杨庙南站泵站改造工程及泵站沉降研究

(淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏 淮安 223005)

1 引 言

随着国家经济的平稳快速发展，一些水利工程难以满足现有需要，需要对其进行改造。王新泽[1]对大砂沟灌区工程泵站改造的必要性及其泵站改造后的经济效益进行研究，认为泵站改造会带来较好的经济效益；毕东华[2]、周燕[3]、温汝青等[4]、李婷[5]、王永杰[6]分别以南口哨泵站、峡信邑沟泵站、梧田泵站、北昌泵站、王庄灌区泵站为例，对泵站改造设计进行研究；刘媛媛等[7]以江都三站改造为例对泵站改造技术及后期运行进行研究；刘辉[8]对泵站前池的泥沙淤积问题进行研究并提出了相应的防治措施；王德红[9]对清水潭泵站改造工程的可行性方案进行分析，结果表明泵站改造对经济和安全均有较好的效益；樊宗义[10]对灌溉改造本站设计进行研究，以实际工程为例提出了相应的工程设计方案。

本文以杨庙南站泵站改造为例，研究泵站改造工程设计方案以及泵站沉降和应力分布特征。

2 工程概况

杨庙南泵站位于京杭大运河西堤，泵房结构为堤后式分基型结构，站内布置20HB-40型混流泵，配套JO2-91-4-55 kW电动机60台套、HQ2035-4型潜水泵40台，装机总容量6300kW。采用平直管道进、出水型式，管道下设浆砌石镇墩和支墩。站身由主厂房、变电所、出水池三部分组成，主厂房为临时性砖混结构，泵房室内地面高程为6.75m,厂房宽6m、长约350m。

进水池总长约600m，中间最宽处约40m，两端约5m，中间与引河连接，引河长约600m，北端与柴米河相通，进水池设浆砌石挡土墙；出水池位于运河西堤的堤肩上，出水池尺寸为57 m×3.6m，底高程11.20m，双孔箱形出水涵洞孔口尺寸2.7 m×1.0m，底高程尺寸11.20m，20台泵共用一个出水池。

3 泵站改造工程设计

3.1 泵站结构更新

改建杨庙南站布置方式为堤后式，位于古盐河地涵东侧。新建杨庙南站采用块基型整体站身结构，平行水流流向底板长24m，垂直方向为28.5m，底板厚度为1.0m;使用干室型泵室，单个泵室净宽4.5m，闸墩混凝土厚度为1.0m，相邻两台发电机组的中心距为5.5m。底板顶部设计高程为0.59m，高程0.59～12.5m之间包含进水流道层、水泵层、出水流道层。主厂房位于高程12.5m以上。主厂房为单层框架结构，使用钢筋混凝土浇筑。检修车间位于主厂房东侧，高度与主厂房一致。控制楼位于泵室西侧，为二层框架结构。

进水流道断面为渐变形式，由宽4.2m、高3.1m的矩形断面逐渐变为直径1.68m的圆形断面，变为圆形断面后与泵站进口的座环相连接；进水流道全长9.7m，顶板19°仰角，底板以9°上翘。出水流全长8.0m，断面由直径1.8m的圆形逐渐渐变为宽4.5m、高2.18m的矩形断面。出水流道与出水池相连接，出水池与入海水道相连接，出水经由出水涵洞流入大海。在出水流道末端配置宽4.56m、高2.5m的闸门，由卷扬机(型号：QPK-2×80kN)进行启闭操作。出水涵洞宽为2.5m，高为3.5m，洞底高程为3.5m。涵洞及出水池共长56.87m。使用宽2.56m、高3.70m的平板钢作为挡洪闸闸门，使用卷扬机(型号：QPK-100kN)进行启闭操作，启闭机工作便桥高15.7m。

在进水流道入口上游79.74m处建设一座清污机桥，防止杂物进入进水池中。清污机型号为HQN-5.4×6×75，共有5台。配备2台SPW -800型皮带输送机。

泵站下游修建引河，河底高程为2.0m，底宽20m，引河两岸地面高程为12m，进水池宽为25.15m。采用渐变方式连接引河和进水池附近的河道。泵站下游采用扶壁式翼墙，墙顶高程为8.5m，扩散角8°。泵站下游使用钢筋混凝土进行铺盖，铺盖长为20m，使用浆砌石进行护底且应超过清污机桥10m。

