單既連，吳先敏

(山東省水利勘測設(shè)計院，山東 濟(jì)南 250014)

南水北調(diào)工程由東線、中線、西線三部分組成，工程基本任務(wù)是合理調(diào)度利用水資源，緩解我國北方地區(qū)水資源緊缺問題。韓莊泵站是南水北調(diào)東線一期工程的第9級抽水梯級泵站，位于山東省棗莊市嶧城區(qū)古邵鎮(zhèn)八里溝村西。泵站樞紐距南四湖下級湖約3km，站下進(jìn)水渠接韓莊運河，站上出水渠接老運河入南四湖的下級湖。其主要任務(wù)是通過韓莊泵站提水入南四湖下級湖，以實現(xiàn)南水北調(diào)東線一期工程的梯級調(diào)水目標(biāo)。南水北調(diào)工程是緩解我國北方地區(qū)水資源緊缺問題戰(zhàn)略舉措，其泵站工程建設(shè)的好壞決定南水北調(diào)東線工程的成敗，同時泵站作為調(diào)水工程減少能源消耗、提高調(diào)水效率、發(fā)展生態(tài)水利的主要載體，需要對泵站的總體布置、空間結(jié)構(gòu)、水泵機(jī)組及運行管理等多方面的綜合研究，提出高效、節(jié)能、景觀的工程設(shè)計。傳統(tǒng)泵站設(shè)計多采用分體砼結(jié)構(gòu)和高大地面主廠房結(jié)構(gòu)。本工程通過對大型泵站在總體布置、空間結(jié)構(gòu)、水泵機(jī)組及運行管理等多方面的綜合分析，首次提出了平埋式泵站廠房結(jié)構(gòu)方案，截止到2017年2月，該工程已建設(shè)完成并投入運行，累計安全運行11304.31h，總調(diào)水量12.3億m3。

1 韓莊泵站簡介

韓莊泵站為大(1)型泵站，工程等別為Ⅰ等，主要建筑物主副廠房、引水閘、進(jìn)水池、出水池為1級。泵站設(shè)計輸水流量為125m3/s，設(shè)計凈揚程4.15m，單機(jī)流量31.25m3/s。采用臥式貫流泵，配永磁同步電動機(jī)，變頻調(diào)速運行。泵站共設(shè)5臺機(jī)組，其中備用1臺，單機(jī)裝機(jī)功率為1800kW，總裝機(jī)容量為9000kW。

韓莊泵站場區(qū)屬淮河流域湖東水系，所處地貌單元屬剝蝕堆積山間沖積～洪積平原區(qū)，兩側(cè)毗鄰溶蝕～剝蝕丘陵區(qū)。場區(qū)地勢較平坦、開闊，地面高程32.10～34.40m。場區(qū)地層有第四系全新統(tǒng)沖積堆積的黏土，上更新統(tǒng)沖積洪積堆積的黏土夾姜石、姜石層以及下第三系黏土巖、細(xì)砂巖等。泵站基礎(chǔ)坐落于第三系黏土巖、細(xì)砂巖中等風(fēng)化層上，巖體主要為暗紫色、棕紅色黏土巖，棕褐色、棕紅色、淺黃色細(xì)砂巖，黏土巖地基承載力特征值310kPa，抗壓強度1.2MPa，基巖面波狀起伏，變化較大，巖石控制厚度8.80～12.30m。

