南水北調(diào)東線一期工程徐洪河邳州輸水泵站穩(wěn)定分析

林瀟

（上?？睖y設(shè)計(jì)研究院，上海 200434）

1 工程概況

邳州泵站是南水北調(diào)東線一期工程的第六梯級，亦是徐洪河輸水線路上的關(guān)鍵泵站之一，位于江蘇省邳州市八路鎮(zhèn)劉集村徐洪河與房亭河交匯處。其作用是通過徐洪河抽引睢寧站來水，沿房亭河送入駱馬湖或北送，同時(shí)通過劉集地涵調(diào)度利用邳州站抽引房北地區(qū)澇水，設(shè)計(jì)流量100 m3/s。邳州站工程建設(shè)包括：主泵站1座、公路橋1座、清污機(jī)橋1座、設(shè)計(jì)流量為400 m3/s的劉集南閘1座以及管理區(qū)附屬建筑物。

邳州泵站工程等別為Ⅰ等工程，工程規(guī)模為大（1）型，建筑物級別為1級。泵站布置在房亭河南堤南側(cè)，上、下游引河分別與房亭河和徐洪河相接，中心線夾角分別為31°，40°，站下引河上布置清污機(jī)橋，站上引河與房亭河大堤相交處布置交通橋，為結(jié)合房北地區(qū)排澇，在徐洪河上距劉集船閘引航道入口約150 m處布置劉集南閘。

邳州泵站機(jī)組采用后置式燈泡貫流泵，泵組裝機(jī)4臺(tái)，單機(jī)流量33.4 m3/s，其中1臺(tái)備機(jī)。水泵配套電機(jī)為2 240 kW同步電機(jī)，水泵葉輪直徑3.30 m。

2 泵站結(jié)構(gòu)布置

2.1 泵房布置及結(jié)構(gòu)尺寸

2.1.1 泵房長度

按單機(jī)流量33.4 m3/s計(jì)算，泵站進(jìn)水流道孔口尺寸寬×高=8.0 m×5.5 m，流速為0.76 m/s；出水流道孔口尺寸寬×高=7.5 m×6.5 m，流速為0.69 m/s，均滿足規(guī)范要求。

泵組段長度由進(jìn)、出水流道的最大寬度及隔墩尺寸確定。進(jìn)水流道最大寬度為8.00 m，中墩寬1.20 m；出水流道口寬度為7.5 m，中墩寬1.70 m；泵組段長度為9.20 m。端泵組段長度為9.90 m，按滿足橋機(jī)距廠房邊墻吊鉤限制線要求確定。

泵房的長度包括2個(gè)泵組段長度和2個(gè)端泵組長度，總長38.20 m。經(jīng)廠房設(shè)備布置復(fù)核，該長度滿足電氣設(shè)備布置、樓梯通道和檢修空間要求。

2.1.2 泵房寬度

泵房的寬度主要考慮轉(zhuǎn)輪、燈泡體內(nèi)的電機(jī)起吊時(shí)吊鉤的限制，根據(jù)泵站尺寸，放置轉(zhuǎn)輪及導(dǎo)葉體段的廊道寬取3.75 m、燈泡體的吊物孔長4.6 m距廊道3.4 m、泵房進(jìn)水側(cè)通道1.5 m，出水側(cè)通道1.25 m，，則主泵房凈寬為14.5 m、總寬16.7 m。其中地面27.70 m層（同安裝間高程）不放置設(shè)備，只設(shè)置一圈運(yùn)行人員巡視通道。

2.1.3 泵房高程

1）通道層高程。泵房最底層是轉(zhuǎn)輪下方的通道層，流道檢修排水、泵房滲漏排水等設(shè)備均布置在通道層，考慮運(yùn)行人員通行要求，高度比水泵外殼最低點(diǎn)低2 m左右，高程為10.50 m。其中在通道的中間布置滲漏集水井。

2）進(jìn)、出水流道底板高程。根據(jù)流道進(jìn)口的孔口尺寸和水泵安裝高程，進(jìn)水流道底板高程12.80 m，出水流道底板高程為11.35 m。

3）中間層高程。根據(jù)進(jìn)出水流道布置和流道頂板厚度要求，流道頂板頂高程即中間層高程取為18.90 m。在進(jìn)出水流道頂板上方布置有水機(jī)輔機(jī)設(shè)備和電氣盤柜，在23.00 m高程布置電纜層。

