泵站工程結(jié)構(gòu)布置方案比選分析

姜露露　曹邱林

摘要：劉山北站在改造時有三種結(jié)構(gòu)布置型式，即主站身與虹吸式出水流道分開布置、主站身與平直管出水流道整體布置以及主站身與虹吸式出水流道整體布置，每種方案都有各自的優(yōu)缺點。對各方案進(jìn)行比選研究并選擇最優(yōu)方案是該泵站工程在設(shè)計中的一項重要工作。首先對劉山北站的三種結(jié)構(gòu)布置方案進(jìn)行初步比選，然后對不同工況下的三種方案進(jìn)行三維有限元結(jié)構(gòu)計算與分析，分析比較不同方案的水平和豎直位移，比較底板、閘墩、流道的應(yīng)力狀態(tài)，為劉山北站工程的結(jié)構(gòu)布置方案比選提供理論依據(jù)。分析結(jié)果表明：分離式底板與虹吸式流道結(jié)合方式布置的結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力狀態(tài)較好，推薦設(shè)計時采用該方案。

關(guān)鍵詞：劉山北站；方案比選；有限元；位移；應(yīng)力

中圖分類號：TU991文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：

16721683（2018）04020207

Abstract：

There are three structural arrangement schemes in the reconstruction of Liushan North Pumping Station： separate arrangement of the main body and the siphon outlet passage，integrated arrangement of the main body and the straight pipe outlet passage，and integrated arrangement of the main body and the siphon outlet passage.Each scheme has its own advantages and disadvantages.Comparing the schemes and selecting the optimal one is an important work in the design of the pumping station.In this paper，we first compared the three structural arrangement schemes of Liushan North Pumping Station，then conducted three dimensional finite element structural calculation and analysis of the three schemes under different working conditions.We compared the horizontal and vertical displacement and the stress states of the floor，gate pier，and flow channel in different schemes，so as to provide a theoretical basis for the selection of a structural arrangement scheme of Liushan North Pumping Station.The results showed that separate arrangement of the floor and siphon passage would present satisfactory displacement and stress state，so we recommend this scheme for the design.

Key words：

Liushan North Pumping Station； scheme comparison； finite element； displacement； stress

劉山北站多年來在抗御洪、澇、旱等自然災(zāi)害，保障人民生命財產(chǎn)安全，改善農(nóng)業(yè)生產(chǎn)條件，促進(jìn)農(nóng)業(yè)的增產(chǎn)豐收，改善生態(tài)環(huán)境及城鎮(zhèn)防洪、農(nóng)村經(jīng)濟等起到了重要作用，取得了重大經(jīng)濟社會效益和生態(tài)環(huán)境效益，但是經(jīng)過多年的運行后，存在嚴(yán)重的安全隱患，難以發(fā)揮其效益，必須對其進(jìn)行改造。在劉山北站可研報告中，從工程量、施工復(fù)雜程度、工程投資、效率等方面已經(jīng)對進(jìn)水流道、底板型式、出水流道、水泵型號等不同的選擇方案進(jìn)行了初步比選，但沒有從結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行考慮。本文則采用ABAQUS三維有限元[13]軟件對劉山北站幾種結(jié)構(gòu)布置型式在不同工況下的結(jié)構(gòu)進(jìn)行計算[45]，分析比較不同方案在各工況下的位移、應(yīng)力[6]狀態(tài)，從而從結(jié)構(gòu)方面選擇最優(yōu)方案。