圖1 韓莊泵站廠區(qū)實景圖

2 平埋式泵站研究目的

2.1 傳統(tǒng)泵站存在的問題

傳統(tǒng)大型泵站受進(jìn)水流道、出水流道及水泵葉片淹沒深度等要求的限制，泵站主廠房的埋深一般較深，通常深達(dá)地面以下20m。而主廠房內(nèi)水泵和電纜的要求空間，實際只需要10m左右的高度即可滿足工程的布置要求，泵站主廠房內(nèi)近一半的高度不能充分利用，浪費較大；傳統(tǒng)泵站單獨布置的泵站出水控制段，由于結(jié)構(gòu)及穩(wěn)定的要求，該段通常較長，無法利用該段的有效空間，造成較大的土建投資浪費；主廠房地面以上部分的廠房結(jié)構(gòu)由于梁式起重吊車的要求，高度達(dá)15m以上，這對震區(qū)的泵站提出了更高結(jié)構(gòu)要求和更多的投資要求；大型泵站基本都包括引水閘、泵站進(jìn)口閘、機(jī)組吊裝設(shè)備、泵站出口閘等多處啟吊設(shè)備。由于主廠房地面以上部分的存在，不能有效地將多種啟閉設(shè)備合并為一種多功能的啟閉設(shè)備，造成設(shè)備投資高、利用率低、運行管理不便、安全隱患多等問題；大型泵站通常利用泵站自身防洪，分體泵站存在出水控制段的抗滑穩(wěn)定、偏心過大應(yīng)力不均及止水等問題，如果將泵站站身和出水控制段合并成為整體式泵站結(jié)構(gòu)，能夠有效解決存在的諸多問題。

2.2 平埋式主廠房設(shè)計的提出

韓莊泵站原設(shè)計方案是將主泵房和出水控制段分開布置，順?biāo)鞣较蜷L達(dá)42.30m，中間以止水縫連接，存在滲漏、穩(wěn)定及應(yīng)力等諸多問題；地面以上主廠房高度為19.2m，存在抗震、采光、通水及取暖等問題；地面以下主廠房深度為19.25m，水泵機(jī)組及電纜的實際需要空間只有12.0m，其上26.45m(含地面以上廠房)的空間不能充分利用。

因此，在對韓莊泵站提水功能和存在問題進(jìn)行充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，提出了平埋式泵站設(shè)計，取消了地面以上主廠房，充分利用地面以下空間，實現(xiàn)節(jié)能、采暖、采光的綜合利用；由于不存在地面以上主廠房，也就沒有19.2m高的地面主廠房的抗震問題；將主廠房和出水控制段合為一體，有效解決了滲漏、穩(wěn)定及應(yīng)力等問題。

3 平埋式主廠房設(shè)計

3.1 平埋式泵站空間多功能利用研究

平埋式泵站主廠房共分為3層，高度18.13m，分別為流道層、電纜層和電氣設(shè)備層。其流道層層高5.38m，底板厚1.6m；電纜層層高為3.80m；電氣設(shè)備層層高7.35m。主廠房頂采用可移動式鋼結(jié)構(gòu)玻璃頂蓋。主廠房順?biāo)鞣较蜷L36.5m，垂直水流方向長57.5m，如圖1所示。

(1)增加泵房上游電纜層，優(yōu)化了電氣布置，提高了控制精度，改善了運行管理條件。主廠房順?biāo)鞣较蜷L度由原來的42.3m縮短至36.5m。在主泵房的上游側(cè)增加電纜層，凈增加有效面積51.3m2，在滿足廠房電纜布置的同時，增加了巡視平臺，加強了巡檢功能。增加了上游電纜層后，將原來繞行的動力電纜、通信電纜及控制電纜等布置在上游電纜層，減少了電纜長度，優(yōu)化了電纜、電氣設(shè)備的整體布置，削減了電磁干擾和信號漂移，在控制精度和運行功能上得到了極大的改善。

(2)增加變頻器和LCU控制柜設(shè)備層，節(jié)省副廠房面積，增加運行安全可靠性。在31.10m高程增加電氣設(shè)備層，增加使用面積572m2，將LCU現(xiàn)地控制柜布置在主廠房上游側(cè)，在主廠房內(nèi)可直接進(jìn)行現(xiàn)地控制，提高了現(xiàn)地控制的安全性、可靠性和便利性；將變頻設(shè)備布置在主廠房的下游側(cè)，節(jié)省了副廠房311m2的使用面積，減少了工程投資，優(yōu)化了電氣設(shè)備布置。

