泵站更新改造的復核計算分析

郭承乾

(佳木斯市水利勘測設計研究院，黑龍江佳木斯154002)

泵站更新改造的復核計算分析

郭承乾

(佳木斯市水利勘測設計研究院，黑龍江佳木斯154002)

佳木斯市湯原縣是振興全區泵站自1991年投入運行以來，存在保證率低，達不到設計灌溉能力，究其原因是主機老化嚴重，泵房失修等隱患問題，必須進行更新改造。為此，通過分析和計算，提出相應的復核結論及對策、建議，為泵站的更新改造提供技術依據。

泵站;復核;安全;穩定;強度

0 前言

振興灌區泵站始建于1984年，1991年投入運行，泵站保證率低，達不到設計灌溉能力;主體工程存在安全隱患、主機組老化嚴重、泵房失修等嚴重問題。湯原縣振興灌區泵站存在的問題，對湯原縣的農業生產、排灌、防洪、生態環境安全均已構成嚴重威脅。復算計算分析，以實事求是、突出重點作為標準，以泵站目前存在的問題為依據，客觀真實，有重點地進行分析和計算，為泵站更新改造提出相應的復核結論及對策、建議。

1 泵站工程規模及基本參數

1.1 泵站基本參數

根據行業規范，結合本地區實際情況，以及更新改造維持原規模、原標準的原則，泵站的建筑物級別按泵站本身裝機功率或裝機流量確定;穿堤建筑物級別、防洪標準不低于所在堤防的級別和防洪標準［1］。泵站規模、工程等級、建筑物級別及防洪標準見表1。

表1 泵站工程等別和建筑物級別匯總表

水位直接采用水文分析成果。振興灌區泵站特征水位、揚程及設計流量復核見表2。

表2 振興灌區泵站特征揚程及設計流量復核

1.2 安全系數

本工程泵房為3級建筑物，穩定計算的最小安全系數見表3。

表3 穩定計算安全系數允許值

2 泵站復核內容

依據《現場安全檢測報告》中相關部分描述，復核內容如下:①泵站防滲和消能防沖安全;②泵房穩定;③地基應力及不均勻系數;④電機梁抗彎強度;⑤引渠過流能力;⑥防洪安全［2］。

3 復核計算

3.1 防滲和消能防沖安全復核

3.1.1 泵站抗滲安全復核

3.1.1.1 復核公式及相關參數

本次泵房的抗滲復核計算，主要是地基實際滲透比降和地基允許比降的計算，只有當J地基＜［J］時，泵房才能滿足滲透穩定要求。地基實際滲透公式為:

式中:L為泵房的實際滲徑長度，m;△H為泵房進、出水側水位差，m。

3.1.1.2 復核計算結果

選擇泵站站前水位為最低運行水位，站后水位為最高運行水位的工況進行防滲安全復核。本次泵房抗滲復核計算成果見表3。

表4 泵房抗滲復核計算成果

經過復核，振興灌區泵站泵房抗滲均滿足要求。

3.1.2 消能防沖安全復核

3.1.2.1 出水池長度確定

采用以下2種方法進行綜合確定:

水面旋滾法計算公式為:

式中:L為出水池長度，m;K為系數;h淹最大為出水管口最大淹沒深度。

淹沒射流法計算公式為:

式中:L為出水池長度，m;v0為管道出口平均流速，m/s;v渠為渠道進口平均流速，m/s;D0為管道出口直徑，m。

3.1.2.2 出水池寬度確定

出水池最小單管出流寬度可按B單≥(2～3)D出水管控制。

3.1.2.3 管口下緣至池底距離P確定

此距離主要用以防止池中泥沙或雜物等淤塞出水口，一般采用:P=10～20 cm。

3.1.2.4 管口上緣最小淹水深度確定

管口上緣最小淹水深度公式為:

式中:h淹最小為管口上緣最小淹水深度，m;v0為管道出口平均流速，m/s。

3.1.2.5 出水池底板高程確定出水池底板高程計算公式為:

式中:hmin為最小淹沒深度。

3.1.2.6 海漫長度

海漫長度計算公式為:

式中:q為出水池出口單寬流量，m3/s;△H為上下游水位差，m;K為系數，視出水池的狀況和河床土質的允許流速而定，本次計算取K=10。復核結論:振興灌區泵站滿足消能防沖要求。計算成果見表4。