4）地面層（巡視走廊）高程。地面層巡視走廊高程同安裝間高程，其高程為27.70 m，略高于站區(qū)地面高程27.50 m。

5）泵房頂高程。32/5 t橋機(jī)的高度約為2.7 m，橋機(jī)頂離泵房頂?shù)膬艟?.5 m，泵房層面梁底程定為38.90 m。

6）泵房高度。根據(jù)以上高程可知，由泵房的通道層至泵房層面梁底的高度為28.40 m，其中泵房地面以上凈高度為11.20 m。

7）站身擋水部位頂高程確定。站身擋水部位頂高程取H1（設(shè)計(jì)洪水位+波浪爬高+風(fēng)壅水面高度+超高）和H2（校核洪水位+波浪爬高+風(fēng)壅水面高度+超高）的大值。H1和H2計(jì)算詳見下表1。

表1 防洪高程計(jì)算匯總表

出水渠堤防設(shè)計(jì)頂高程為29.0 m，進(jìn)水渠堤防設(shè)計(jì)頂高程為26.50 m，管理區(qū)地面高程為27.50 m，考慮與進(jìn)出水渠兩岸堤頂以及管理區(qū)的連接，站身房亭河側(cè)擋水部位頂高程取為29.00 m，徐洪河側(cè)取為27.50 m。

2.2 泵站建筑結(jié)構(gòu)

根據(jù)確定的泵房結(jié)構(gòu)尺寸，泵站采用堤身式布置，整體塊基型結(jié)構(gòu)。底板順?biāo)飨蜷L度根據(jù)流道布置、金屬結(jié)構(gòu)閘門布置、泵房布置及交通檢修布置確定為38.40 m；垂直水流流向?qū)?8.20 m，機(jī)組中心距9.20 m，進(jìn)水流道進(jìn)口寬8.00 m，中墩厚1.20 m，邊墩厚1.30 m。出水流道出口寬7.50 m，中墩厚1.70 m，邊墩厚1.55 m。

按《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》，土基上主泵房順?biāo)飨虻挠谰米冃慰p間距不宜大于30 m。當(dāng)4臺(tái)機(jī)組共用一塊底板時(shí)，底板寬度為38.2 m，超出規(guī)范不宜大于30 m的限制。但考慮到采用一塊底板，一是泵站站身可以平衡兩岸水、土壓力，有利于站身底板的應(yīng)力分布；其次整體性強(qiáng)，站址處于抗震設(shè)防8度區(qū)，泵房不分縫，有利于抗震；再者如設(shè)置變形縫，將增加施工復(fù)雜性和防滲薄弱環(huán)節(jié)。隨著混凝土抗裂控制新技術(shù)的應(yīng)用，超長無縫混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已在大量工民建地下工程中運(yùn)用，上海勘測設(shè)計(jì)研究院已在多個(gè)大型水利工程底板設(shè)計(jì)中使用超長無縫混凝土結(jié)構(gòu)，并取得成功，因此采用4臺(tái)機(jī)組一塊底板，不分縫的設(shè)計(jì)在技術(shù)上是可行的經(jīng)濟(jì)上也是合理的。

由于流道型線的布置，泵站中墩中部有大體積混凝土，為減少溫度應(yīng)力，在大體積混凝土內(nèi)部設(shè)空腔，用漿砌塊石填筑。

泵房底板、墩墻、梁板等采用C25鋼筋混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)，地面以上部分采用C30鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，柱間砌筑小型空心砌塊圍護(hù)，柱上設(shè)吊車梁，軌頂高程為35.70 m，屋面采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

3 泵站的穩(wěn)定分析

3.1 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定分析

3.1.1 地質(zhì)基礎(chǔ)資料

根據(jù)工程地質(zhì)勘察結(jié)果，在工程布置范圍內(nèi)上部以第四系全新統(tǒng)新近沉積的少粘性土、淤泥質(zhì)土為主，中上部為一般粘性土，其下為更新統(tǒng)粘性土及砂性土層。根據(jù)地質(zhì)成因、沉積年代及工程特性等，場地內(nèi)土層自上而下為：

