基于ABAQUS組裝式地下排澇泵站的動靜力分析

李欣娟， 武永新

(天津大學 水利工程仿真與安全國家重點實驗室， 天津 300072)

1 研究背景

隨著極端天氣的頻繁出現和人類活動的影響，城市內澇日益嚴重，近幾年來，許多城市輪番上演“城市看海”的景象，造成嚴重的洪澇災害和人員傷亡及財產損失[1-2]。過去已建排澇泵站普遍存在排澇標準低、工程老化等問題，盡快擴建新建排澇泵站成為保障社會安全的迫切要求[3]。對于排澇泵站優化設計、運行、機組結構選型等在國內外已經得到廣泛的研究[4-11]。由于普通排澇泵站施工周期長，體型大，對城市景觀有不利影響等，目前已有許多學者提出新型泵站的開發應用，如喬誠等[12]提出預制泵站，郭一令等[13]提出組裝地埋式污水泵站，鐘春紅等[14]提出模塊式預制泵站，這些泵站雖都可以實現快速施工且不影響景觀，但受材料或技術等限制，其規模很小且造價高，主要適用于城市內小型的雨污水泵站。據此，本文提出一種新型組裝式地下排澇泵站，旨在解決大流量排澇泵站施工周期長和影響景觀的問題，并結合實際工程應用，擬對組裝式地下排澇泵站進行三維非線性有限元動靜力分析，以期為該新型組裝式地下排澇泵站建設提供理論基礎與參考。

2 組裝式地下排澇泵站的結構方案

2.1 施工方法及結構形式

如圖1、2所示，新型組裝式地下排澇泵站由前池、泵房、壓力水箱組成。沿泵站站身順水流方向開挖5道地下連續墻，最外側兩道地下連續墻作為泵房最外側的墻體和擋土墻，中間3道地下連續墻作為泵房隔墻和中墩；進行地基開挖時，5道地下連續墻作為基坑開挖的支護結構；剩余部件底板、進出水墻板、泵房蓋板等采用預制混凝土構件，現場進行快速地組裝施工。具體的施工工序為：(1)施工地下連續墻(A、B、C墻)，進行A、B、C墻間的地基開挖至泵站底部；(2)對于硬質地基可直接進行后續裝配施工，對于軟土地基需先進行地基處理,本文應用案例中采用樁基礎，選用PHC管樁；(3)使用起吊設備吊裝預制混凝土泵站底板，分塊裝配，接縫處現澆混凝土或做止水接縫處理；(4)通過基礎預埋鋼筋定位裝配進出口墻板，預制構件與現澆結構之間設有預埋桿件；(5)搭設腳手架完成泵房及壓力水箱頂板的澆筑；(6)安裝鋼板1、鋼板2于鋼板槽1、2內，作為前后擋水結構；(7)安裝粉碎型格柵加溢流柵攔截粉碎水流中的垃圾；(8)安裝進出水管、吊裝全貫流潛水泵及機電設備等；(9)吊裝泵房預制混凝土蓋板。

圖1 新型組裝式地下排澇泵站剖視圖(單位：mm)

其工作原理為：非工作期，鋼板1、鋼板2分別放置在鋼板槽1、鋼板槽2內，水泵處于停機狀態；工作期，鋼板位置不變，啟動水泵進行抽水排澇；檢修期，鋼板1、鋼板2向上抬，各旋轉100°，與墻墩內預埋鋼構件咬合，設有橡膠止水條止水，通過鋼板擋水，進行泵站的檢修；若只需檢修水泵則無需上抬鋼板，可直接打開蓋板將水泵整體吊出進行維修。

圖2 新型組裝式地下排澇泵站平面圖(單位：mm)

2.2 特征及優勢

該新型組裝式地下排澇泵站具有以下幾點特征及優勢：

(1)采用裝配與現澆相結合的施工方式，既能繼承裝配式施工的優點，實現工業化建筑，質量高，施工速度快，縮短工期，節約能源，減少人工作業量，降低勞動力成本，且施工過程中對環境影響小，符合綠色施工、環境友好原則，又能避免預制率過高造成的成本偏高[15]；土建成本節省，減少投資。

(2)采用地下連續墻作為開挖施工時基坑圍護結構，其剛度大、強度高、防滲性能好[16]；且地下連續墻又作為泵站的永久性建筑物，既提高材料和建筑物利用率，又減少開挖工程量及施工作業面，對周邊環境影響小；免去臨時工程的拆建，加快施工進度。

