南水北調某配套工程泵站調節池結構設計穩定分析

王紅玲（天津市華淼給排水研究設計院有限公司，天津 300190）

南水北調某配套工程泵站調節池結構設計穩定分析

王紅玲
（天津市華淼給排水研究設計院有限公司，天津 300190）

針對西河原水泵站調節池處的水文地質條件，采用有限元分析滲流場的計算原理，準確解決了復雜邊界、多種介質的滲流問題；探討了池體結構設計、滲透穩定、滲漏損失等問題，合理優選了池體結構，達到了節約工程投資的目的。

滲流穩定；滲漏損失；有限元；調節池

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

1 引言

國家南水北調天津市內配套工程規劃中，需要在天津市區建一座規模為225萬t/d的原水樞紐泵站，其功能是向市內3個大水廠輸送源水。根據天津市華淼給排水研究設計院有限公司的《天津市南水北調市內配套工程西河原水樞紐泵站工程初步設計報告》，泵站工程包括進口閘、調節池、進水泵房、加藥加氯設施，建設地點在天津市,工程總用地面積為1.22× 105m2。其中調節池東西長350m，南北長220m，有效水深7.77m，調節池有效容積46.35萬m3。

本文結合池址處水文地質條件，采用《水工擋土墻設計規范》（SL 379—2007）及河海大學《水工結構有限元分析系統》(Auto月ANK v5.6)，探討池體結構的滲透穩定、調節池滲漏損失等問題，優選池體結構，達到節約工程投資的目的。

2 調節池整體結構設計

由于調節池東西長350m，南北長220m，池內水深高出室外地坪最高2.65m，低于室外地坪最低7.7m。該工程又坐落在市區，為減少用地，調節池池壁采用了自防水鋼筋混凝土扶壁式擋土墻結構。但針對擋土墻的抗傾覆、抗滑移的穩定性及地基的整體穩定性情況，地基處理采用了混凝土灌注樁基礎。擋土墻設計墻厚600mm，基礎底板厚800mm，扶壁板間距5800mm，板厚600mm。

對于調節池池體內外水位的差異壓力宜造成池內水滲流到場區形成沼澤、場區地下水滲流到池內污染水源的問題，擋土墻基底的滲流穩定設計設置了池底周邊水平防滲段，防滲段長20m，采用混凝土板和防滲毯雙層防滲結構。池底中部結構采用素混凝土板透水底板防護，以滿足調節池的抗浮及方便清淤等維護。

2.1 扶壁式擋土墻結構設計

池體為超長結構，按20m間距設置伸縮縫，底板頂標高-3.5m，壁板頂標高7.4m，池內正常高水位為4.27m，池外廠區地坪為標高4.2m，廠區最高水位為2.8m。

考慮池內無水（完成情況、清淤檢修情況），池外地下水位2.8m工況為結構不利工況，按池體的承載能力極限狀態和正常使用極限狀態進行驗算。

扶壁式擋土墻計算過程按20m間距設置伸縮縫，5.8m為一個扶壁的計算單元格，其中包括扶壁式擋土墻的荷載計算、基底應力計算、結構內力計算及穩定計算。本工程的擋土墻級別為Ⅰ，其抗傾覆穩定安全系數K0≥1.6；抗滑移穩定安全系數Kc≥1.35。

2.2 池體滲流穩定計算

為解決池體內外水位的差異壓力宜造成池內水滲流到場區形成沼澤、場區地下水滲流到池內污染水源的問題，擋土墻基底的滲流穩定設計采用水工結構有限元分析系統對水質、水文地質、水位變化進行了驗算。

2.2.1 水文地質條件

根據天津市水利勘測設計院的《天津市南水北調市內配套工程西河原水樞紐泵站工程巖土工程勘察報告》，調節池擋墻較長，建在不同土層上，且同一土層性質也不均勻，調節池擋墻基礎主要坐落于Qm粉質黏土④1、淤泥質粉質黏土④3和粉土④2層上，土體以中等壓縮為主，局部為高壓縮土體。各層地基土的滲透性指標如表1所示。

表1 調節池地基土層滲透系數

為判定環境水的腐蝕性，共采取了地下水水樣4組，地表水水樣1組，做水質簡分析試驗，地下水化學類型為氯硫酸鈉鉀鎂型水、氯硫酸鈉鉀鈣型水、重碳酸氯硫酸鈉鉀鈣鎂型水、重碳酸氯鈣鈉鉀鎂型水和重碳酸硫酸鈣鈉鉀鎂型水。

2.2.2 模型建立

考慮池址處地形、水文地質條件、地層土質結構的不均勻性等因素，選取橫向、縱向為典型剖面，迎水側向池內延伸至池中心線，背水側向外延伸100m，深度計算至池底微透水黏土層，池底以下18m。對計算區域進行有限元網格劃分,為更好地模擬調節池水的滲流場的分布規律，對扶壁式擋土墻和池底周邊水平防滲段區域采用較密網格。

2.2.3 計算工況

依據調節池控制運行條件，擬定模擬計算工況，如表2所示。

表2 調節池模擬計算工況

2.2.4 調節池滲流穩定分析

調節池正常運行時，池內水位高于地下水位，經計算池周邊地下水位不會因池內蓄水導致周邊地下水位逸出，故調節池周邊土體不會產生滲透破壞。

當調節池發生事故停水或檢修時，池水排干，而地下水位處于高水位狀態，池壁基礎會受到地下水位的作用，存在返向滲透穩定問題，模擬計算成果列于表3。

表3 池壁在地下水位作用下滲透穩定計算成果

調節池修建在粉質黏土地層上，允許滲透坡降為0.6，計算表明池底出逸點處不滿足土體滲透穩定要求。為保障出逸點（池底）的滲透穩定，采用池底鋪設300g/m2的土工布，200mm厚的粗砂層和300mm厚現澆混凝土塊進行防護，根據文獻[1]土體允許滲透坡降值可增大30%，達到0.78，池體的滲透穩定滿足要求。

2.2.5 調節池蓄水后引起周邊地下水位的變動情況

調節池正常運行后，由于池內水長期保持在較高的水位狀態，會引起周邊地下水位的抬高，經計算地下水位抬升結果列于表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

王紅玲（1966～），女，河北河間人，高級工程師，從事水利工程及市政工程的結構設計研究。