楊廟南站泵站改造工程及泵站沉降研究

(淮安市水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 淮安 223005)

1 引 言

隨著國家經濟的平穩快速發展，一些水利工程難以滿足現有需要，需要對其進行改造。王新澤[1]對大砂溝灌區工程泵站改造的必要性及其泵站改造后的經濟效益進行研究，認為泵站改造會帶來較好的經濟效益；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、王莊灌區泵站為例，對泵站改造設計進行研究；劉媛媛等[7]以江都三站改造為例對泵站改造技術及后期運行進行研究；劉輝[8]對泵站前池的泥沙淤積問題進行研究并提出了相應的防治措施；王德紅[9]對清水潭泵站改造工程的可行性方案進行分析，結果表明泵站改造對經濟和安全均有較好的效益；樊宗義[10]對灌溉改造本站設計進行研究，以實際工程為例提出了相應的工程設計方案。

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

2 工程概況

楊廟南泵站位于京杭大運河西堤，泵房結構為堤后式分基型結構，站內布置20HB-40型混流泵，配套JO2-91-4-55 kW電動機60臺套、HQ2035-4型潛水泵40臺，裝機總容量6300kW。采用平直管道進、出水型式，管道下設漿砌石鎮墩和支墩。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構，泵房室內地面高程為6.75m,廠房寬6m、長約350m。

進水池總長約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，進水池設漿砌石擋土墻；出水池位于運河西堤的堤肩上，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 泵站改造工程設計

3.1 泵站結構更新

改建楊廟南站布置方式為堤后式，位于古鹽河地涵東側。新建楊廟南站采用塊基型整體站身結構，平行水流流向底板長24m，垂直方向為28.5m，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，相鄰兩臺發電機組的中心距為5.5m。底板頂部設計高程為0.59m，高程0.59～12.5m之間包含進水流道層、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構，使用鋼筋混凝土澆筑。檢修車間位于主廠房東側，高度與主廠房一致?？刂茦俏挥诒檬椅鱾?，為二層框架結構。

進水流道斷面為漸變形式，由寬4.2m、高3.1m的矩形斷面逐漸變為直徑1.68m的圓形斷面，變為圓形斷面后與泵站進口的座環相連接；進水流道全長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的圓形逐漸漸變為寬4.5m、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，由卷揚機(型號：QPK-2×80kN)進行啟閉操作。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，使用卷揚機(型號：QPK-100kN)進行啟閉操作，啟閉機工作便橋高15.7m。

在進水流道入口上游79.74m處建設一座清污機橋，防止雜物進入進水池中。清污機型號為HQN-5.4×6×75，共有5臺。配備2臺SPW -800型皮帶輸送機。

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，進水池寬為25.15m。采用漸變方式連接引河和進水池附近的河道。泵站下游采用扶壁式翼墻，墻頂高程為8.5m，擴散角8°。泵站下游使用鋼筋混凝土進行鋪蓋，鋪蓋長為20m，使用漿砌石進行護底且應超過清污機橋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坦和長水平式混凝土護坦，總長27.5m，其中，斜降式護坦長15.7m。

3.2 泵站裝機更新

泵站裝機對比如表1所列。

表1 裝機對比

4 泵站沉降研究

4.1 模型建立及參數選取

根據泵站設計參數，建立泵站三維結構數值模擬模型，進行有限元數值模擬分析，同時在建模過程中應當抓住重點進行簡化。根據施工過程，進行數值模擬分析。

4.1.1 計算模型

數值模擬計算模型如圖1所示。

4.1.2 計算參數

4.1.2.1 地基參數

根據室內巖體力學實驗選取地基參數，地基參數見表2。

圖1 數值模擬計算模型

表2 地基參數

4.1.2.2 建筑物參數

使用C25混凝土進行站身澆筑，站身建筑物強度參數見表3。

表3 建筑物強度參數

4.1.2.3 邊界條件

土與結構之間按接觸單元考慮，土體四周設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,形成結構；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泵站運行,完成水荷載。

圖2 不同計算階段

4.2 數值模擬計算結果

根據計算模型和邊界條件，對泵站結構的五種階段進行了空間有限元計算，從沉降及應力角度對泵站結構進行分析。

4.2.1 泵站沉降計算結果

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

由計算結果可知：泵站站身整體的沉降不均勻，在出水側較大，在進水側較小，這是由于出水側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。

4.2.2 實際監測沉降

在工程實際施工階段對四個角點的沉降變形數據進行現場監測，監測點布置如圖3所示。2015年8月～2017年4月，各監測點累計變形量如圖4所示。

4.2.3 泵站應力計算結果

根據計算結果的應力云圖進行分析，4種階段下的泵站結構最大主應力云圖見圖5，4種階段下的泵站結構順水流及垂直水流方向應力云圖見圖6～圖9。

圖3 監測結果及監測點布置

圖4 各監測點累計變形量

圖5 不同階段下最大主應力云圖

圖6 階段2應力云圖

圖7 階段3應力云圖

圖8 階段4應力云圖

圖9 階段5應力云圖

泵站底板及墩墻結構應力計算成果見表5。

表5 泵站站身結構應力計算成果

由計算結果的應力云圖及表4可知：泵站結構的應力水平總體較小。階段3泵站站身所受應力最大，其中底板處最大主應力為0.669MPa，順水流方向應力為0.103MPa，垂直水流方向應力為0.199MPa；閘墩處最大主應力為0.428MPa，順水流方向應力為0.225MPa，垂直水流方向應力為0.278MPa。階段2情況下，結構最大主拉應力位于泵站兩側進水孔內底板頂部，為0.172MPa，最大主壓應力位于泵站中進水孔兩側隔墩上，為0.028MPa。

5 結 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準，保證了淮河流域中上游的安全，在以后發生中等洪水時入海水道行洪的概率將大大增加，是居民正常生產生活的重要保障。

b.通過建立數值模擬模型對泵站沉降特征進行研究，泵站建設竣工后沉降為12.2cm，滿足工程建設需求。

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

d.堤后式泵站在施工建設過程中，應當加強控制沉降措施，同時需要加強沉降監測，避免施工過程中土方回填時沉降量急劇增大，造成基礎破壞。同時，在泵站設計時應當著重考慮底板部位強度設計，防止底板受拉破壞。