片区排涝提升的大型混流泵站建设方案稳定分析.pdf

云南水力发电YUNNAN WATER POWER156第 40卷第 4期0 引言泵站排涝提升对于预防洪水、保障城市发展、改善环境质量和促进经济发展等方面具有重要的意义。它是城市规划和水利工程中不可或缺的部分，能够为城市建设和居民生活提供可靠而安全的水利保障。泵站的稳定运行是确保供水、防洪排涝、环境保护和经济发展的基础，对于城市的正常运行和居民的安全与福祉具有重要意义1。1 排涝站概况与现状长岭涝区整治工程位于英德市英城街道办，何公坑出口处，包括建设何公坑排涝站与何公坑水闸。据规划内容，何公坑排涝站规划装机6 120 kW，规划排涝流量 60 m3/s。何公坑水闸闸孔净宽 3 m，设计过流能力 25 m3/s，目前建成时间仅 10+a，目前运行良好，水闸的运行管理及过流能力均能满足设计要求，故该工程仅建设何公坑排涝站，暂不考虑建设何公坑水闸。工程任务是在保持总体治涝模式不变的情况下，在何公坑出口设置何公坑排涝站及其附属工程，提高长岭涝区的排涝能力，使长岭涝区达到 10 年一遇 24 h 暴雨所产生的径流量 1 d 排干不成灾，为本地区的经片区排涝提升的大型混流泵站建设方案稳定分析黎宇浩（中庚工程技术有限公司，广东 湛江 524000）摘要：以长岭涝区整治工程新建排涝站为例，规划了建设方案，从内向外分别为：清污桥、前池、泵房、配电室、出水箱涵、防洪闸、出水口建筑物、改建南山排水涵及其它站区工程。然后对建设设计过程中的泵站抗渗稳定性、泵房抗滑、抗浮稳定性、副厂房与防洪闸基底应力进行计算分析，得出工程地基抗渗稳定性泵房抗滑、抗浮稳定性均满足规范要求；但各建筑物地基承载力不足，均需地基处理，为工程高效优质实施提供技术保障。关键词：排涝站；泵站；稳定分析；应力计算中图分类号：TV675文献标识码：A文章编号：1006-3951(2024)04-0156-04DOI：10.3969/j.issn.1006-3951.2024.04.038Stability Analysis of the Construction Plan for Large-scale Mixed Flow Pumping Stations for Drainage and Upgrading in the AreaLI Yuhao(Zhonggeng Engineering Technology Co.,LTD,Zhanjiang 524000,China)Abstract:This paper takes the construction of a new drainage station in the Changling flood control project as an example,and plans the construction plan from the inside out,which includes:sewage bridge,forebay,pump room,distribution room,outlet culvert,flood control gate,outlet building,reconstruction of Nanshan drainage culvert,and other station area projects.It calculates and analyzes the anti-seepage stability of the pump station,the anti-skid and anti floating stability of the pump room,and the stress on the foundation of the auxiliary power house and flood control gate during the construction and design process.It is concluded that the anti-seepage stability of the engineering foundation and the anti-skid and anti floating stability of the pump room meet the requirements of the specifications.However,the bearing capacity of