南水北調(diào)泗洪泵站垂直位移模型及其影響因素研究

孫飛 白傳貞 南水北調(diào)東線江蘇水源有限責(zé)任公司宿遷分公司

蘆園園 劉暢 中科寧圖技術(shù)江蘇有限公司

1.研究目的及意義

南水北調(diào)工程是解決我國部分地區(qū)水資源嚴(yán)重短缺問題的重大戰(zhàn)略舉措，其東線工程從長江下游取水沿京杭運(yùn)河向北送水，以解決京滬沿線和山東半島城市缺水的問題，并為農(nóng)業(yè)和生態(tài)進(jìn)行補(bǔ)水。根據(jù)近年來南水北調(diào)江蘇段工程運(yùn)行期間垂直位移實(shí)測數(shù)據(jù)分析，部分泵站出現(xiàn)了一定的垂直位移上浮現(xiàn)象，為確保工程主體安全及上下游兩岸人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，有必要對其監(jiān)測成果進(jìn)行分析研究，以確定工程上浮原因及其影響因素。泗洪站樞紐工程是南水北調(diào)東線工程的第四梯級泵站，該樞紐是南水北調(diào)的重要節(jié)點(diǎn)，自建成運(yùn)行以來進(jìn)行了持續(xù)穩(wěn)定的安全監(jiān)測，積累了豐富的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

2.研究內(nèi)容

2.1 監(jiān)測數(shù)據(jù)

本文垂直位移觀測數(shù)據(jù)來源于江蘇省南水北調(diào)工程安全監(jiān)測信息管理與分析系統(tǒng)內(nèi)記錄的數(shù)據(jù)，將系統(tǒng)的垂直位移進(jìn)行記錄并與泵站的工作基點(diǎn)BM3沉降量進(jìn)行修正，基于獲取得到的可靠垂直位移絕對值研究，解決以往基準(zhǔn)點(diǎn)沉降位移給位移觀測值帶來的干擾。對底板數(shù)據(jù)進(jìn)行垂直位移修正，通過分析垂直位移分布，該泵站的垂直位移分布浮動在-5mm-3mm之間，其中垂直位移上浮占比較多，為研究其垂直位移及其影響因素，探尋垂直位移上浮問題。擬對泵站底板測點(diǎn)011進(jìn)行研究分析，以測點(diǎn)011反應(yīng)整個泵體運(yùn)行狀態(tài)。

2.2 選用模型

由于泗洪泵站在測量過程中僅在底板處埋設(shè)了測壓管，缺失泵體溫度計(jì)，應(yīng)結(jié)合泵站地質(zhì)、工程、水文等數(shù)據(jù)，采取有限元和統(tǒng)計(jì)回歸有機(jī)結(jié)合方法對泵體進(jìn)行混合模型建立，因此本文采用基于有限元的垂直位移混合模型建模。

3.模型建立及影響因素分析

3.1 地質(zhì)資料數(shù)據(jù)

泗洪地處蘇北平原地區(qū)，而泗洪水利樞紐建設(shè)在天然土基中，這些土基的物理力學(xué)均較好，根據(jù)水利工程的建筑物的不同，其建設(shè)土層大致分為1-6層，土質(zhì)結(jié)構(gòu)多為粘土與砂壤土。其承載力在95Kpa到300Kpa中。

3.2 泵站有限元混合模型建立

根據(jù)泗洪泵站獲取到的測壓管上下游荷載水位數(shù)據(jù)、地質(zhì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，結(jié)合其立面圖、剖面圖、平面圖等CAD圖紙上簡化為基礎(chǔ)進(jìn)行泵體有限元模型建立。

3.2.1 參數(shù)建模和網(wǎng)格劃分

結(jié)合收集到的數(shù)據(jù)采取ANSYS19.2中APDL參數(shù)化語言建立。以泵體底板為核心研究結(jié)構(gòu)，在舍棄了泵體中的泄洪深孔、檢查廊道等局部影響，采取建立規(guī)則為點(diǎn)一線一面一體的六面體八結(jié)點(diǎn)方式進(jìn)行。計(jì)算范圍按照上下游模擬22.3m，左右向兩岸各取18m，深度方向取15.4m對其進(jìn)行合理概化和高精度模擬。

泵體底板坐落于第6 層土質(zhì)上，彈性模量E=9.1×104MPa，泊松比u=0.3，容重Y=25k N/m3。對于泵體的基巖建立作均勻參數(shù)考慮，容重Y=22 k N/m3，彈性模量E=1.0×104MPa，泊松比u=0.25，滲透系數(shù)為k=1.9×10-3cm/s。泵站模型由55028個單元數(shù)量和65363個節(jié)點(diǎn)數(shù)量進(jìn)行構(gòu)成。

