陽谷縣陶城鋪灌區(qū)引黃閘后泵站設(shè)計探究

任國勇

（山東省陽谷縣水利局，山東陽谷 252300）

1.項目背景

陶城鋪引黃灌區(qū)位于山東省聊城市南部，南臨金堤河，北靠位山灌區(qū)，東與東阿縣相鄰，小運河、趙王河自南向北從灌區(qū)東部、中部穿過，灌區(qū)土地總面積107.5萬畝，設(shè)計灌溉面積74萬畝，工程等別為Ⅱ等。由于黃河多次調(diào)水調(diào)沙，造成陶城鋪引黃閘處河槽下切近兩米，致使陶城鋪引黃閘無法正常引用黃河水，目前，黃河部門正推進實施改造引黃閘可研工作，工程研究中陶城鋪引黃閘處設(shè)計引水位為37.62m，設(shè)計流量為50m3/s。陶城鋪輸沙渠渠首處渠底高程約為37.93m，擬建泵站處渠底高程為38.00m，在引黃閘設(shè)計引水位37.62m時現(xiàn)狀輸沙渠將完全無法引水[1-2]。陶城鋪灌區(qū)現(xiàn)有渠系配套基本完善，若改造渠系則投資巨大，實施難度大。

因此，充分利用灌區(qū)已有渠系，在改造引黃閘的前提下，在渠首建設(shè)提水泵站是十分必要的。

2.泵站指標(biāo)

（1）設(shè)計流量，泵站設(shè)計流量35m3/s。

（2）泵站特征水位。

站前水位：

站前設(shè)計水位：取改建引黃閘的設(shè)計引水位為37.62m，考慮引黃閘水頭損失0.1m，閘后設(shè)計水位37.52m，按此推出的輸沙渠在設(shè)計底寬為18.3m，以此渠道底寬計算輸沙渠在35m3/s時對應(yīng)水位作為站前設(shè)計水位，經(jīng)計算站前設(shè)計水位為37.07m[3]。

站前最高水位：為輸沙渠在加大流量時水位37.92m確定為站前最高水位。

站前最低水位：按照泵站設(shè)計規(guī)范，站前最低水位為泵站最小運行流量時的水位，根據(jù)黃河來水情況，在黃河低水位時滿足泵站運行1臺泵、對應(yīng)單泵流量5.0m3/s時作為泵站站前最低運行水位。據(jù)此確定對應(yīng)渠道5m3/s時的設(shè)計水深為0.5m、相應(yīng)設(shè)計水位36.02m確定為站前設(shè)計最低水位[4]。

站后水位：

站后設(shè)計水位：按泵站設(shè)計流量35m3/s的水位考慮確定，則站后設(shè)計水位41.0m。

站后最低水位：按照泵站設(shè)計規(guī)范，站前最低水位為泵站最小運行流量時的水位，與此對應(yīng)，泵站單泵流量5.0m3/s時出水渠水位作為泵站站后最低運行水位，經(jīng)計算則站后最低水位為38.85m，由于此水位比出水管中心線高程低，故取出水管中心線高程為最低水位為39.909m。

站后最高水位：泵站共裝設(shè)8臺泵，按泵全開時流量40m3/s時水位為最高水位，為41.3m。

（3）特征揚程。

泵站設(shè)計揚程：按泵站站后、站前設(shè)計水位差（41.0-37.07=3.93m），計入水頭損失，為5.30m。

泵站最高揚程：按泵站站后最高水位、站前最低水位差（41.3-36.02=4.98m），并計入水力損失確定，為6.50m。

泵站最低揚程：按泵站站后最低水位、站前最高水位差（39.909-37.92=1.989m），并計入水力損失確定，為2.95m。

3.渠首泵站布置

（1）連接段：布置在泵室前端，為連接渠底與泵室的過渡建筑物。

（2）泵室：受地形條件制約，泵室布置在節(jié)制閘東側(cè)，共布置8臺水泵，“一”字型布置，泵室寬21m，泵室底板高程為32.826m，底板厚1.0m，兩側(cè)墻為重力式擋土墻，均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。為方便檢修，泵房（一層）建筑面積385.4m2，在泵室頂部布置排架柱，設(shè)置雙梁橋式起重機。在泵室布置攔污柵。

（3）出水池：泵站為側(cè)向出水，出水池凈寬8.0m，為重力式擋土墻結(jié)構(gòu)，底板首端高程為38.100m，均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

（4）出水渠道：連接出水池與上游輸沙渠道的連接渠，為渠寬8m的矩形渠道，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

（5）配電系統(tǒng)：架設(shè)14km專用供電線路，從終端桿采用電纜直埋方式引入高壓配電室。泵站裝設(shè)8臺高壓水泵，10kV供電線路直接提供電源；一臺SCB11-100kV·A/10/0.4kV站用變壓器。站用變壓器為泵站0.4kV電氣設(shè)備、照明設(shè)備提供電源。

4.泵室穩(wěn)定計算與分析

4.1 荷載組合

計算工況與荷載組合按照《泵站設(shè)計規(guī)范》（GB 50265-2010）中表6.3.3的規(guī)定，根據(jù)泵站的實際運用情況，對其進行運行工況分析和荷載組合分析，荷載組合分為基本組合和特殊組合，基本組合分別計算完建情況和正常運行情況（出水池水位41.00m，上游輸沙渠水位37.07m），特殊組合是正常運行情況遭遇7度地震[5]。