(3)泵站底板、進出水墻、蓋板等采用預制混凝土構件，工業化生產，產品質量好精度高；裝配式施工快捷，工期短，能實現短期內增建投入使用。

(4)選用全貫流潛水泵，體積小，重量輕，機電合一，能夠整體吊入吊出，安裝時間短，檢修及運行管理方便[17]；所需泵房尺寸小，布局緊湊，上、下游閘門采用鋼板-鋼板槽結構，簡單輕便。

(5)所有建筑物均位于地表以下，泵站頂板可作為慢行車道或可種植人工草皮，有利于城市生態景觀建設。

3 有限元模型建立

3.1 工程設計

根據海口市某排澇泵站，設計應用該新型組裝式地下排澇泵站，依據該區排澇要求，設計泵站結構及尺寸如圖1、2所示。選用4臺1400QGWZ-135全貫流潛水泵，單臺水泵排澇流量為5 m3/s，設立獨立泵房，長4.7 m，寬4 m，泵站高度6.5 m，泵站垂直水流方向跨度20.2 m。工程為軟土地基，選用PHC管樁，入土深度25 m，擋土墻及墩墻厚1.2 m，隔墻厚0.6 m，前后進出水墻厚0.8 m，底板厚0.8 m，頂板厚0.5 m；設計該工程開挖后兩側地下連續墻入土深度為7 m，考慮中間地下連續墻開挖后上部兩側均不承受土壓力，優化其入土深度為4 m。

3.2 模型建立

以工程所處地質條件、設計的結構、樁基礎以及周邊環境作為依據，基于ABAQUS有限元軟件建立三維有限元計算模型。模型順水流方向沿泵房出水口向上取15.6 m，垂直水流方向寬度為20.2 m，考慮樁基礎，土層厚度50 m，垂直水流方向左右各向外取土16 m，順水流方向上下各取土10 m，以考慮地基土的影響。土體及泵站結構選用C3D8R實體單元進行網格劃分，泵站單元總數為23 800個，土體單元總數為47 832個，PHC管樁采用桿單元模擬，有限元網格模型見圖3。

模型邊界條件如下：選用直角坐標系，以底板與進水口墻外側相交中點為原點，x軸為順水流向下方向，y軸為垂直水流方向，z軸豎直向上，地基底部施加三向約束，四周加水平約束，以考慮周圍土體的約束作用；為了合理模擬泵站結構受力狀態，考慮實際求解中的非線性問題，模型中土體采用彈塑性本構，在同一土層單位為各向同性材料，假定土體符合摩爾-庫倫準則；泵站結構混凝土假定為彈塑性材料，采用混凝土彈塑性本構；泵站結構與土接觸面設置為摩擦接觸，有限滑移，摩擦系數為0.5；樁基礎嵌入地基，樁基礎與底板底部綁定約束，底板與地基之間設置面與面的接觸，有限滑移，摩擦系數為0.5。

3.3 材料參數及各工況計算荷載

參考實測勘察報告，工程地質土層劃分為5層，結構材料選用C30混凝土，各土層及結構計算力學參數如表1所示；各工況下計算荷載如表2所示。

表1 數值計算力學參數

表2 計算荷載

4 組裝式地下排澇泵站的動靜力分析

4.1 組裝式地下排澇泵站的結構靜力特性分析

組裝式地下排澇泵站在自重、土壓力、水壓力等荷載作用下結構會產生一定的沉降，泵站各工況下沉降位移分布圖見圖4。計算結果表明：泵站在各工況下整體沉降均勻，且沉降量處于很低的水平。最大沉降量為21.74 mm，發生在完建工況的泵房頂板處，這是由于完建期的沉降是由結構在重力作用下底板對地基的壓力所產生，泵房位置處的結構自重最大；運行期最大沉降位移為19.42 mm，位于前池擋土墻，完建期、運行期最小沉降量分別為17.67、16.81 mm，最大沉降差為4.07 mm，滿足規范要求[18]。由圖4可以看出，完建工況泵站沉降量順水流方向從上到下逐漸增加，而運行工況沉降量順水流方向從上到下逐漸減小，且運行工況泵站整體沉降量小于完建工況，分析其原因在于運行期泵站下游水位高于上游水位，上下游水位差在泵站底板產生豎直向上的揚壓力，揚壓力大小沿水流方向逐漸增大，削弱了結構對地基的壓力。