each building foundation is insufficient,and foundation treatment is required to provide technical support for efficient and high-quality implementation of the project.Keywords:drainage station;pump station;stability analysis;stress calculation收稿日期：2023-08-29作者简介：黎宇浩（1990-），男，广东湛江人，工程师，主要从事水工建筑物研究工作。*黎宇浩 片区排涝提升的大型混流泵站建设方案稳定分析157济发展提供一个良好的基础条件。因西岸排涝站排涝能力有限，考虑下游民居、菜地较多，不能受淹过重，故滞洪区下泄水量要严格控制。滞洪区水位经常在高水位运行，流向滞洪区的水量大，极易造成长岭村、马口村、滞洪区周边农田、菜地受淹，长岭、马口一带内涝问题尤其突出，多次引起当地群众集体上访，长岭涝区问题成了当地社会的不稳定因素，制约了中下游涝区经济社会的发展。为进一步完善长岭涝区的防洪排涝体系，提升整体防洪排涝能力，切实保障区内经济社会发展，实施长岭涝区整治工程是十分必要和迫切的。2 工程地质条件2.1 工程地质评价1）渗透变形问题。拟建排涝站主要位于一级阶地上，浅部为较厚人工填土层，第四系冲积层中上为细粒壤土，下为砂卵石层。人工填土层属强透水层；壤土层具弱极微透水特性，渗透系数数量级在 10-7 cm/s 10-5 cm/s 之间，为相对较好的隔水层，具较好防渗功能；砂卵石层属强透水层，由于上覆相对隔水壤土层，且拟建泵站结构具有防渗作用，渗透稳定性问题不大。2）稳定问题。本区属岩溶盆地，岩溶发育，钻探过程中揭露溶洞非常发育。由于溶洞具有一定的高度，且顶板较薄，浅部土层力学性能差，建议采用钻（冲）孔桩基础，以稳定的微风化灰岩作为桩端持力层，可消除场地岩溶等不良地质条件对泵站稳定性的影响。3）沉降变形问题。由于场地浅部地层主要为填土层，天然地基基础则无法满足沉降变形要求，若采用钻（冲）孔桩基础，以稳定的微风化岩作为桩端持力层，其沉降变形可满足要求。2.2 地基基础评价建议拟建泵站对地基承载力要求一般，对地基变形控制要求严格，在基础埋置深度位置地基土为人工填土、冲积而成可塑或软塑粉质壤土，天然地基基础不能满足要求。根据场地工程地质条件，建议采用钻（冲）孔灌注桩基础，以微风化灰岩作为桩基础桩端持力层。钻（冲）孔灌注桩单桩承载力高，受力直接，建筑物沉降易于控制，但钻（冲）孔灌注桩施工产生的余泥较多，对环境会产生一定影响，施工时应采取相应防范措施。由于场地基岩为灰岩，岩溶发育，岩层中发育有溶洞，为保证桩端连续完整微风化灰岩的厚度，须对基桩进行超前钻探施工勘察。桩基施工过程中溶洞或土洞易造成泥浆突发性流失而出现桩基质量事故及施工安全事故，因此桩基施工组织方案应对该类不良地质问题所可能引起的质量安全事故提出有效的防护措施。该场地拟建泵站基坑开挖深度约 10 m，基坑安全等级为一级，该深度范围内主要土层为人工填土层和 1 可塑粉质壤土、2 软塑粉质壤土层，地下水位虽普遍埋深约 2 4 m，基坑开挖施工时降雨会使得地下水位提高，故基坑支护设计计算水压力时建议地下水埋深按现地面下 0.5 m考虑。根据场地地质条件、基坑开挖深度及场地环境条件，可采用以下基坑截水及支护方案。基坑截水及支护方案可采用冲孔灌注桩排桩结合锚拉支护结构，建议以微风化岩作桩端持力层，桩顶须作圈梁，桩间于冲积层段须作高压旋喷或搅拌桩进行防渗截水。锚拉结构采用预应力锚杆，分层开挖，分层支护。由于基坑底板局部为人工填土，未完成自重固结，建议对该层进行地基处理或作结构处理。3 工程总布置及主要建筑物3.1 工程总体布置滞洪区保持现状不变，仅在现排涝站南侧原何公坑出口设置新泵站，不开挖新的蓄涝区，新建泵站装机容量较大。长岭涝区整治工程任务是建设何公坑排涝站，其建设内容从内向外分别为：清污桥、前池、泵房、配电室、出水箱涵、防洪闸、出水口建筑物、改建南山排水涵及其它站区工程。因站址西侧为民居、东侧交通桥及路、上游侧为何公坑河道、下游侧为交通路及防洪堤（南堤、钢筋混凝土结构），因此，站址受周边地形限制较多；泵房、出水箱涵、防洪闸、出水口建筑物等建筑物也必须依据防洪堤现状墩墙位置进行顺接。布置方案为新建泵房安装 5 台 1600HLB11-5.5 导叶式混流泵。