楊溝泵站建筑物選型與穩定性分析

李志龍

(安徽省阜陽市水利規劃設計院有限公司，安徽 阜陽 236000)

0 引 言

楊溝片洼地是沿潁洼地的其中一部分，洼地缺少抽排設施，汛期受潁河外河水位頂托，澇水無法外排。同時，當汛期前黑茨河向潁河分流，外河水位高無法自排時需泵站抽排，因此楊溝口建泵站是十分必要的[1_6]。

1 工程概況

黑茨河流域地處豫皖平原，自中華人民共和國成立以來經過不斷的治理，洼地的洪澇災害明顯減少，特別是開挖了茨淮新河，黑茨河由入沙潁河改入茨淮新河，洪澇災害次數明顯減少，程度明顯減輕，但災害仍然不斷。相應黑茨河出口洪水位為31.77 m(1985國家基準高程)，黑茨河流域原墻閘以下545 km2都受到回水不同程度的影響，降雨無法短期內及時排除。目前建有阜陽市第二水廠，第四水廠正在建設，同時又是引江濟淮工程清水輸水河道。茨淮新河水源保證率低，特別是干旱時間對阜陽市供水水源不能保證。

楊溝涵是潁泉區1座十分重要的水利工程，原設計5 a一遇除澇流量32.13 m3/s，為20世紀80年代新建，單孔凈寬2.8 m，共2孔，涵底板高程26.37 m(1985國家高程基準)。2000年之前進行過一次維修接長，距今已有20多年時間，設備老化，閘門啟閉困難，已成為防洪的一大隱患。位于楊溝溝口入沙潁河處的現狀排水溝系已形成，且原涵過流能力不能滿足本次設計標準提高到10 a一遇的規劃要求。楊溝涵位于潁左月牙堤上，堤防距河口約240 m，該段堤防長度160 m，較上下游堤線后退約150 m。可研階段楊溝站位于楊溝涵原址，堤防迎水側填筑管理設施莊臺，配電設施與泵室分別位于堤防迎水側和背水側，運行管理非常不便。綜合考慮在現狀楊溝涵址處拆除楊溝涵，新建楊溝泵站(見圖1)。

圖1 楊溝泵站勘測定界示意

2 建筑物選型

2.1 樞紐布置比選

楊溝泵站設計排澇標準為10 a一遇，自排設計水位內河側29.60 m、潁河側29.50 m，分流時期自排流量為72 m3/s；抽排內河側設計水位28.00 m、最高運行水位30.00 m、最低運行水位26.50 m。泵站選用3臺1600ZDBX—70型立式潛水軸流泵，配套電機630 kW，總裝機容量1 890 kW。初步設計對樞紐布置進行如下方案比選。

(1)方案一。抽排、自排合建方案。自排涵與排澇站共用3孔孔徑(寬×高為5.0 m×6.7 m)進水閘。抽排選用3臺1600ZDB型軸潛水流泵，泵室兩側各設置2孔孔徑(寬×高為3.5 m×5.0 m)自排涵，與泵室共用底板，一側自排涵寬度8.6 m，泵室段總寬度32.9 m。泵室段后接壓力水箱，壓力水箱后接5孔孔徑(寬×高為3.6 m×4.0 m)穿堤涵。

(2)方案二。抽排、自排分建方案。在楊溝左側建排澇泵站，右側建自排涵，該方案排澇站首端設3孔孔徑(寬×高為5.0 m×6.7 m)進水閘。抽排選用3臺1600ZDB型軸潛水流泵，泵室段寬度16.1 m，泵室段后接壓力水箱，壓力水箱后接1孔孔徑(寬×高為3.6 m×4 m)穿堤涵；右側自排部分為5孔孔徑(寬×高為3.6 m×4.0 m)穿堤涵，涵洞底板設2‰縱坡。

經比較(見表1)，方案一總投資較省，運行費用較低。因此，本設計擬選用方案一，即合建布置方案。

表1 兩方案優缺點比較

2.2 泵室形式選擇

本泵站規模大、流量大，根據規劃運行條件和水機機型比選成果，水泵選用3臺1600ZDB潛水軸流泵，確保進水流態均勻和機組運行安全。

2.3 地基處理方案選定

由于前池、泵室段底板底高程20.90 m位于第(4)層，為重粉質砂壤土。層底高程為19.94～20.35 m；層厚為1.50～2.50 m；該層滲透系數5.0×10-4，為中透水層。為減小建筑物底板上的滲壓水頭，防止滲透破壞，擬在上述建筑物四周采用直徑0.5 m水泥攪拌樁截滲墻處理。

2.4 工程總體布置

楊溝涵是潁泉區1座十分重要的水利工程，原設計5 a一遇除澇流量32.13 m3/s，涵室總寬2.8 m，共2孔，涵底板高程26.37 m(1985國家高程基準)；2000年之前進行過一次維修接長。綜合考慮拆除楊溝涵，在現狀楊溝涵置處新建楊溝泵站(見表2)。

