胡京川

（廣西水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，南寧 530023）

1 工程概況

桂平市城區(qū)地處黔江、郁江、潯江三江匯流的交界處，過(guò)境水資源量豐富，桂平市城區(qū)既是西江工業(yè)走廊和紅水河能源工業(yè)帶結(jié)合部，又是連結(jié)華南經(jīng)濟(jì)區(qū)和西南經(jīng)濟(jì)區(qū)的紐帶，地理位置優(yōu)越，新安水廠水源為黔江，為桂平市城區(qū)供水的主要凈水廠[1]。受大藤峽水庫(kù)工程施工影響，桂平市政府計(jì)劃建設(shè)一座安全保障度高的固定式泵站，保障桂平市城區(qū)居民用水安全。

本工程新建泵站近期水平年2025 年設(shè)計(jì)流量1.55 m3/s，遠(yuǎn)期水平年2030 年設(shè)計(jì)流量2.31 m3/s。根據(jù)《水利水電工程等級(jí)劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》（SL 252-2017）確定桂平市的城市規(guī)模為重要城市，相應(yīng)的泵站工程等別為Ⅱ等，大（2）型泵站。

本工程主要建筑物為取水泵站1 座，泵站建筑物由進(jìn)水池、提水泵房、出水管和副廠房等組成。泵站進(jìn)水池長(zhǎng)10.5 m，寬18.0～24.0 m，兩側(cè)導(dǎo)水墻以泵房軸線為中心對(duì)稱布置，進(jìn)水池前端設(shè)喇叭口狀進(jìn)水渠；提水泵房為單筒圓形結(jié)構(gòu)，內(nèi)徑為18.0 m，擋水高度21.5 m，總高度為38.0 m，筒壁采用變厚度設(shè)計(jì)，52.5 m 高程以下筒壁厚度為2.0 m，52.5 m高程以上筒壁厚度為1.5 m，底板厚2.5 m；水泵按雙列式相互交錯(cuò)布置，近期先安裝3 臺(tái)水泵（2 用1備），遠(yuǎn)期再增加1臺(tái)（3用1備），近期總裝機(jī)容量為840 kW。出水管單機(jī)單管管徑為0.7 m，并管后管徑為1.6 m，各出水管總長(zhǎng)203.0 m。

2 工程布置基本條件

（1）設(shè)計(jì)水位。根據(jù)水文分析計(jì)算，泵站最高運(yùn)行水位為61.16 m，最低運(yùn)行水位為44.27 m，大藤峽水庫(kù)正常蓄水后取水泵站設(shè)計(jì)運(yùn)行水位44.47 m。

（2）地形地質(zhì)條件。泵站位于黔江右岸斜坡上，地形較陡，自然坡度為15°～32°，地面高程為10～69 m，河岸岸坡有基巖出露，坡面呈陡坎狀，坡度55°～65°，局部近直立。覆蓋層為第四系全新統(tǒng)殘坡積層（Q4edl）混碎塊石粉質(zhì)黏土，褐黃色夾淺紅色，稍濕，硬塑狀，層厚為1.6～4.6 m。下伏基巖為泥盆系下統(tǒng)蓮花山組上段（D1l2）中厚層狀泥質(zhì)粉砂巖夾細(xì)砂巖，強(qiáng)風(fēng)化帶厚度2.5～8.5 m。巖層產(chǎn)狀為N5°～15°E，SE∠13°～18°，巖層視傾角順坡?？辈炱陂g鉆孔所揭露地下水位高程約48.0 m，靠近江邊處水位高程約為46.0 m。

3 泵房的型式選擇

影響泵房結(jié)構(gòu)類型的因素主要有水泵結(jié)構(gòu)及性能、水位變幅的大小、施工場(chǎng)地地形影響等[2]。根據(jù)站址選擇結(jié)論，泵房位于大藤峽壩址上游約1.4 km、弩灘對(duì)面的右岸岸坡處，泵房下伏基巖覆蓋層較厚，豎井式泵站在地質(zhì)條件上不適宜，且考慮大藤峽水庫(kù)已初期蓄水運(yùn)行的現(xiàn)狀，豎井式泵站進(jìn)水段施工難度極大；本項(xiàng)目水位變幅較大，適應(yīng)本工程流量規(guī)模及水位變幅的可選潛沒(méi)式機(jī)組不多，因此不考慮潛沒(méi)式泵站型式；對(duì)于移動(dòng)式泵站，考慮運(yùn)行管理的風(fēng)險(xiǎn)較大，安全保障度不夠高，也不宜作為城市主要的供水水源泵站；若采用立式長(zhǎng)軸泵機(jī)組，泵房布置為矩形，由于立式長(zhǎng)軸泵機(jī)組流量較小，選擇的機(jī)組臺(tái)數(shù)較多，且適應(yīng)本工程水位變幅的該類型機(jī)組國(guó)內(nèi)少有設(shè)備提供商，需要定制或采用進(jìn)口機(jī)組，設(shè)備費(fèi)用高，由于泵的立軸長(zhǎng)度偏大，運(yùn)行穩(wěn)定性不佳。而開敞固定式泵站取水穩(wěn)定，安全保障度較高，適宜作為城市長(zhǎng)期穩(wěn)定供水的取水口。因此泵房型式采用開敞固定式泵房。