(3)將主泵房和出水控制段優(yōu)化縮短后合并，有效解決了滲漏、穩(wěn)定及應(yīng)力問題。韓莊泵站出水段位于韓莊運河的老運河河段上，泵站站身需要滿足300年一遇的防洪要求，防洪水深達(dá)15.5m，使出水控制段受到巨大的水壓力，由于出水控制段僅10.55m，所以在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、應(yīng)力上存在較大問題，出水段依靠自身不能維持穩(wěn)定。同時主廠房段和出水控制段分為兩段布置，中間以止水帶連接，由于泵站和出水控制端的分體結(jié)構(gòu)，承受水平荷載和豎向荷載不均勻，存在不均勻變形引起的止水帶破裂、混凝土壓碎等漏水隱患。經(jīng)過研究，將主泵房和出水控制段合并布置，總長度由原來的42.3m縮短至36.5m，確保了工程的穩(wěn)定、應(yīng)力及防滲問題，減少了工程投資，同時增加了主廠房的使用面積。

3.2 平埋式泵站節(jié)能設(shè)計

3.2.1 采暖與采光

韓莊泵站站下接韓莊運河，站上接老運河，韓莊運河與南四湖常年通航，上、下游兩側(cè)泵房常年在水面以下，由于水的蓄能保溫作用，可使泵房外側(cè)的水體溫度保持相對穩(wěn)定。對泵體機(jī)組和主廠房內(nèi)的變頻器散發(fā)的熱量，通過排風(fēng)管道，根據(jù)主廠房內(nèi)的溫度進(jìn)行控制排放，能夠充分利用設(shè)備運行產(chǎn)生的熱量。取消地面主廠房后，減少了18700m3的地面以上主廠房的空間，相當(dāng)于減少了1/2泵站主廠房的室內(nèi)空間，可以更加有效地調(diào)節(jié)主廠房內(nèi)的溫度。取消地面以上主廠房后，廠房頂層高出地面20cm，其頂面布置6塊7m×5.3m移動式鋼結(jié)構(gòu)玻璃蓋頂和5塊4m×1.5m固定式鋼結(jié)構(gòu)玻璃蓋頂。在需要機(jī)組檢修時，移開相應(yīng)機(jī)組的玻璃蓋頂，用門機(jī)進(jìn)行吊裝。由于大面積采光，使主廠房內(nèi)直至水泵層均可采用自然光照明，同時增加了陽光的照射面積，有利于保持廠房內(nèi)溫度。

圖2 平埋式泵站廠房剖面圖

3.2.2 通風(fēng)

為保證泵房內(nèi)的通風(fēng)和適宜的濕度，廠房內(nèi)采用強制抽風(fēng)和自然排風(fēng)相結(jié)合的方式。在正常情況下采用自然排風(fēng)，當(dāng)室內(nèi)濕度較高時采用強制排風(fēng)，以保持室內(nèi)的溫度和濕度。在泵房的站上游側(cè)采用強制抽風(fēng)機(jī)管道排風(fēng)，在站下游側(cè)采用抽風(fēng)機(jī)排風(fēng)。在泵站站上和站下的前、后墻校核洪水位以上部位采用自然通風(fēng)洞，使泵站上、下游形成自然對流的風(fēng)道。主廠房頂部蓋有6塊7m×5.3m移動式鋼結(jié)構(gòu)玻璃蓋頂，每塊玻璃蓋上均有電動窗體，可根據(jù)室內(nèi)溫度及濕度開啟自然排氣。

通過對主廠房的多項溫度及排風(fēng)控制措施的研究，采取的工程方案可以保持主廠房內(nèi)比較適宜的溫度，因而主廠房內(nèi)不再布置空調(diào)及暖氣等溫度調(diào)節(jié)設(shè)備。經(jīng)過2年的試運行，主廠房基本能保持冬暖夏涼，達(dá)到了節(jié)能減排的設(shè)計目的。

3.2.3 空間利用

改變原有泵站的墩式結(jié)構(gòu)，采用梁、板、柱結(jié)構(gòu)，使廠房內(nèi)可用面積增大，視野通透，巡視方便；采用半地下式中控室布置，極大便利了中控室與主廠房的交通及對主廠房的觀察巡視，且節(jié)省了工程投資。

3.3 平埋式泵站多用途啟閉設(shè)備的綜合布置

傳統(tǒng)泵站針對泵站各部位的啟閉設(shè)備的需求，采用了不同的啟閉設(shè)備。引水閘、泵站進(jìn)口檢修閘、泵站出口工作閘門和事故閘門，以上4種啟閉設(shè)備功能各異，存在使用頻率較低、維護(hù)費用高、隱形浪費大等問題。