表4 泵房消能防沖計算成果表

3.2 進、出水渠過流能力復核

3.2.1 引渠過流能力復核

針對可能出現的設計水位，對機組全部開機工況時復核。加大流量:Q=8.95m3/s。

按明渠均勻流公式復核，計算公式為:

式中:n為渠道糙率，0.0275;R為渠道過水斷面水力半徑;i為渠道比降1/1000。

Q=A × V=5.23 m3/s＜8.95 m3/s，在松花江水位較低的情況下，泵站引渠泥沙淤積嚴重，難以引水，振興灌區泵站引渠過流能力不滿足要求。

3.2.2 前池水流條件復核

對于前池，《泵站設計規范》僅有原則性的規定，如:正向進水的前池，擴散角應≤40°，底坡不宜陡于1∶4。前池由陡坡段變水平段后與進水流道銜接，在設計水位下，其容積需符合規范規定值30～50倍設計流量的要求。振興灌區泵站前池淤積嚴重，不滿足過流要求;其他泵站前池滿足過流要求。

3.2.3 尾水渠過流能力復核

出水渠道過流能力按明渠均勻流計算公式為:

式中:n為渠道糙率，0.0275;R為渠道過水斷面水力半徑;i為渠道比降。

振興灌區泵站由于引渠前有沙島，抽水時夾裹大量沙子進入尾水渠，造成尾水渠的淤積，尾水渠的過流不滿足要求，其他泵站尾水渠過流滿足要求，滿足不沖不淤要求。

3.3 泵房穩定及地基應力復核

3.3.1 基本假定

泵房整體穩定分析以整個主廠房結構長度進行計算。作用荷載包括廠房底板、側墻、機座、上部廠房等的自重及設備重，靜水壓力、土壓力、揚壓力、地震荷載及其它荷載。

3.3.2 荷載組合

3.3.2.1 基本荷載組合

此種情況為正常運用期，即上游為設計水位，下游為設計水位，機組全部投入運行。

3.3.2.2 特殊荷載組合

檢修情況是指停泵進行檢修階段，考慮前池無水，下游為地下水位，機組全部停運檢修。

特殊荷載情況為非常運用期，即上游為校核洪水位，下游為最高水位，機組全部投入運行。

3.3.2.3 計算內容及公式

1)抗浮穩定驗算計算公式為:

式中:Kf為抗浮穩定安全系數;∑V為作用于泵房基礎底面以上全部重力，T;∑U為作用于泵房基礎底面以上的揚壓力，T;［Kf］為允許抗浮穩定安全系數;基水組合［Kf］=1.10，特殊組合［Kf］=1.05。

2)抗滑穩定安全系數計算公式為:

式中:［Kc］為抗滑穩定安全系數;∑G為作用于泵房基礎底面以上全部豎向荷載(包括泵房基礎面以上的揚壓力)，T;∑H為作用于泵房基礎底面以上全部水平荷載，T;f'為泵房基礎底面與地基之間摩擦系數(包括齒墻作用);C0為泵房基礎底面與地基之間黏結力;A為泵房基礎底而面積，m2;［Kc］為允許抗滑穩定安全系數;3級建筑物基本組合:［Kc］=1.25，特殊組合［Kc］=1.10 或1.05。

3)抗傾覆穩定:根據《泵站設計規范》(GB/T50265—97)規定，如果建筑物底面應力不均勻系數得到控制，滿足規范要求，那么建筑物的抗傾覆穩定安全能夠滿足。

4)泵房基礎底面應力計算公式為:

3.3.3 復核計算成果

泵房的穩定復核和地基應力計算成見表5。

經復核，振興灌區泵站滿足抗滑、抗浮穩定及大小應力比要求，廠房滿足穩定要求。

3.4 結構強度復核

振興灌區泵站的水泵為軸流泵，對振興灌區泵站進行電機梁的結構復核。

由于《黑龍江省湯原縣振興灌區泵站現場安全檢測報告》和《黑龍江省湯原縣振興灌區泵站現狀調查報告》未對廠房內混凝土結構部分進行詳細描述，本階段僅針對電機層結構主梁進行復核。