為協(xié)調(diào)水泵機(jī)組的布置，對(duì)矩形泵房和圓形泵房進(jìn)行比選。①矩形泵房是常見的干室型泵房之一。便于設(shè)備布置、維護(hù)管理及與進(jìn)出水管路、進(jìn)出水池的布置，安裝機(jī)組臺(tái)數(shù)多的情況下布置優(yōu)點(diǎn)明顯。但當(dāng)擋水高度增加，其受力條件越來(lái)越差，側(cè)墻和底板的斷面尺寸增大、鋼筋混凝土用量增多。②圓形干室型泵房具有較好的受力條件，可以節(jié)省建筑材料。當(dāng)水位變幅大于10 m 時(shí)圓形泵房較為有利。但圓形泵房?jī)?nèi)機(jī)組和管路布置不如矩形泵房方便，容易互相干擾，一般在機(jī)組臺(tái)數(shù)少的時(shí)候采用為宜。

由于本工程泵房建于大藤峽水庫(kù)邊，水庫(kù)的洪、枯水位變幅較大，泵房水下邊墻結(jié)構(gòu)將承受高達(dá)約21.5 m水頭的外水壓力，圓筒形的結(jié)構(gòu)受力條件好，可極大地減小結(jié)構(gòu)斷面，降低工程量和投資。因此采用圓形泵房方案。

4 泵房結(jié)構(gòu)受力分析

4.1 荷載及工況

泵房外部水頭變幅較大，承受高達(dá)約21.5 m水頭的外水壓力，為滿足抗浮穩(wěn)定要求，在泵房?jī)蓚?cè)及出水側(cè)進(jìn)行回填土壓實(shí)。同時(shí)結(jié)合出水管彎管段的穩(wěn)定要求，在出水側(cè)45.0 m 高程設(shè)置平臺(tái)，起到鎮(zhèn)墩及增大土重的雙重作用。綜合分析泵房受力情況，除了受到外部水壓力、揚(yáng)壓力作用外，泵房主要外部作用為周圍填土的土重及土壓力。

根據(jù)泵站運(yùn)行的水位，分別選取了完建工況（無(wú)水）、運(yùn)行工況1（最高水位）及運(yùn)行工況2（最低運(yùn)行水位）3種工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力計(jì)算，工況及荷載組合見表1，泵房受力簡(jiǎn)圖見圖1。

表1 計(jì)算工況及荷載組合

圖1 泵房受力計(jì)算簡(jiǎn)圖

4.2 分析建模

泵站結(jié)構(gòu)用三維實(shí)體單元SOLID 185 模擬，模型網(wǎng)格以六面體為主，少量為五面體及四面體，網(wǎng)格長(zhǎng)度約0.25 m?；A(chǔ)方面，水平方向較泵站向外延伸40.0 m，地基深度取50.0 m。整體模型見圖2。

圖2 有限元分析模型

4.3 有限元分析結(jié)果

對(duì)不同工況進(jìn)行有限元分析，在各工況下，泵房受力情況相似，各方向拉應(yīng)力水平均較低，且整體呈左右對(duì)稱分布。選取運(yùn)行工況1作為典型工況加以分析：在土壓力和土重的共同作用下，在45.00 m高程平臺(tái)倒角附近有一定深度的X向（水流向）拉應(yīng)力分布，最大值約為0.30 MPa（見圖3）；Y向最大拉應(yīng)力0.67 MPa，出現(xiàn)在左右側(cè)泵站筒壁與底板交接處，為表層分布（見圖4）；Z向最大拉應(yīng)力約為0.31 MPa，分布在底板下表面左右側(cè)及頂部左右側(cè)（見圖5）。底板的拉應(yīng)水平較低（見圖6），在揚(yáng)壓力的作用下，最大X向拉應(yīng)力0.65 MPa，出現(xiàn)在集水井底板底面角點(diǎn)處；上表面最大X向拉應(yīng)力為0.50 MPa左右，主要分布在跨中位置機(jī)坑附近。

圖3 運(yùn)行工況1X向拉應(yīng)力

圖4 運(yùn)行工況1Y向拉應(yīng)力

圖5 運(yùn)行工況1Z向拉應(yīng)力

圖6 運(yùn)行工況1底板X向拉應(yīng)力

5 結(jié)語(yǔ)

圓形干室型泵房在同類岸邊取水工程中具有代表性。通過(guò)有限元分析，在工程現(xiàn)場(chǎng)地形地質(zhì)條件有限、水位變幅范圍大、外部水深大的情況下，圓形泵房結(jié)構(gòu)受力合理，可充分利用材料性能，節(jié)約投資，可以為類似工程設(shè)計(jì)提供參考。