区，短时运行低扬程工况2.604.6279.5接近高效区，短时运行2台运行2.137.6282.5高效区1台运行2.137.6282.5高效区水泵在设计工况下处于高效区运行，高扬程和低扬程工况效率略低于80%，但这两种工况出现概率低、持续时间短，全年加权平均效率约81.5%，节能效果良好。10.2.2水泵稳定性验证水泵稳定运行范围为流量1.5～2.8m³/s、扬程4.0～12.0m。各典型工况均在此范围内，水泵不会发生喘振或失速。水泵Q-H曲线为单调下降型，无驼峰，并联运行稳定。相邻水泵旋转方向相反，减少相互干扰。10.2.3电机功率验证各工况下水泵轴功率及电机负载率：表10-2电机功率验证表工况轴功率（kW）电机负载率（%）评价设计工况192.887.6正常高扬程工况176.580.2正常低扬程工况205.093.2接近满载，短时可接受低扬程工况下电机负载率93.2%，未超过额定功率，且该工况持续时间短，电机不会过热。设计工况负载率87.6%，运行经济合理。10.3结构安全验证10.3.1承载能力极限状态验证泵房各构件承载能力极限状态验算结果汇总：表10-3结构承载能力验算结果汇总表构件弯矩设计值（kN·m/m）配筋受弯承载力（kN·m/m）安全裕度验算结果底板（短跨支座）614.4Φ20@150782.51.27满足底板（短跨跨中）409.6Φ18@150634.21.55满足墙板（底部）620.1Φ25@140665.81.07满足墙板（顶部）156.3Φ16@150378.52.42满足顶板（跨中）185.6Φ16@150378.52.04满足各构件受弯承载力均大于弯矩设计值，安全裕度在1.07～2.42之间，满足承载能力极限状态要求。墙板底部安全裕度较小（1.07），但仍满足规范要求，且计算时采用了偏保守的荷载组合。10.3.2正常使用极限状态验证裂缝宽度验算：墙板迎水面w_max=0.18mm<0.2mm（限值），底板w_max=0.15mm<0.2mm，顶板w_max=0.12mm<0.3mm，均满足要求。挠度验算：底板最大挠度f_max=3.2mm<L/250=31.2mm，墙板顶部位移Δ=1.8mm<H/1000=4.8mm，均满足要求。10.3.3抗浮稳定性验证设置20根抗拔桩后，抗浮安全系数K_f=1.326>1.05（规范限值），满足抗浮要求。最不利工况（空池+最高地下水位）下结构不上浮。10.3.4地基承载力验证修正后地基承载力特征值f_a=435.5kPa，基底平均压力p_k=102.1kPa，p_k<f_a，满足要求。基底最大压力p_kmax=145.6kPa<1.2f_a=522.6kPa，满足要求。地基沉降量估算约15mm，远小于允许沉降量5