設(shè)計(jì)泵站基底高程9.85～11.30 m，直接受力層為含砂姜壤土、含礫中砂及含砂姜粘土，允許承載力分別為 220，250，250 kPa；基底摩擦系數(shù)分別為0.35，0.4，0.4。其下為細(xì)砂～中粗砂，允許承載力500 kPa，強(qiáng)度高。地基土強(qiáng)度及承載力滿足要求，可以采用天然地基。從地基土層分布看，站房地基土很不均勻，水平和垂直方向土質(zhì)及土層厚度變化都比較大，需要注意控制由荷載差異和地基不均勻引起的不均勻沉降。

3.1.2 荷載組合

1）基本組合。完建工況：工程已完建，尚未運(yùn)行；設(shè)計(jì)工況1：上、下游均為設(shè)計(jì)調(diào)水水位；設(shè)計(jì)工況2：上、下游為最低調(diào)水水位。

2）特殊組合。校核工況1：上游為最高調(diào)水水位，下游為最低調(diào)水水位；校核工況2：上游為100年一遇洪水位，下游為最高調(diào)水水位，泵站停機(jī)，引河水損為零；校核工況3：上、下游為300年一遇洪水位，泵站停機(jī)，引河水損為零；校核工況4：20年一遇排澇工況；檢修工況：上、游為設(shè)計(jì)調(diào)水水位，一臺(tái)機(jī)組檢修。

按上述各工況狀態(tài)不同而考慮的計(jì)算荷載有：泵房結(jié)構(gòu)自重、設(shè)備自重、活荷載、靜水壓力、揚(yáng)壓力、土壓力及波浪壓力。

地震工況→：上、游為設(shè)計(jì)調(diào)水水位時(shí)遭遇地震，動(dòng)峰值加速度為0.02 g；地震工況←：上、游為設(shè)計(jì)調(diào)水水位時(shí)遭遇地震，動(dòng)峰值加速度為0.02 g。兩個(gè)方向的地震荷載有：泵房結(jié)構(gòu)自重、設(shè)備自重、活荷載、水荷載、結(jié)構(gòu)地震慣性力、設(shè)備地震慣性力、地震動(dòng)水壓力。

3.1.3 整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)本階段地質(zhì)報(bào)告揭示的地質(zhì)情況結(jié)合結(jié)構(gòu)布置，泵房基礎(chǔ)的底面高程為9.85～11.30 m，坐落在含礫中砂層上，該層土內(nèi)摩擦角φ=34°，凝聚力C=0 kPa，標(biāo)貫擊數(shù)N=38擊，地基容許承載力[R]=250 kPa，基底綜合摩擦系數(shù)按f0=(tgφ0∑G+C0A)/∑G 計(jì)算，取 φ0=0.9φ，C0=0.25C，若 f0＞0.45，取f0=0.45。泵站按對稱受力情況，根據(jù)運(yùn)行條件，對各種工況的穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算。泵站穩(wěn)定計(jì)算成果見表2。

根據(jù)穩(wěn)定計(jì)算成果，泵站的抗滑、抗浮安全系數(shù)和不均勻系數(shù)均滿足規(guī)范要求。

3.2 滲透穩(wěn)定分析

泵房底板底高程7.20～9.85～10.30 m，主要位于含礫中砂層上，局部位于含砂姜壤土，下臥土層為含砂姜粘土，按SL265-2001《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》表4.3.2，取允許滲徑系數(shù)值［C］=7。運(yùn)行期最大水位差△H=5.30 m（進(jìn)水側(cè)水位22.50 m，出水側(cè)水位27.80 m），底板順流向長38.4 m，基礎(chǔ)防滲長度L=38.4+3.8+2.35=44.55 m，滲徑系數(shù)C＝L/△H=44.55/5.30=8.41＞7，滿足規(guī)范滲徑長度要求。

表2 泵站穩(wěn)定計(jì)算成果表

采用改進(jìn)阻力系數(shù)法驗(yàn)算站基抗?jié)B穩(wěn)定性，經(jīng)計(jì)算，泵站底板下為天然地基時(shí)抗?jié)B穩(wěn)定不滿足規(guī)范要求。泵房地基主要位于透水性較強(qiáng)的含礫中砂層，局部位于含砂姜壤土，建基面1.5～3.8 m下部即為含砂姜粘土，屬于相對不透水層，泵房可設(shè)防滲體與該層銜接，以滿足滲透穩(wěn)定要求。