表5 泵房穩定及應力復核成果表

3.4.1 計算說明

主梁凈跨5.2 m，矩形斷面，梁寬400 mm，梁高800 mm。電機梁混凝土強度推定值為18.2 MPa，碳化深度12 mm，因此混凝土強度按竣工圖中C15取值，鋼筋受力筋用I級，箍筋用I級。泵站建筑物級別為3級，結構級別為Ⅱ級，結構重要性系數為γo=1.0，設計狀況系數Ψ =1.0，承載力極限狀態結構系數為 γd=1.2。

鋼筋混凝土結構容重按25 kN/m3計，結構自重作用分項系數為γg=1.05，設備自重作用分項系數為 γg=1.05，電機層樓面均布荷載標準值為1.4 kN/m2，樓面荷載的分項系數為 γq=1.2，動力荷載系數為 1.3。

3.4.2 計算假定

1)主梁支撐在兩側邊柱上，主梁為固結在立柱上的單跨固端梁計算。

2)支撐梁系所受的荷載均認為是集中荷載。

3)假定以水泵軸承在動力情況下工作進行復核。

3.4.3 荷載計算

主梁凈跨5.2 m，計算跨度5.5 m。

1)電動機大梁自重q1=8.4 kN/m;

2)電動機傳來的動荷載(考慮電動機軸承在動力情況下工作)P2=53.5 kN;

3)樓面靜荷載q2=10.24 kN/m;

4)樓面活荷載q3=1.68 kN/m。主梁計算時，按支撐在兩側邊柱固端梁考慮。

跨中彎矩:M=Pab/L(集中荷載)M-qL2/8(均布荷載);固端彎矩:M=Pa2b/L2(集中荷載)M=qL2/12(均布荷載)。經計算主梁Mmax=150.40 kN·m。

3.4.4 內力及配筋計算

考慮梁截面寬度及受力情況，按單層配筋，抗彎計算公式為:

式中:fc為混凝土軸心抗壓強度設計值，N/mm2;αs為截面抵抗矩系數;ξ為相對受壓區計算高度;As受拉區縱向鋼筋截面面積，mm2。

經內力分析和配筋計算主梁需要鋼筋982 mm2，實配3Φ16，As=603 mm2＜982 mm2，所以不滿足要求。電機層主梁復核結論:經計算，電機層主梁抗彎主筋不滿足結構配筋要求。故梁的抗彎強度不滿足要求。

3.5 抗震強度復核

根據國家標準《中國地震動參數區劃圖》(GB 18306—2001)，本區地震動峰值加速度 ＜0.05 g，地震動反應譜特征周期為0.35 g，相應地震烈度為Ⅵ度。根據《水工建筑物抗震設計規范》(DL 5073—2000)，設計烈度為6度時，可不進行抗震設計。

3.6 防洪安全復核

振興灌區泵站建筑物級別為3級，設計洪水重現期為30 a，校核洪水重現期為100 a。設計洪水位為77.10 m，校核洪水位為77.77 m。振興灌區泵站的電機層高程為75.40 m，低于設計洪水位77.10 m。經復核，振興灌區泵站不滿足防洪要求。

4 復核結論及建議

振興灌區泵站的引渠過流能力不滿足要求。泵房穩定和地基應力滿足要求，泵室電機梁開裂，裂縫寬度不滿足要求，強度不滿足要求;出水池過流不滿足要求;尾水渠淤積，過流不滿足要求，泵站不滿足防洪安全要求。根據計算結果分析，建議對泵站拆除重建。

［1］揚州大學水利科學與工程學院，江蘇省水利廳.SL316—2004泵站安全檢定規程［S］.北京:中國水利水電出版社，2005.

［2］中華人民共和國水利部.GB/T50510—2009泵站更新改造技術規程［S］.北京:中國計劃出版社，2010.

Review Calculation and Analysis for Renovation of Pumping Station

GUO Cheng-qian
(Heilongiang Province Jiamusi City Water Conservancy＆ Hydropower Investigation，Design and Research Institute，Jiamusi 154002，China)

The pumping stations in Zhenxingquan District，Tangyuan County，and Jiamusi City have a low guarantee rate since they were put into operation in 1991，not up to the design of irrigation capacity.The main reasons for the problems are the pumps aging，pumping houses disrepair，etc.，so they must be renovated and upgraded.Through analyzing and calculating，relevant review calculation results and countermeasures are put forward so as to provide the basis for the technological renovation of the pumping stations.

pumping station;review;safety;stability;strength

TV675

B

1007-7596(2014)05-0025-04

2013-12-05

郭承乾(1981-)，男，甘肅環縣人，工程師。