表2 楊溝泵站規劃條件成果

(1)上游引渠。上游引渠斷面尺寸根據土質不沖不淤流速、排澇水位且結合站身布置尺寸等綜合確定，底寬由12.0 m漸變至13.0 m，邊坡1∶2，渠底設縱坡i=1/8 000。經計算，其過流能力90.6 m3/s，大于設計自排流量72 m3/s。

(2)進水閘。結合布置檢修閘門及清污機等，確保機組正常運行，在泵房前池前端建進水攔污閘，底板高程23.70 m。閘室上游端設攔污柵和清污機，攔污柵傾角80°。檢修門頂設啟閉機操作臺及固定式雙吊點卷揚式啟閉機。閘墩頂程30.70 m，啟閉機臺頂高程39.50 m。

(3)前池。該泵站進水前池采用正向進水，平面呈直線型收縮布置，平面收縮角38°。前池順水流向30.0 m，共分3段。前池底板高程自23.70 m斜降至22.20 m，坡比1∶9.3，為鋼筋混凝土結構。進水前池末端混凝土護底底板下設反濾體導滲，以降低底板下的滲透壓力，增加底板抗浮能力。

(4)泵房。本泵站規模大、流量大，根據規劃運行條件和水機機型比選成果，水泵選用3臺1600ZDB潛水軸流泵。結合工程經驗同時考慮節省工程投資，采用封閉式簸箕型進水流道。各斷面面積沿程均勻變化，逐漸縮小，水流流速逐漸增大。由于本站進出水最低水位相近，為同時滿足葉輪及出水口淹沒深度要求，本站采用井筒加蝸殼式周向出水，改善了出水流態。出水流道出口設拍門各1道，流道出口上方設置通氣管。

(5)壓力水箱漸變收縮段。在泵室出水側與穿堤涵之間設漸變收縮段，長度15.0 m，為鋼筋混凝土結構；平面尺寸由泵室側32.9 m漸變收縮至穿堤涵進口寬度21.2 m；底板高程25.00 m。

(6)穿堤涵。穿堤涵為5孔鋼筋混凝土箱涵，單孔尺寸3.6 m×4.0 m(寬×高)。為適應不均勻沉降，共分3節，每節長度11 m，洞身分段接頭處設洞箍。出口段設防洪閘門及啟閉機臺，啟閉機臺頂高程35.80 m，堤頂高程35.80 m。

(7)出口防沖段。穿堤涵洞出口設防沖段，底高程25.00 m。長度方向分為2段，各長10 m；末端設防沖槽長4 m，兩側河坡采用混凝土預制塊護砌。

(8)下游引渠。結合穿堤涵出口的總體布置，擬定下游引渠底寬由18.5 m漸變至12.0 m，邊坡1∶2，渠底設縱坡i=1/8 000。渠底高程25.00 m，平順接入原河道。

3 穩定計算

3.1 穩定計算簡圖

穩定計算工況及簡圖如下所示(見圖2)。

圖2 穩定計算簡圖

(1)完建期。

(2)最高運行期：內河水位26.50 m，潁河水位33.80 m。

(3)檢修期：前池側28.00 m，泵站側無水，潁河水位31.30 m。

各種計算工況的荷載組合如下所示(見表3)。

表3 荷載組合

3.2 建筑物級別及相應的安全系數

泵站主要建筑物允許抗滑安全系數按下表確定(見表4)。

表4 主要建筑物抗滑穩定安全系數允許值

3.3 穩定計算

抗滑穩定按下式計算:

式中，ΣG為作用于構筑物基礎底面以上的全部豎向荷載(kN)；ΣH為作用于構筑物基礎底面以上的全部水平向荷載；f為摩擦系數。

基底應力按下式計算:

基礎底面應力不均勻系數按下式計算:

η=Pmax/Pmin

式中，η為地基應力的不均勻系數。

計算結果如下所示(見表5～表8)，從計算結果可看出：進水閘、泵室在各時期的抗滑穩定滿足要求。

表6 泵室穩定計算成果

表7 穿堤涵洞啟閉機臺段穩定計算成果

表8 翼墻計算成果

3.4 地基設計

根據地質資料，本站各部位對應的地基持力層及地基承載力允許值如下所示(見表9)。內外河側翼墻、前池、泵室、洞身、控制段底板的持力層強度較高，該層土抗滲穩定性和抗滑穩定性均較好，為該站的良好的基礎持力層。泵站各部位基底應力Pmax≤1.2[R]，(Pmax+Pmin)/2≤[R]，不需要地基處理。

表9 各部位基底應力及地基承載力允許值

4 結 論

對地基沉降量及沉降差接近規范上限的工程，需根據建筑物地基土質情況選擇合適的地基處理方案。結合工程實例，對楊溝泵站下的地基采用了相應加固的方案。通過對泵站主要建筑物的復核分析計算，結果表明泵站主要建筑物結構安全，從而為后期泵站的更新改造提供了技術支撐。