南水北調東線一期韓莊泵站平埋式主廠房設計研究

單既連，吳先敏

(山東省水利勘測設計院，山東 濟南 250014)

南水北調工程由東線、中線、西線三部分組成，工程基本任務是合理調度利用水資源，緩解我國北方地區水資源緊缺問題。韓莊泵站是南水北調東線一期工程的第9級抽水梯級泵站，位于山東省棗莊市嶧城區古邵鎮八里溝村西。泵站樞紐距南四湖下級湖約3km，站下進水渠接韓莊運河，站上出水渠接老運河入南四湖的下級湖。其主要任務是通過韓莊泵站提水入南四湖下級湖，以實現南水北調東線一期工程的梯級調水目標。南水北調工程是緩解我國北方地區水資源緊缺問題戰略舉措，其泵站工程建設的好壞決定南水北調東線工程的成敗，同時泵站作為調水工程減少能源消耗、提高調水效率、發展生態水利的主要載體，需要對泵站的總體布置、空間結構、水泵機組及運行管理等多方面的綜合研究，提出高效、節能、景觀的工程設計。傳統泵站設計多采用分體砼結構和高大地面主廠房結構。本工程通過對大型泵站在總體布置、空間結構、水泵機組及運行管理等多方面的綜合分析，首次提出了平埋式泵站廠房結構方案，截止到2017年2月，該工程已建設完成并投入運行，累計安全運行11304.31h，總調水量12.3億m3。

1 韓莊泵站簡介

韓莊泵站為大(1)型泵站，工程等別為Ⅰ等，主要建筑物主副廠房、引水閘、進水池、出水池為1級。泵站設計輸水流量為125m3/s，設計凈揚程4.15m，單機流量31.25m3/s。采用臥式貫流泵，配永磁同步電動機，變頻調速運行。泵站共設5臺機組，其中備用1臺，單機裝機功率為1800kW，總裝機容量為9000kW。

韓莊泵站場區屬淮河流域湖東水系，所處地貌單元屬剝蝕堆積山間沖積～洪積平原區，兩側毗鄰溶蝕～剝蝕丘陵區。場區地勢較平坦、開闊，地面高程32.10～34.40m。場區地層有第四系全新統沖積堆積的黏土，上更新統沖積洪積堆積的黏土夾姜石、姜石層以及下第三系黏土巖、細砂巖等。泵站基礎坐落于第三系黏土巖、細砂巖中等風化層上，巖體主要為暗紫色、棕紅色黏土巖，棕褐色、棕紅色、淺黃色細砂巖，黏土巖地基承載力特征值310kPa，抗壓強度1.2MPa，基巖面波狀起伏，變化較大，巖石控制厚度8.80～12.30m。

圖1 韓莊泵站廠區實景圖

2 平埋式泵站研究目的

2.1 傳統泵站存在的問題

傳統大型泵站受進水流道、出水流道及水泵葉片淹沒深度等要求的限制，泵站主廠房的埋深一般較深，通常深達地面以下20m。而主廠房內水泵和電纜的要求空間，實際只需要10m左右的高度即可滿足工程的布置要求，泵站主廠房內近一半的高度不能充分利用，浪費較大；傳統泵站單獨布置的泵站出水控制段，由于結構及穩定的要求，該段通常較長，無法利用該段的有效空間，造成較大的土建投資浪費；主廠房地面以上部分的廠房結構由于梁式起重吊車的要求，高度達15m以上，這對震區的泵站提出了更高結構要求和更多的投資要求；大型泵站基本都包括引水閘、泵站進口閘、機組吊裝設備、泵站出口閘等多處啟吊設備。由于主廠房地面以上部分的存在，不能有效地將多種啟閉設備合并為一種多功能的啟閉設備，造成設備投資高、利用率低、運行管理不便、安全隱患多等問題；大型泵站通常利用泵站自身防洪，分體泵站存在出水控制段的抗滑穩定、偏心過大應力不均及止水等問題，如果將泵站站身和出水控制段合并成為整體式泵站結構，能夠有效解決存在的諸多問題。

2.2 平埋式主廠房設計的提出

韓莊泵站原設計方案是將主泵房和出水控制段分開布置，順水流方向長達42.30m，中間以止水縫連接，存在滲漏、穩定及應力等諸多問題；地面以上主廠房高度為19.2m，存在抗震、采光、通水及取暖等問題；地面以下主廠房深度為19.25m，水泵機組及電纜的實際需要空間只有12.0m，其上26.45m(含地面以上廠房)的空間不能充分利用。