3.2.2 垂直位移混合模型建立

對于垂直位移進(jìn)行混合模型建立，即水壓部分采取ANSYS19.2擬合得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行偏回歸分析，而溫度分量和時效分量則在實(shí)測數(shù)據(jù)上減去水壓分量的數(shù)據(jù)，再進(jìn)行偏最小二乘統(tǒng)計(jì)回歸模型計(jì)算。在偏最小回歸下的泗洪泵站混合模型回歸效果與常規(guī)混合模型所取得的垂直位移變量分離結(jié)果進(jìn)行對比，從而脫離僅靠數(shù)學(xué)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ头治龀龅慕Y(jié)論，將更加深入地得到真正影響泗洪泵站垂直位移的因素，從而達(dá)到預(yù)警與保護(hù)的作用。

3.3 混合模型下垂直位移影響因素研究

3.3.1 垂直位移因子影響因素分析

通過對底板測點(diǎn)011混合模型各變量進(jìn)行分離，其占比如圖1。

圖1 測點(diǎn)011混合垂直位移影響因素分布

通過混合模型建模分析可得出，水壓分量在有限元擬合分離中對垂直位移占比峰值不超過0.45mm。綜合統(tǒng)計(jì)回歸分析和有限元建模分析，可見水壓分量在汛期期間會有所上升，但絕大部分時間水壓分量在對泗洪泵站的影響中并非占據(jù)主要因素。究其原因，泗洪泵站的上下游水位較低，上游水位普遍在12米-14.5米之間，下游水位分布在11.5米-13.5米之間。且汛期最大水位差值不到2米，這使得水壓位移對底板垂直位移影響較小。而時效分量則在泵體運(yùn)行過程中趨于平穩(wěn)，其數(shù)值和比重對于所占據(jù)的垂直位移影響分量較小，而根據(jù)泗洪泵站實(shí)際調(diào)研反饋也得到泵體維穩(wěn)并無大安全隱患。

溫度分量作為泗洪泵站底板主要因素，呈現(xiàn)一定振幅變化的簡諧情況，其規(guī)律按照年分布遵循著熱脹冷縮的規(guī)律，即天氣炎熱情況下，底板各物體運(yùn)動速率加快，表現(xiàn)為向上托浮，導(dǎo)致位移量呈現(xiàn)上浮趨勢，而在冬天等天氣則回歸平穩(wěn)，但其變形值在0-3mm內(nèi)，屬于正常范圍。

3.3.2 其他因子解釋

從泵體地基的應(yīng)力來考慮垂直位移呈現(xiàn)向上的原因：泵體在建設(shè)初期隨著自重的加大，其土層始終存在著受力慢慢增大的趨勢，而隨著泵站建設(shè)完畢后，其重力荷載不再增加而趨于穩(wěn)定。在泵體建設(shè)后通水試行，由于上下游水位不同存在著揚(yáng)壓力托舉與自重力抵消的情況下，其土體結(jié)構(gòu)相對建設(shè)完畢的情況下相當(dāng)于荷載減少。隨著汛期非汛期期間上下游水位的差距，其土體過程荷載與揚(yáng)壓力呈相關(guān)性，即上下游水位差較大荷載減少，水位穩(wěn)定情況下荷載增加，受力點(diǎn)荷載增加與減少的受力曲線不同，導(dǎo)致其承壓力度不同，則垂直位移呈現(xiàn)上浮趨勢。

并且考慮到蘇北泵體地區(qū)土質(zhì)存在著膨脹土情況，在溫度較高情況下土體宏觀上會產(chǎn)生膨脹導(dǎo)致垂直位移向上的問題。

4.結(jié)束語

本文通過收集泗洪泵站的歷史觀測數(shù)據(jù)及相關(guān)資料，對泵站垂直位移的原因及其影響因素進(jìn)行了探討。在讀取泵站垂直位移數(shù)據(jù)并基于工作基點(diǎn)修正后，結(jié)合泗洪泵站地質(zhì)、水文、環(huán)境因子等數(shù)據(jù)，建立基于偏最小二乘與有限元的混合模型。在建立的模型中對垂直位移影響因素進(jìn)行了分析，得出水壓分量和溫度分量是其主要影響因子，并討論了有關(guān)泗洪泵站土質(zhì)的結(jié)構(gòu)，確立了垂直位移變化異常的原因。同時本文也存在一些不足之處：（1）本文只基于泵站的一個測點(diǎn)建立了分析模型，并不能夠完全反應(yīng)泵站整體的位移狀況，數(shù)據(jù)不夠全面；（2）所用觀測數(shù)據(jù)不夠完善，數(shù)據(jù)量不足且觀測周期及間隔不能夠完全滿足監(jiān)測要求。