楊廟南站泵站改造工程及泵站沉降研究

(淮安市水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 淮安 223005)

1 引 言

隨著國家經(jīng)濟(jì)的平穩(wěn)快速發(fā)展，一些水利工程難以滿足現(xiàn)有需要，需要對其進(jìn)行改造。王新澤[1]對大砂溝灌區(qū)工程泵站改造的必要性及其泵站改造后的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行研究，認(rèn)為泵站改造會帶來較好的經(jīng)濟(jì)效益；畢東華[2]、周燕[3]、溫汝青等[4]、李婷[5]、王永杰[6]分別以南口哨泵站、峽信邑溝泵站、梧田泵站、北昌泵站、王莊灌區(qū)泵站為例，對泵站改造設(shè)計進(jìn)行研究；劉媛媛等[7]以江都三站改造為例對泵站改造技術(shù)及后期運(yùn)行進(jìn)行研究；劉輝[8]對泵站前池的泥沙淤積問題進(jìn)行研究并提出了相應(yīng)的防治措施；王德紅[9]對清水潭泵站改造工程的可行性方案進(jìn)行分析，結(jié)果表明泵站改造對經(jīng)濟(jì)和安全均有較好的效益；樊宗義[10]對灌溉改造本站設(shè)計進(jìn)行研究，以實(shí)際工程為例提出了相應(yīng)的工程設(shè)計方案。

本文以楊廟南站泵站改造為例，研究泵站改造工程設(shè)計方案以及泵站沉降和應(yīng)力分布特征。

2 工程概況

楊廟南泵站位于京杭大運(yùn)河西堤，泵房結(jié)構(gòu)為堤后式分基型結(jié)構(gòu)，站內(nèi)布置20HB-40型混流泵，配套JO2-91-4-55 kW電動機(jī)60臺套、HQ2035-4型潛水泵40臺，裝機(jī)總?cè)萘?300kW。采用平直管道進(jìn)、出水型式，管道下設(shè)漿砌石鎮(zhèn)墩和支墩。站身由主廠房、變電所、出水池三部分組成，主廠房為臨時性磚混結(jié)構(gòu)，泵房室內(nèi)地面高程為6.75m,廠房寬6m、長約350m。

進(jìn)水池總長約600m，中間最寬處約40m，兩端約5m，中間與引河連接，引河長約600m，北端與柴米河相通，進(jìn)水池設(shè)漿砌石擋土墻；出水池位于運(yùn)河西堤的堤肩上，出水池尺寸為57 m×3.6m，底高程11.20m，雙孔箱形出水涵洞孔口尺寸2.7 m×1.0m，底高程尺寸11.20m，20臺泵共用一個出水池。

3 泵站改造工程設(shè)計

3.1 泵站結(jié)構(gòu)更新

改建楊廟南站布置方式為堤后式，位于古鹽河地涵東側(cè)。新建楊廟南站采用塊基型整體站身結(jié)構(gòu)，平行水流流向底板長24m，垂直方向?yàn)?8.5m，底板厚度為1.0m;使用干室型泵室，單個泵室凈寬4.5m，閘墩混凝土厚度為1.0m，相鄰兩臺發(fā)電機(jī)組的中心距為5.5m。底板頂部設(shè)計高程為0.59m，高程0.59～12.5m之間包含進(jìn)水流道層、水泵層、出水流道層。主廠房位于高程12.5m以上。主廠房為單層框架結(jié)構(gòu)，使用鋼筋混凝土澆筑。檢修車間位于主廠房東側(cè)，高度與主廠房一致。控制樓位于泵室西側(cè)，為二層框架結(jié)構(gòu)。

進(jìn)水流道斷面為漸變形式，由寬4.2m、高3.1m的矩形斷面逐漸變?yōu)橹睆?.68m的圓形斷面，變?yōu)閳A形斷面后與泵站進(jìn)口的座環(huán)相連接；進(jìn)水流道全長9.7m，頂板19°仰角，底板以9°上翹。出水流全長8.0m，斷面由直徑1.8m的圓形逐漸漸變?yōu)閷?.5m、高2.18m的矩形斷面。出水流道與出水池相連接，出水池與入海水道相連接，出水經(jīng)由出水涵洞流入大海。在出水流道末端配置寬4.56m、高2.5m的閘門，由卷揚(yáng)機(jī)(型號：QPK-2×80kN)進(jìn)行啟閉操作。出水涵洞寬為2.5m，高為3.5m，洞底高程為3.5m。涵洞及出水池共長56.87m。使用寬2.56m、高3.70m的平板鋼作為擋洪閘閘門，使用卷揚(yáng)機(jī)(型號：QPK-100kN)進(jìn)行啟閉操作，啟閉機(jī)工作便橋高15.7m。

在進(jìn)水流道入口上游79.74m處建設(shè)一座清污機(jī)橋，防止雜物進(jìn)入進(jìn)水池中。清污機(jī)型號為HQN-5.4×6×75，共有5臺。配備2臺SPW -800型皮帶輸送機(jī)。

泵站下游修建引河，河底高程為2.0m，底寬20m，引河兩岸地面高程為12m，進(jìn)水池寬為25.15m。采用漸變方式連接引河和進(jìn)水池附近的河道。泵站下游采用扶壁式翼墻，墻頂高程為8.5m，擴(kuò)散角8°。泵站下游使用鋼筋混凝土進(jìn)行鋪蓋，鋪蓋長為20m，使用漿砌石進(jìn)行護(hù)底且應(yīng)超過清污機(jī)橋10m。