因此，在對韓莊泵站提水功能和存在問題進行充分調研的基礎上，提出了平埋式泵站設計，取消了地面以上主廠房，充分利用地面以下空間，實現節能、采暖、采光的綜合利用；由于不存在地面以上主廠房，也就沒有19.2m高的地面主廠房的抗震問題；將主廠房和出水控制段合為一體，有效解決了滲漏、穩定及應力等問題。

3 平埋式主廠房設計

3.1 平埋式泵站空間多功能利用研究

平埋式泵站主廠房共分為3層，高度18.13m，分別為流道層、電纜層和電氣設備層。其流道層層高5.38m，底板厚1.6m；電纜層層高為3.80m；電氣設備層層高7.35m。主廠房頂采用可移動式鋼結構玻璃頂蓋。主廠房順水流方向長36.5m，垂直水流方向長57.5m，如圖1所示。

(1)增加泵房上游電纜層，優化了電氣布置，提高了控制精度，改善了運行管理條件。主廠房順水流方向長度由原來的42.3m縮短至36.5m。在主泵房的上游側增加電纜層，凈增加有效面積51.3m2，在滿足廠房電纜布置的同時，增加了巡視平臺，加強了巡檢功能。增加了上游電纜層后，將原來繞行的動力電纜、通信電纜及控制電纜等布置在上游電纜層，減少了電纜長度，優化了電纜、電氣設備的整體布置，削減了電磁干擾和信號漂移，在控制精度和運行功能上得到了極大的改善。

(2)增加變頻器和LCU控制柜設備層，節省副廠房面積，增加運行安全可靠性。在31.10m高程增加電氣設備層，增加使用面積572m2，將LCU現地控制柜布置在主廠房上游側，在主廠房內可直接進行現地控制，提高了現地控制的安全性、可靠性和便利性；將變頻設備布置在主廠房的下游側，節省了副廠房311m2的使用面積，減少了工程投資，優化了電氣設備布置。

(3)將主泵房和出水控制段優化縮短后合并，有效解決了滲漏、穩定及應力問題。韓莊泵站出水段位于韓莊運河的老運河河段上，泵站站身需要滿足300年一遇的防洪要求，防洪水深達15.5m，使出水控制段受到巨大的水壓力，由于出水控制段僅10.55m，所以在結構穩定、應力上存在較大問題，出水段依靠自身不能維持穩定。同時主廠房段和出水控制段分為兩段布置，中間以止水帶連接，由于泵站和出水控制端的分體結構，承受水平荷載和豎向荷載不均勻，存在不均勻變形引起的止水帶破裂、混凝土壓碎等漏水隱患。經過研究，將主泵房和出水控制段合并布置，總長度由原來的42.3m縮短至36.5m，確保了工程的穩定、應力及防滲問題，減少了工程投資，同時增加了主廠房的使用面積。

3.2 平埋式泵站節能設計

3.2.1 采暖與采光

韓莊泵站站下接韓莊運河，站上接老運河，韓莊運河與南四湖常年通航，上、下游兩側泵房常年在水面以下，由于水的蓄能保溫作用，可使泵房外側的水體溫度保持相對穩定。對泵體機組和主廠房內的變頻器散發的熱量，通過排風管道，根據主廠房內的溫度進行控制排放，能夠充分利用設備運行產生的熱量。取消地面主廠房后，減少了18700m3的地面以上主廠房的空間，相當于減少了1/2泵站主廠房的室內空間，可以更加有效地調節主廠房內的溫度。取消地面以上主廠房后，廠房頂層高出地面20cm，其頂面布置6塊7m×5.3m移動式鋼結構玻璃蓋頂和5塊4m×1.5m固定式鋼結構玻璃蓋頂。在需要機組檢修時，移開相應機組的玻璃蓋頂，用門機進行吊裝。由于大面積采光，使主廠房內直至水泵層均可采用自然光照明，同時增加了陽光的照射面積，有利于保持廠房內溫度。