垂直防滲體做法多樣，針對本工程地層，考慮了板樁、高壓噴射灌漿帷幕、攪拌樁截滲帷幕、地下混凝土防滲墻等4種方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。

1）板樁作為垂直防滲體，應(yīng)用比較廣泛。泵房地基位于含礫中砂層，標(biāo)貫擊數(shù)N=38擊，打樁相對困難，而且板樁接頭多，一旦接榫脫開，易出現(xiàn)縫隙較大等現(xiàn)象。

2）高壓噴射灌漿帷幕幾乎適用于各種土質(zhì)，但其處理效果取決于固結(jié)體的化學(xué)穩(wěn)定性，由于土體的組成復(fù)雜，差別懸殊，高壓噴射灌漿處理的效果差別較大，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果確定其適用程度。對地下水流速過大或已涌水的防水工程，由于工藝、機(jī)具和瞬時(shí)速凝材料等方面的原因，此種方式應(yīng)慎重使用。考慮到主泵房地基為含礫中砂層，中等透水性，承壓水頭高，高壓噴射灌漿形成的加固體強(qiáng)度和范圍確定是一個(gè)復(fù)雜的問題，為確保防滲效果，不推薦用高壓噴射灌漿帷幕。

3）用攪拌樁防滲加固地基對施工技術(shù)及地層介質(zhì)要求較高，難度也大。因?yàn)槿粜纬刹涣朔忾]完整的防滲連續(xù)樁墻，防滲效果會(huì)大打折扣，甚至有可能產(chǎn)生有利于滲透變形發(fā)生的條件，如存在著可使?jié)B流集中通過的斷樁區(qū)域等。泵房地基為含礫中砂層，不適合攪拌樁的施工條件。

4）混凝土防滲墻作為防滲工程具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：施工時(shí)振動(dòng)小，噪音低；防滲性能好；適用于多種地基條件；技術(shù)成熟、工效高、質(zhì)量可靠。但混凝土防滲墻也存在一些不足：如果施工方法不當(dāng)或施工地質(zhì)條件特殊，可能出現(xiàn)相鄰墻段不能對齊和漏水的問題；在城市施工時(shí)，廢泥漿的處理比較麻煩。

表3 滲透穩(wěn)定驗(yàn)算成果表

綜合分析上述4種方案，設(shè)計(jì)推薦采用了薄型塑性混凝土防滲墻作為主泵房的垂直防滲結(jié)構(gòu)，并在滲流出口處設(shè)置排水濾層。防滲墻深5 m，厚0.25 m，墻頂與泵站底板齒墻間設(shè)填充瀝青墊層。

按上述布置和運(yùn)行條件進(jìn)行滲透穩(wěn)定計(jì)算，底板上下游均設(shè)置5 m深防滲墻時(shí)，抗?jié)B穩(wěn)定可滿足要求。主要計(jì)算成果見表3。

為防止?jié)B透破壞，在滲流出口即進(jìn)水池底板設(shè)排水孔和反濾層。為防止側(cè)向繞滲，在上下游翼墻與站身邊墩均設(shè)止水，站身兩側(cè)及翼墻后采用壤土回填，站身防滲墻向兩岸延伸至上下游第一節(jié)翼墻。

4 結(jié)語

本項(xiàng)目是南水北調(diào)東線第六級梯級泵站，工程主要任務(wù)是：在江淮區(qū)間泵站擴(kuò)建、配套的基礎(chǔ)上，擴(kuò)大出洪澤湖能力230 m3/s，利用中運(yùn)河、徐洪河串聯(lián)洪澤湖和駱馬湖，形成洪駱區(qū)間的輸水通道，最終實(shí)現(xiàn)一期工程輸水175 m3/s入駱馬湖的規(guī)劃目標(biāo)，同時(shí)為泗陽閘～劉老澗閘鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和航運(yùn)補(bǔ)充水源。工程建設(shè)具有重大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

邳州站的工程設(shè)計(jì)各方面進(jìn)行了深化研究，其穩(wěn)定分析在保證技術(shù)安全可靠的的前提下，盡可能的在考慮方案的優(yōu)化，以期達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)原則。