副厂房（配电室）布置在泵房右侧（紧邻布置），为 2 层框架结构，占地面积小。配电室南侧错开位置（宽 5 m），作为车辆进入泵房检修间的通道。前池走向布置成圆弧形，尽量远离西侧民居，并使清污桥正对何公坑，使前池进水为正向，流态很好。泵站为堤后式布置，主要建筑物自内而外分别有清污桥、前池、泵房（配158云南水力发电2024 年第 4 期电室）、出水箱涵、防洪闸等建筑物。3.2 主要建筑物布置1）泵房从下向上分为进水流道层、水泵层和电机层 3 层，均为钢筋混凝土结构。进水流道为肘形流道，流道出口高程为 20.72 m。每台水泵均设配套独立流道，流道进口设置门槽，以便安放安全栅（拦污栅）进行污物拦截。拦污栅门槽旁设人行桥，桥面高程 27.8 m，宽 0.8 m，方便运行管理人员检修。为方便泵站对水泵进行停机检修，下游侧空箱布置为排水廊道，排水廊道为矩形，断面尺寸为 2.3 m3.5 m（BH）。泵站底板为C25 钢筋混凝土，厚 1 000 mm，下设 100 mm 厚C15 混凝土垫层，底板面高程为 18.22 m。水 泵 层 主 要 布 置 水 泵，内 部 尺 寸 为23.8 m9.7 m（LB），四周均为钢筋混凝土墩墙，上下游墩墙厚 800 mm，东西侧墩墙厚 700 mm。泵站采用 5 台 1600HLB11-5.5 导叶式混流泵，叶轮直径 1 560 mm，设计工况单机排流为 11.35 m3/s，5 台水泵总排流 56.75 m3/s，可满足设计排涝流量要求。电机层布置5台高压同步电机及其辅助设备，地面高程 29.4 m，地面铺防滑砖；电机层上部建筑为钢筋混凝土框架结构，外墙为 M7.5 砖墙，厚18 cm，上下游砖墙设铝合金窗，采光条件良好。为便于机组的安装与检修，泵房内部设 1 台 QD 型20/5T 吊钩桥式起重机（Lk=9.6 m），起重机轨道采用 43 重轨，全长辅设。2）出水箱涵根据现状情况与出水需要，共分为 4 段，分别为出水箱涵 A、B、C、D，均为钢筋混凝土结构。出水箱涵 A 为渐变段，水平方向长 12.6 m，单机单涵，共 5 孔，孔口净尺寸为2.2 m1.9 m 3.4 m1.9 m（BH），宽 度 从上游往下游渐变扩大，底板为整体结构，过水断面底板面高程 25.3 m，顶板底高程 27.2 m，每两孔箱涵之间的空隙回填砂振实。出水箱涵 B 为穿堤箱涵，穿过防洪堤（南堤、钢筋混凝土结构）挡水墙并与箱涵 C 相接。出水箱涵 C 位于出水箱涵 B 与防洪闸之间，为斜坡段，底板为整体结构。箱涵 C 断面为渐变段，上游过流断面尺寸为3.4 m1.9 m，下游为 4.1 m1.9 m，底板面高程为 25.3 23.8 m，坡比为 1 8.93。箱涵 D 连接防洪闸与北江抛石护岸。3）防洪闸位于出水箱涵C与出水箱涵D之间，顺水流方向长 9 m，横向宽 26.5 m，共 5 孔，闸孔净宽 4.1 m。4 泵站建筑物稳定分析4.1 抗渗稳定性分析为了防止建筑物内河的渗流出逸处在渗透剩余水头作用下产生渗透变形，需对出口坡降进行验算，计算采用改进阻力系数法2-3。对照地质勘察报告，节制闸、泵站底板均坐落在底层可塑粉质壤土上，渗透系数 2.3610-5 cm/s，根据水闸设计规范规定，取粉壤土允许渗流坡降值的水平段J水平=0.3，出口段J出口=0.55。经计算，地基水平段最大坡降值为 0.086，出口段最大坡降值为 0.215，均小于规范允许坡降值，工程地基抗渗稳定性满足规范要求。4.2 泵房稳定分析根据建筑物的荷载、地基资料和地基土层的勘探试验成果进行稳定分析计算，并分析计算结果是否满足规范要求。4.2.1 计算方法根据泵站设计规范泵房基底应力计算公式如下4：（1）式中：泵房基底应力的最大值或最小值，kPa；G 作用在泵房上的全部竖向荷载，kN；M 作用在泵房上的全部荷载对于基础底面垂直水流方向的形心轴的力矩，kNm；A泵房基底面的面积，m2；W泵房基底面对于该底面垂直水流方向的形心轴的截面矩，m3。平均基底应力按下式计算：（2）各种荷载组合情况下的泵房基础底面应力应不大于泵房地基允许承载力。根据 GB 50265-2010泵站设计规范，泵房沿基础底面的抗滑稳定公式为：Kc=f G/H （3）式中：Kc抗滑稳定安全系数；f泵房基底面与地基之间的摩擦系数；G作用在泵房上的全部竖向荷载，kN；H作用在泵房上的全部水平荷载，kN。