使用漿砌塊石擋墻連接出水涵洞與入海水道。涵洞末端采用斜降式護(hù)坦和長水平式混凝土護(hù)坦，總長27.5m，其中，斜降式護(hù)坦長15.7m。

3.2 泵站裝機(jī)更新

泵站裝機(jī)對比如表1所列。

表1 裝機(jī)對比

4 泵站沉降研究

4.1 模型建立及參數(shù)選取

根據(jù)泵站設(shè)計參數(shù)，建立泵站三維結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬模型，進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析，同時在建模過程中應(yīng)當(dāng)抓住重點(diǎn)進(jìn)行簡化。根據(jù)施工過程，進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

4.1.1 計算模型

數(shù)值模擬計算模型如圖1所示。

4.1.2 計算參數(shù)

4.1.2.1 地基參數(shù)

根據(jù)室內(nèi)巖體力學(xué)實(shí)驗(yàn)選取地基參數(shù)，地基參數(shù)見表2。

圖1 數(shù)值模擬計算模型

表2 地基參數(shù)

4.1.2.2 建筑物參數(shù)

使用C25混凝土進(jìn)行站身澆筑，站身建筑物強(qiáng)度參數(shù)見表3。

表3 建筑物強(qiáng)度參數(shù)

4.1.2.3 邊界條件

土與結(jié)構(gòu)之間按接觸單元考慮，土體四周設(shè)豎向和水平方向約束。

4.1.2.4 計算階段(施工階段)

泵站施工到運(yùn)行的全過程可以分為5個階段，按照工程階段不同，建立5個數(shù)值模擬模型(見圖2)。階段1地基開挖,形成基坑；階段2泵站施工,形成結(jié)構(gòu)；階段3土方回填,完成邊載；階段4廠房施工,完成恒載；階段5泵站運(yùn)行,完成水荷載。

圖2 不同計算階段

4.2 數(shù)值模擬計算結(jié)果

根據(jù)計算模型和邊界條件，對泵站結(jié)構(gòu)的五種階段進(jìn)行了空間有限元計算，從沉降及應(yīng)力角度對泵站結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。

4.2.1 泵站沉降計算結(jié)果

泵站站身豎向位移(沉降)計算成果見表4。

表4 泵站站身豎向位移(沉降)計算成果

由計算結(jié)果可知：泵站站身整體的沉降不均勻，在出水側(cè)較大，在進(jìn)水側(cè)較小，這是由于出水側(cè)土壓力的作用使得站身向上游傾斜。泵站竣工后最大沉降量為12.22cm，偏上游側(cè)。

4.2.2 實(shí)際監(jiān)測沉降

在工程實(shí)際施工階段對四個角點(diǎn)的沉降變形數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，監(jiān)測點(diǎn)布置如圖3所示。2015年8月～2017年4月，各監(jiān)測點(diǎn)累計變形量如圖4所示。

4.2.3 泵站應(yīng)力計算結(jié)果

根據(jù)計算結(jié)果的應(yīng)力云圖進(jìn)行分析，4種階段下的泵站結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力云圖見圖5，4種階段下的泵站結(jié)構(gòu)順?biāo)骷按怪彼鞣较驊?yīng)力云圖見圖6～圖9。

圖3 監(jiān)測結(jié)果及監(jiān)測點(diǎn)布置

圖4 各監(jiān)測點(diǎn)累計變形量

圖5 不同階段下最大主應(yīng)力云圖

圖6 階段2應(yīng)力云圖

圖7 階段3應(yīng)力云圖

圖8 階段4應(yīng)力云圖

圖9 階段5應(yīng)力云圖

泵站底板及墩墻結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算成果見表5。

表5 泵站站身結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算成果

由計算結(jié)果的應(yīng)力云圖及表4可知：泵站結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平總體較小。階段3泵站站身所受應(yīng)力最大，其中底板處最大主應(yīng)力為0.669MPa，順?biāo)鞣较驊?yīng)力為0.103MPa，垂直水流方向應(yīng)力為0.199MPa；閘墩處最大主應(yīng)力為0.428MPa，順?biāo)鞣较驊?yīng)力為0.225MPa，垂直水流方向應(yīng)力為0.278MPa。階段2情況下，結(jié)構(gòu)最大主拉應(yīng)力位于泵站兩側(cè)進(jìn)水孔內(nèi)底板頂部，為0.172MPa，最大主壓應(yīng)力位于泵站中進(jìn)水孔兩側(cè)隔墩上，為0.028MPa。

5 結(jié) 論

a.楊廟泵站的改造和加固工程提高了水利防洪排澇等級標(biāo)準(zhǔn)，保證了淮河流域中上游的安全，在以后發(fā)生中等洪水時入海水道行洪的概率將大大增加，是居民正常生產(chǎn)生活的重要保障。

b.通過建立數(shù)值模擬模型對泵站沉降特征進(jìn)行研究，泵站建設(shè)竣工后沉降為12.2cm，滿足工程建設(shè)需求。

c.通過對不同階段下泵站所受最大主應(yīng)力進(jìn)行研究，階段3泵站站身所受應(yīng)力最大，其中底板處最大主拉應(yīng)力為0.669MPa，順?biāo)鞣较驊?yīng)力為0.103MPa，垂直水流方向應(yīng)力為0.199MPa；閘墩處最大主拉應(yīng)力為0.428MPa，順?biāo)鞣较驊?yīng)力為0.225MPa，垂直水流方向應(yīng)力為0.278MPa。

d.堤后式泵站在施工建設(shè)過程中，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)控制沉降措施，同時需要加強(qiáng)沉降監(jiān)測，避免施工過程中土方回填時沉降量急劇增大，造成基礎(chǔ)破壞。同時，在泵站設(shè)計時應(yīng)當(dāng)著重考慮底板部位強(qiáng)度設(shè)計，防止底板受拉破壞。