4.2 計算公式

抗滑穩(wěn)定采用《泵站設(shè)計規(guī)范》（GB 50265-2010）中6.3.4-1公式計算，基底應(yīng)力采用《泵站設(shè)計規(guī)范》（GB 50265-2010）中6.3.8-1公式計算，抗浮穩(wěn)定采用《泵站設(shè)計規(guī)范》（GB 50265-2010）中6.3.6公式計算。

（1）基礎(chǔ)底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算公式：

式中：

KC—抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；

∑G—作用于泵室基礎(chǔ)底面以上的全部豎向荷載（包括泵室基礎(chǔ)底面上的揚壓力在內(nèi)，kN）；

∑H—作用于泵室基礎(chǔ)底面以上的全部水平向荷載（kN）；

F—泵室基礎(chǔ)底面與地基之間的摩擦系數(shù)，取0.25。

（2）基礎(chǔ)底面應(yīng)力計算公式：

式中：

2.1 蘋果虎皮病 蘋果虎皮病發(fā)病初期，果皮呈淡黃褐色，表面平或略有起伏，或呈不規(guī)則塊狀，以后顏色逐漸變深，呈褐色至暗褐色，稍凹陷。病部果皮可成片撕下，皮下變?yōu)楹稚２」饩d，略帶酒味。病變多發(fā)生于果實陰面未著色部分，嚴(yán)重時才延及陽面著色部分。虎皮病雖然不影響果實風(fēng)味，但嚴(yán)重影響果實外觀，降低商品價值。

∑G—作用于泵室基礎(chǔ)底面以上的全部豎向荷載（包括泵室基礎(chǔ)底面上的揚壓力在內(nèi)，kN）；

∑M—作用在基礎(chǔ)底面以上的全部豎向和水平向荷載對于基礎(chǔ)底面垂直水流方向的形心軸的力矩（kN·m）；

A—泵室基礎(chǔ)底面的面積（m2）；

W—泵室基礎(chǔ)底面對于該底面垂直水流方向的形心軸的截面矩（m3）。

（3）抗浮穩(wěn)定計算公式：

式中：

Kf—抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)；

∑V—作用于泵室基礎(chǔ)底面以上的全部重力（kN）；

∑U—作用于泵室基礎(chǔ)底面以上的揚壓力（kN）。

（4）計算成果：

泵室穩(wěn)定計算成果詳見表1。

表1 泵室穩(wěn)定和地基應(yīng)力計算成果表

當(dāng)上游輸沙渠水位達到最高水位39.72m，泵室抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)Kf=1.34>1.10。

（5）成果分析：泵室坐落于第五層，該層天然地基允許承載力為115kPa，根據(jù)《泵站設(shè)計規(guī)范》（GB 50265-2010）附錄B泵房地基允許承載力計算，施工完建期、地震工況均不滿足規(guī)范要求：平均基底應(yīng)力不應(yīng)大于地基允許承載力，最大基底應(yīng)力不應(yīng)大于地基允許承載力的1.2倍[6-7]。

由以上計算知，施工完建期、地震工況均不能滿足要求，需要采取地基處理措施，本可研報告選用灌注樁作為提高地基承載力的方式，見表2。

表2 泵室樁長計算成果表

根據(jù)以上計算，上部荷載為113615.52kN。可研考慮直徑1.2m灌注樁分布于泵室下方，共54根。

依據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2008），單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為：

式中：

Quk—單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值（kN/根）；

qpk—樁端土的極限端阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）；

AP—樁截面積（m2），AP＝3.14×0.62＝1.13m2；

μ—樁周長（m），μ＝3.14×1.2＝3.77m；

qsik—樁側(cè)第i層土的極限側(cè)阻力標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）；

li—第i層土厚度（m）。

則承載力標(biāo)準(zhǔn)值為：

考慮地震作用下的承臺效應(yīng)的復(fù)合基樁豎向承載力特征值R：

式中：

ηc—承臺效應(yīng)系數(shù)；

fak—承臺下1/2承臺寬度且不超過5m深度范圍內(nèi)各層土的地基承載力特征值按厚度加權(quán)的平均值，kPa；

Ac—計算基樁所對應(yīng)的承臺底凈面積，m2；

Aps—為樁身截面面積，m2；

A—為承臺計算域面積，m2。

計算得R=5212.46/2+104=2710.23kN。

樁自重：0.5×3.14×0.62×22×25×1.1=279.77kN。

外力（每根樁）：

考慮地震：2383.76×1.1=2622.14kN。

容許承載力（單樁）R=2710.23＞2622.14kN，滿足要求。

5.結(jié)論

基于以上計算，最終確定選用1400ZLB-125型普通軸流泵8臺，“一”字型布置，7用1備，出水管徑為Φ1400mm，配套電機為355kW，葉片安裝角度0°，單泵設(shè)計流量為5.0m3/s，設(shè)計揚程為5.3m；考慮直徑1.2m灌注樁分布于泵室下方，共54根，如圖1所示。

圖1 剖視圖