泵房抗浮稳定计算公式如下5-6：黎宇浩 片区排涝提升的大型混流泵站建设方案稳定分析159Kf=V/U （4）式中：Kf抗滑稳定安全系数；V作用于泵房基础底面以上的全部重力，kN；U作用于泵房基础底面上的扬压力，kN。根据泵站设计规范，建筑物抗滑、抗浮稳定安全系数及基底应力不均匀系数允许值。4.2.2 泵房稳定计算成果及结论泵房稳定计算荷载组合分基本组合和特殊组合，其中基本组合分完建工况和设计工况，特殊组合考虑校核工况。稳定计算成果见表 1。表 1 何公坑排涝站泵房稳定计算成果统计表计算工况抗滑安全系数/Kc抗浮安全系数/Kf地基应力/kPa应力比Pmax/PminPmaxPminP平完建工况1.87190.6177.5184.01.07设计工况1.9310.83189.9159.2171.01.15校核工况1.396.81183.4145.2164.31.26由上表可知：泵房抗滑系数、抗浮系数均大于规范允许值，满足规范要求；地基基底应力不均匀系数在不同工况下均能满足规范要求，但泵房基底应力平均值大于人工填土层地基承载力容许值 50 kPa，且泵房位于人工填土层上，地基基础条件较差，易发生地基不均匀沉降，故需进行基础处理。4.3 副厂房应力分析配电室为 2 层钢筋混凝土框架结构，根据相关工程经验，不存在抗倾问题，本阶段只需对地基承载力进行验算。计算方法及公式7-8：（5）式中：p配电室基础底面应力，kPa；G作用在配电室基础以上的全部竖向荷载，kN；A箱涵基底面的面积，m2。按最不利情况核算，配电室完建工况最为不利，地基承受的竖向力最大，计算得配电室基底应力为91.69 kPa，配电室基础坐落于人工填土层，根据工程地质勘察报告及相关经验值，人工填土层承载力容许值为 50 kPa。配电室基底应力大于人工填土层地基承载力特征值，故地基需进行处理。4.4 防洪闸稳定分析该工程防洪闸位于南堤外江侧，地面高程为27.36 m，当外江达到设计运行外水位 30.62 m 时，闸室部分已经完全被淹没，防洪闸下部结构四周静水压力平衡，根据相关工程经验，该工程防洪闸不需进行抗倾与抗浮计算，只需进行基底应力验算。因此根据泵站设计规范对防洪闸基底应力进行计算。计算结果见表 2。表 2 防洪闸稳定及基底应力计算成果表计算工况地基应力/kPa应力比PmaxPminP均值Pmax/Pmin完建工况116.3285.89101.111.35由上表可知，防洪闸应力不均匀系数为 1.35，小于规范允许值 2，故满足规范及设计要求。防洪闸平均基底应力为 101.11 kPa，其基础坐落于人工填土层上，人工填土层地基承载力特征值为50 kPa，不满足基底应力要求，故需进行地基处理。5 结束语基于泵站设计规范对英德市城区西岸新建排涝站进行了稳定性计算分析，结果如下。1）泵房抗滑系数、抗浮系数均大于规范允许值，满足规范要求；地基基底应力不均匀系数在不同工况下均能满足规范要求，但泵房基底应力平均值大于人工填土层地基承载力容许值，易发生地基不均匀沉降，需进行基础处理。2）配电室基底应力 91.69 kPa 大于人工填土层地基承载力特征值 50 kPa，故地基需进行处理。3）根据相关工程经验，该工程防洪闸不需进行抗倾与抗浮计算，只需进行基底应力验算，防洪闸应力不均匀系数为 1.35，小于规范允许值 2，故满足规范及设计要求。防洪闸平均基底应力为101.11 kPa，高于地基承载力特征值为 50 kPa，不满足基底应力要求，故需进行地基处理。参考文献：1徐广荣.小流域防洪排涝影响下新建泵站的设计研究J.水利科学与寒区工程，2023,6（7）:111-114.2李婵娟，林强，于军国，等.改进阻力系数法验算闸基抗渗稳定性分析J.黑龙江水利科技，2023,51（4）:104-107.3刘金芳，张磊，祁淑梅，等.砂砾石地基上水闸渗流计算J.东北水利水电，2019,37（7）:11-13.4 吴建明，李有华，夏权斌.泵站基底应力计算时扬压力荷载组合 J.云南水力发电，2019,35（5）:74-76.5 徐宗白.盘山县大板桥排灌站抗滑、抗浮和抗倾稳定复核分析 J.黑龙江水利科技，2020,48（11）:63-66+140.6袁俊平，陈胜超，丁国权，等.基于 ABAQUS 的复杂泵房结构三维数值模拟J.人民黄河，2013,35,（7）:116-119.7赵法存，颜文君.泵站深基础设计方案的选择J.吉林水利，2014,（11）:1-2+9.8吉同毅.清北电排站地基处理设计中 CFG 桩复合地基的应用J.陕西水利，2019,（10）:115-117+120.