南水北调某配套工程泵站调节池结构设计稳定分析

王红玲（天津市华淼给排水研究设计院有限公司，天津 300190）

南水北调某配套工程泵站调节池结构设计稳定分析

王红玲
（天津市华淼给排水研究设计院有限公司，天津 300190）

针对西河原水泵站调节池处的水文地质条件，采用有限元分析渗流场的计算原理，准确解决了复杂边界、多种介质的渗流问题；探讨了池体结构设计、渗透稳定、渗漏损失等问题，合理优选了池体结构，达到了节约工程投资的目的。

渗流稳定；渗漏损失；有限元；调节池

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.12.114

1 引言

国家南水北调天津市内配套工程规划中，需要在天津市区建一座规模为225万t/d的原水枢纽泵站，其功能是向市内3个大水厂输送源水。根据天津市华淼给排水研究设计院有限公司的《天津市南水北调市内配套工程西河原水枢纽泵站工程初步设计报告》，泵站工程包括进口闸、调节池、进水泵房、加药加氯设施，建设地点在天津市,工程总用地面积为1.22× 105m2。其中调节池东西长350m，南北长220m，有效水深7.77m，调节池有效容积46.35万m3。

本文结合池址处水文地质条件，采用《水工挡土墙设计规范》（SL 379—2007）及河海大学《水工结构有限元分析系统》(Auto月ANK v5.6)，探讨池体结构的渗透稳定、调节池渗漏损失等问题，优选池体结构，达到节约工程投资的目的。

2 调节池整体结构设计

由于调节池东西长350m，南北长220m，池内水深高出室外地坪最高2.65m，低于室外地坪最低7.7m。该工程又坐落在市区，为减少用地，调节池池壁采用了自防水钢筋混凝土扶壁式挡土墙结构。但针对挡土墙的抗倾覆、抗滑移的稳定性及地基的整体稳定性情况，地基处理采用了混凝土灌注桩基础。挡土墙设计墙厚600mm，基础底板厚800mm，扶壁板间距5800mm，板厚600mm。

对于调节池池体内外水位的差异压力宜造成池内水渗流到场区形成沼泽、场区地下水渗流到池内污染水源的问题，挡土墙基底的渗流稳定设计设置了池底周边水平防渗段，防渗段长20m，采用混凝土板和防渗毯双层防渗结构。池底中部结构采用素混凝土板透水底板防护，以满足调节池的抗浮及方便清淤等维护。

2.1 扶壁式挡土墙结构设计

池体为超长结构，按20m间距设置伸缩缝，底板顶标高-3.5m，壁板顶标高7.4m，池内正常高水位为4.27m，池外厂区地坪为标高4.2m，厂区最高水位为2.8m。

考虑池内无水（完成情况、清淤检修情况），池外地下水位2.8m工况为结构不利工况，按池体的承载能力极限状态和正常使用极限状态进行验算。

扶壁式挡土墙计算过程按20m间距设置伸缩缝，5.8m为一个扶壁的计算单元格，其中包括扶壁式挡土墙的荷载计算、基底应力计算、结构内力计算及稳定计算。本工程的挡土墙级别为Ⅰ，其抗倾覆稳定安全系数K0≥1.6；抗滑移稳定安全系数Kc≥1.35。

2.2 池体渗流稳定计算

为解决池体内外水位的差异压力宜造成池内水渗流到场区形成沼泽、场区地下水渗流到池内污染水源的问题，挡土墙基底的渗流稳定设计采用水工结构有限元分析系统对水质、水文地质、水位变化进行了验算。

2.2.1 水文地质条件

根据天津市水利勘测设计院的《天津市南水北调市内配套工程西河原水枢纽泵站工程岩土工程勘察报告》，调节池挡墙较长，建在不同土层上，且同一土层性质也不均匀，调节池挡墙基础主要坐落于Qm粉质黏土④1、淤泥质粉质黏土④3和粉土④2层上，土体以中等压缩为主，局部为高压缩土体。各层地基土的渗透性指标如表1所示。

表1 调节池地基土层渗透系数

为判定环境水的腐蚀性，共采取了地下水水样4组，地表水水样1组，做水质简分析试验，地下水化学类型为氯硫酸钠钾镁型水、氯硫酸钠钾钙型水、重碳酸氯硫酸钠钾钙镁型水、重碳酸氯钙钠钾镁型水和重碳酸硫酸钙钠钾镁型水。

2.2.2 模型建立

考虑池址处地形、水文地质条件、地层土质结构的不均匀性等因素，选取横向、纵向为典型剖面，迎水侧向池内延伸至池中心线，背水侧向外延伸100m，深度计算至池底微透水黏土层，池底以下18m。对计算区域进行有限元网格划分,为更好地模拟调节池水的渗流场的分布规律，对扶壁式挡土墙和池底周边水平防渗段区域采用较密网格。

2.2.3 计算工况

依据调节池控制运行条件，拟定模拟计算工况，如表2所示。

表2 调节池模拟计算工况

2.2.4 调节池渗流稳定分析

调节池正常运行时，池内水位高于地下水位，经计算池周边地下水位不会因池内蓄水导致周边地下水位逸出，故调节池周边土体不会产生渗透破坏。

当调节池发生事故停水或检修时，池水排干，而地下水位处于高水位状态，池壁基础会受到地下水位的作用，存在返向渗透稳定问题，模拟计算成果列于表3。

表3 池壁在地下水位作用下渗透稳定计算成果

调节池修建在粉质黏土地层上，允许渗透坡降为0.6，计算表明池底出逸点处不满足土体渗透稳定要求。为保障出逸点（池底）的渗透稳定，采用池底铺设300g/m2的土工布，200mm厚的粗砂层和300mm厚现浇混凝土块进行防护，根据文献[1]土体允许渗透坡降值可增大30%，达到0.78，池体的渗透稳定满足要求。

2.2.5 调节池蓄水后引起周边地下水位的变动情况

调节池正常运行后，由于池内水长期保持在较高的水位状态，会引起周边地下水位的抬高，经计算地下水位抬升结果列于表4。

Structure Stability Analysis of Pump Station Regulation Pool in a Support Project of South–North Water Transfer

WANG Hong-ling
(Tianjin Hua Miao Research&Design Institute of Water and Waste Water Co.Ltd.,Tianjin 300190,China)

This paper analysis the hydrogeological condition of regulating reservoir in Xiheyuan river water pumping station, then using finiteelement analysis of seepage field calculation principle, solves the seepage problem with complex boundary and variety media ,discusses problemsof regulating reservoir structure design, seepage stability , seepage loss and so on, choosing a reasonable regulating reservoir structure, in order tosave the project investment.

seepagestability；seepageloss；finite element；regulating reservoir

TV311

B

1007-9467（2016）12-0030-03

王红玲（1966～），女，河北河间人，高级工程师，从事水利工程及市政工程的结构设计研究。