3.3.1 多用途啟閉設(shè)備統(tǒng)一布置的可行性研究

采用平埋式泵站結(jié)構(gòu)以后，將地面主廠房去掉，為多種啟閉設(shè)備整合成一種啟閉設(shè)備提供了條件。引水閘吊點軸線、泵站進(jìn)口閘門吊點軸線、水泵起吊中心線、泵站出口工作門吊點軸線及泵站出口檢修門吊點軸線的之間的距離分別為60.959、10.73、16.32、3.46m，各軸線距離較短，垂直水流方向的門機(jī)軌道與左岸鋪設(shè)連接軌道可以連接形成一個軌道網(wǎng)絡(luò)，在平面上具備了將以上4種起吊設(shè)備合并為一種的可能性。

通過研究，解決了門式啟閉機(jī)主行走機(jī)構(gòu)的車輪組轉(zhuǎn)向問題，研制了多功能轉(zhuǎn)向門式啟閉機(jī)設(shè)備，使門式啟閉機(jī)可以在不同的平行軸線上行走，完成多項起吊任務(wù)。

3.3.2 多功能轉(zhuǎn)向門式啟閉機(jī)的布置研究

門式啟閉機(jī)大車在引水閘、泵站進(jìn)口閘、泵站機(jī)組起吊軸線及泵站出口閘上各布置橫向行走軌道，其中泵站進(jìn)口閘和機(jī)組起吊可共用其中的一根軌道；沿泵站前池左岸的縱向方向上布置連接各橫向軌道的縱向軌道，使門機(jī)可能通過橫向軌道和縱向軌道達(dá)到需要起吊的每一處，完成起吊任務(wù)。

因此，通過整個站區(qū)的啟閉設(shè)備統(tǒng)一研究，做到了一機(jī)多用。原有的多臺啟閉設(shè)備統(tǒng)一到一臺門式啟閉機(jī)上，運行管理方便、操作簡單，同時節(jié)省了工程投資。

3.3.3 采用多功能門機(jī)后引水閘結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過研究，為了保證主廠房整體穩(wěn)定，更有利于站身應(yīng)力的分布，取消引水閘防洪功能，泵站防洪由站身自己完成。引水閘除具有清污、交通功能外，只保留低水位閉門檢修前池的功能。在采用多功能門機(jī)起吊引水閘閘門后，取消原有引水閘的胸墻、排架、機(jī)架橋、機(jī)房和橋頭堡，將引水閘的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，使其設(shè)計功能更加明確合理，管理運行更加方便，整體效果顯得清晰、輕盈、靚麗，與主副廠房建筑渾然一體，充分體現(xiàn)景觀水利理念，為今后水閘設(shè)計開創(chuàng)了新思路。

4 結(jié)語

韓莊泵站主廠房采用了平埋式泵站結(jié)構(gòu)，取消地面以上主廠房，主泵房和出水控制段合并為整體結(jié)構(gòu)，采用了梁、板、柱剛性結(jié)構(gòu)體系，結(jié)構(gòu)受力合理，解決了泵站的穩(wěn)定、應(yīng)力及滲漏問題，增加了主廠房的有效空間，節(jié)省了副廠房面積，優(yōu)化了電氣布置，增加了運行安全可靠性和準(zhǔn)確性，使運行管理更加便利。通過對地下主廠房在結(jié)構(gòu)布置、運行管理、通風(fēng)、采光、采溫、散熱等多方面的綜合研究，大范圍的自然采光設(shè)計，天然采暖與利用機(jī)組產(chǎn)生的熱量排放相結(jié)合的取暖設(shè)計，強制排風(fēng)與自然通風(fēng)的綜合排風(fēng)設(shè)計，使地下主廠房和中控室達(dá)到了綜合利用、高效節(jié)能減排、冬暖夏涼的設(shè)計理念。該工程于2017年12月獲全國優(yōu)秀水利水電工程勘測設(shè)計獎金質(zhì)獎。