圖5為組裝式地下排澇泵站在不同工況下的壓應力分布圖。由圖5可知，泵站壓應力分布均勻，完建工況和運行工況的最大壓應力分別為2.56、2.67 MPa，均位于進水口墻體圓孔斜向-45°角邊界點，圓孔附近的進水口墻體壓應力也相對較高；根據計算結果顯示：底板與地基接觸面也存在局部壓應力集中，這是因為模型中采用桿單元模擬PHC管樁，樁與底板接觸的部位容易出現應力集中。結構整體受壓水平較低，最大壓應力遠小于混凝土壓應力允許設計值14.3 MPa[19]，這是因為結構輕巧，產生的壓力較小。

圖6為組裝式地下排澇泵站在不同工況下的拉應力分布圖。由圖6可知：完建工況和運行工況拉應力分布相似，完建工況最大拉應力略大于運行工況，最大拉應力為2.00 MPa，略超過混凝土拉應力允許設計值1.43 MPa[19]。出現在泵房內底板邊緣與最外側墻的相交點，這是由于墻外土體地面高程高于墻內地基土，墻外土體對結構產生主動土壓力，墻內地基土對墻產生被動土壓力，底板邊緣與墻體相交，對墻體有頂撐作用，使得拉應力在此處集中；同時最外側A墻體在此處受彎，底板附近最外側墻體的靠外土體側3～4 m內拉應力水平偏高，泵站局部拉應力集中區域需進行適量的配筋以滿足強度要求。

4.2 組裝式地下排澇泵站的結構地震響應分析

分析結構在地震特殊工況下的穩定性，本次計算選取EL Centro實測地震波包含最大峰值的0～

圖3 三維有限元網格模型

圖4 各工況下泵站沉降位移云圖(單位：m)

圖5 各工況下泵站壓應力云圖(單位：Pa)

圖6 各工況下泵站主拉應力云圖(單位：Pa)

20 s共1 000個加速度記錄輸入地震時程曲線，研究運行工況和地震作用組合工況下的動力響應。由于地基土對結構有一定的約束和穩定作用，因此高程越大，越是靠近上部的結構地震響應位移越大，分別選取泵站最高點位置泵房頂板和最低點位置底板作為分析對象，分別得到頂板和底板各方向位移響應曲線如圖7和8所示。由圖7和8可知，泵站頂板振動位移大于底板，結構在豎直向振動幅度較水平向弱；整體上振動幅度較小，結構在地震響應下產生的動位移處于較低水平范圍內；結構整體變形量小，地震作用下結構最大位移為25.33 mm，滿足水工建筑物抗震設計規范[20]的要求。

分析泵站混凝土結構在地震下的損傷破壞情況，基于混凝土塑性損傷模型得到泵站在地震工況下的塑性損傷分布如圖9所示，由圖9可知在地震作用下結構材料破壞主要發生在前池底板與進水口處墻體，破壞集中的范圍較小，未出現明顯的損傷貫通區，結構整體抗震能力較強。

圖7 泵房頂板位移時程曲線

圖8 泵房底板位移時程曲線

圖9 地震工況下泵站最終損傷分布圖

5 結 論

(1)基于ABAQUS對組裝式地下排澇泵站結構動靜力特性進行三維非線性有限元分析，結果表明：各工況下結構沉降量較小，沉降均勻；結構受力合理，應力分布均勻，最大壓應力為2.67 MPa，遠小于混凝土抗壓強度設計值；最大拉應力為2.00 MPa，局部拉應力略超過混凝土抗拉強度設計值，須進行適量配筋。

(2)分析組裝式地下排澇泵站在地震特殊工況下的動力響應，結果表明結構地震動力響應值較低，振動幅度較小，各方向上產生的位移水平較低，整體變形量較小，結構較為穩定；地震工況下結構損傷范圍較小，抗震能力較強。

(3)與普通泵站相比，新型組裝式地下排澇泵站采用地下連續墻結構，混凝土現澆與裝配式施工相結合的方式，使得結構施工簡單迅速，且建筑物均位于地下，有利于環境美觀，通過動靜力分析得到該新型組裝式泵站結構設計合理，工程具有良好的實用性。

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