圖2 平埋式泵站廠房剖面圖

3.2.2 通風

為保證泵房內的通風和適宜的濕度，廠房內采用強制抽風和自然排風相結合的方式。在正常情況下采用自然排風，當室內濕度較高時采用強制排風，以保持室內的溫度和濕度。在泵房的站上游側采用強制抽風機管道排風，在站下游側采用抽風機排風。在泵站站上和站下的前、后墻校核洪水位以上部位采用自然通風洞，使泵站上、下游形成自然對流的風道。主廠房頂部蓋有6塊7m×5.3m移動式鋼結構玻璃蓋頂，每塊玻璃蓋上均有電動窗體，可根據室內溫度及濕度開啟自然排氣。

通過對主廠房的多項溫度及排風控制措施的研究，采取的工程方案可以保持主廠房內比較適宜的溫度，因而主廠房內不再布置空調及暖氣等溫度調節設備。經過2年的試運行，主廠房基本能保持冬暖夏涼，達到了節能減排的設計目的。

3.2.3 空間利用

改變原有泵站的墩式結構，采用梁、板、柱結構，使廠房內可用面積增大，視野通透，巡視方便；采用半地下式中控室布置，極大便利了中控室與主廠房的交通及對主廠房的觀察巡視，且節省了工程投資。

3.3 平埋式泵站多用途啟閉設備的綜合布置

傳統泵站針對泵站各部位的啟閉設備的需求，采用了不同的啟閉設備。引水閘、泵站進口檢修閘、泵站出口工作閘門和事故閘門，以上4種啟閉設備功能各異，存在使用頻率較低、維護費用高、隱形浪費大等問題。

3.3.1 多用途啟閉設備統一布置的可行性研究

采用平埋式泵站結構以后，將地面主廠房去掉，為多種啟閉設備整合成一種啟閉設備提供了條件。引水閘吊點軸線、泵站進口閘門吊點軸線、水泵起吊中心線、泵站出口工作門吊點軸線及泵站出口檢修門吊點軸線的之間的距離分別為60.959、10.73、16.32、3.46m，各軸線距離較短，垂直水流方向的門機軌道與左岸鋪設連接軌道可以連接形成一個軌道網絡，在平面上具備了將以上4種起吊設備合并為一種的可能性。

通過研究，解決了門式啟閉機主行走機構的車輪組轉向問題，研制了多功能轉向門式啟閉機設備，使門式啟閉機可以在不同的平行軸線上行走，完成多項起吊任務。

3.3.2 多功能轉向門式啟閉機的布置研究

門式啟閉機大車在引水閘、泵站進口閘、泵站機組起吊軸線及泵站出口閘上各布置橫向行走軌道，其中泵站進口閘和機組起吊可共用其中的一根軌道；沿泵站前池左岸的縱向方向上布置連接各橫向軌道的縱向軌道，使門機可能通過橫向軌道和縱向軌道達到需要起吊的每一處，完成起吊任務。

因此，通過整個站區的啟閉設備統一研究，做到了一機多用。原有的多臺啟閉設備統一到一臺門式啟閉機上，運行管理方便、操作簡單，同時節省了工程投資。

3.3.3 采用多功能門機后引水閘結構優化

通過研究，為了保證主廠房整體穩定，更有利于站身應力的分布，取消引水閘防洪功能，泵站防洪由站身自己完成。引水閘除具有清污、交通功能外，只保留低水位閉門檢修前池的功能。在采用多功能門機起吊引水閘閘門后，取消原有引水閘的胸墻、排架、機架橋、機房和橋頭堡，將引水閘的結構進行了優化，使其設計功能更加明確合理，管理運行更加方便，整體效果顯得清晰、輕盈、靚麗，與主副廠房建筑渾然一體，充分體現景觀水利理念，為今后水閘設計開創了新思路。

4 結語

韓莊泵站主廠房采用了平埋式泵站結構，取消地面以上主廠房，主泵房和出水控制段合并為整體結構，采用了梁、板、柱剛性結構體系，結構受力合理，解決了泵站的穩定、應力及滲漏問題，增加了主廠房的有效空間，節省了副廠房面積，優化了電氣布置，增加了運行安全可靠性和準確性，使運行管理更加便利。通過對地下主廠房在結構布置、運行管理、通風、采光、采溫、散熱等多方面的綜合研究，大范圍的自然采光設計，天然采暖與利用機組產生的熱量排放相結合的取暖設計，強制排風與自然通風的綜合排風設計，使地下主廠房和中控室達到了綜合利用、高效節能減排、冬暖夏涼的設計理念。該工程于2017年12月獲全國優秀水利水電工程勘測設計獎金質獎。