使用浆砌块石挡墙连接出水涵洞与入海水道。涵洞末端采用斜降式护坦和长水平式混凝土护坦，总长27.5m，其中，斜降式护坦长15.7m。

3.2 泵站装机更新

泵站装机对比如表1所列。

表1 装机对比

4 泵站沉降研究

4.1 模型建立及参数选取

根据泵站设计参数，建立泵站三维结构数值模拟模型，进行有限元数值模拟分析，同时在建模过程中应当抓住重点进行简化。根据施工过程，进行数值模拟分析。

4.1.1 计算模型

数值模拟计算模型如图1所示。

4.1.2 计算参数

4.1.2.1 地基参数

根据室内岩体力学实验选取地基参数，地基参数见表2。

图1 数值模拟计算模型

表2 地基参数

4.1.2.2 建筑物参数

使用C25混凝土进行站身浇筑，站身建筑物强度参数见表3。

表3 建筑物强度参数

4.1.2.3 边界条件

土与结构之间按接触单元考虑，土体四周设竖向和水平方向约束。

4.1.2.4 计算阶段(施工阶段)

泵站施工到运行的全过程可以分为5个阶段，按照工程阶段不同，建立5个数值模拟模型(见图2)。阶段1地基开挖,形成基坑；阶段2泵站施工,形成结构；阶段3土方回填,完成边载；阶段4厂房施工,完成恒载；阶段5泵站运行,完成水荷载。

图2 不同计算阶段

4.2 数值模拟计算结果

根据计算模型和边界条件，对泵站结构的五种阶段进行了空间有限元计算，从沉降及应力角度对泵站结构进行分析。

4.2.1 泵站沉降计算结果

泵站站身竖向位移(沉降)计算成果见表4。

表4 泵站站身竖向位移(沉降)计算成果

由计算结果可知：泵站站身整体的沉降不均匀，在出水侧较大，在进水侧较小，这是由于出水侧土压力的作用使得站身向上游倾斜。泵站竣工后最大沉降量为12.22cm，偏上游侧。

4.2.2 实际监测沉降

在工程实际施工阶段对四个角点的沉降变形数据进行现场监测，监测点布置如图3所示。2015年8月～2017年4月，各监测点累计变形量如图4所示。

4.2.3 泵站应力计算结果

根据计算结果的应力云图进行分析，4种阶段下的泵站结构最大主应力云图见图5，4种阶段下的泵站结构顺水流及垂直水流方向应力云图见图6～图9。

图3 监测结果及监测点布置

图4 各监测点累计变形量

图5 不同阶段下最大主应力云图

图6 阶段2应力云图

图7 阶段3应力云图

图8 阶段4应力云图

图9 阶段5应力云图

泵站底板及墩墙结构应力计算成果见表5。

表5 泵站站身结构应力计算成果

由计算结果的应力云图及表4可知：泵站结构的应力水平总体较小。阶段3泵站站身所受应力最大，其中底板处最大主应力为0.669MPa，顺水流方向应力为0.103MPa，垂直水流方向应力为0.199MPa；闸墩处最大主应力为0.428MPa，顺水流方向应力为0.225MPa，垂直水流方向应力为0.278MPa。阶段2情况下，结构最大主拉应力位于泵站两侧进水孔内底板顶部，为0.172MPa，最大主压应力位于泵站中进水孔两侧隔墩上，为0.028MPa。

5 结 论

a.杨庙泵站的改造和加固工程提高了水利防洪排涝等级标准，保证了淮河流域中上游的安全，在以后发生中等洪水时入海水道行洪的概率将大大增加，是居民正常生产生活的重要保障。

b.通过建立数值模拟模型对泵站沉降特征进行研究，泵站建设竣工后沉降为12.2cm，满足工程建设需求。

c.通过对不同阶段下泵站所受最大主应力进行研究，阶段3泵站站身所受应力最大，其中底板处最大主拉应力为0.669MPa，顺水流方向应力为0.103MPa，垂直水流方向应力为0.199MPa；闸墩处最大主拉应力为0.428MPa，顺水流方向应力为0.225MPa，垂直水流方向应力为0.278MPa。

d.堤后式泵站在施工建设过程中，应当加强控制沉降措施，同时需要加强沉降监测，避免施工过程中土方回填时沉降量急剧增大，造成基础破坏。同时，在泵站设计时应当着重考虑底板部位强度设计，防止底板受拉破坏。