1工程概況

劉山北站建于1984年，設(shè)計流量50 m3/s，位于邳州市宿羊山境內(nèi)京杭運河北岸，是江蘇省江水北調(diào)第七級泵站，除翻水灌溉、保證航運外，還兼具排除車輻山洼地531 km2澇水的功能。2013年8月20日，江蘇省水利廳在南京組織召開劉山北站安全鑒定會議，評定劉山北站的安全類別：建筑物為四類建筑物、機電設(shè)備為四類設(shè)備，金屬結(jié)構(gòu)評定為四類設(shè)備，綜合評定劉山北站安全類別為四類泵站。受地形條件及現(xiàn)有建筑物的限制，在滿足劉山北站功能的前提下，劉山北站只能在原址拆除重建。主要由進(jìn)水涵洞、排澇閘、清污機橋、前池、主泵房、檢修間、控制室、出水池等部分組成。下游為正向進(jìn)水，上游為正向出水，上下游連接段采用直墻連接。主泵房兩側(cè)分別設(shè)檢修間和控制室，主泵房長293 m，寬105 m，檢修間長57 m，寬為105 m，控制[JP2]室長220 m，寬130 m。泵站設(shè)計流量483 m3/s，站室安裝5臺1800ZLQ立式軸流泵機組，[JP]配套TL 90028型高壓電機5臺套，單機功率900 kW，總裝機容量4 500 kW。

方案一的優(yōu)點是采用分離式底板[7]，可以減少工程投資，虹吸式出水流道[8]可靠性高，設(shè)備運行簡單，管理運行方便，裝置效率相對較高。缺點是站身底板和流道分開布置易出現(xiàn)不均勻沉降，并且虹吸式流道工程投資大，施工復(fù)雜。

方案二的優(yōu)點是采用整體式底板[9]可以避免站身和流道之間出現(xiàn)不均勻沉降，布置也比較緊湊，直管式流道施工簡單，工程投資較小。缺點是整體式底板工程投資較大，采用直管式流道水頭損失較大，裝置效率較低。

方案三結(jié)合了方案一虹吸式管道和方案二整體式底板的優(yōu)點，但同樣存在整體式底板工程投資較大、虹吸式流道施工復(fù)雜等缺點。

3結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力分析

為了對三種不同結(jié)構(gòu)布置方案的應(yīng)力、位移有一個更加全面的了解，從結(jié)構(gòu)方面分析各方案的利弊從而選擇最優(yōu)方案，現(xiàn)對劉山北站三種結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行ABAQUS三維有限元分析[1113]。

3.1計算模型

劉山北站各構(gòu)件除交通橋材料為C50混凝土外，其余構(gòu)件材料均為C30，地基材料為含砂礓壤土。為了較好地反映體系的相互作用[14]，地基模型的計算范圍要足夠大[15]。計算時取地基的長度、寬度為站身長、寬的3倍，地基的高度為站身高度的2倍，底板與地基相互作用方式為接觸[1617]。劉山北站結(jié)構(gòu)采用線彈性材料模擬[1819]，土體為彈性材料[20]，由于土體自重產(chǎn)生的變形已基本完成[21]，故計算中不計入土體自重引起的應(yīng)變。劃分網(wǎng)格時網(wǎng)格單元類型采用標(biāo)準(zhǔn)的四節(jié)點線性四面體減縮積分單元[22]，最終三種方案站身和流道的網(wǎng)格模型見圖2。其中方案一單元總數(shù)為429 738個，結(jié)點總數(shù)為293 079個；方案二單元總數(shù)為316 492個，結(jié)點總數(shù)為213 015個；方案三單元總數(shù)為268 496個，結(jié)點總數(shù)為399 073個。[FL）]

3.2基本荷載

模型施加的荷載主要包括固定荷載、回填土荷載、水荷載。

固定荷載主要是站身、流道等結(jié)構(gòu)的自重；土荷載根據(jù)《水工建筑物荷載設(shè)計規(guī)范》（SL 744-2016）[23]墻[HJ2.3mm]后水平土壓力按主動土壓力計算，邊荷載按垂直土重計算；水荷載根據(jù)劉山北站可行性研究報告提供的情況進(jìn)行加載，主要加載工況見表2，計算水壓力和揚壓力（浮托力和滲透壓力）。

3.3計算結(jié)果

三種方案的模型均在7種工況下進(jìn)行運行，根據(jù)計算結(jié)果對結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力分別進(jìn)行研究。

]3.3.1結(jié)構(gòu)位移分析

分析各方案在不同工況下的位移云圖，選取工況七作為典型工況，[HJ1.65mm]典型工況下的水平位移、豎直位移（沉降）云圖見圖3、圖4。

根據(jù)各方案不同工況下的位移云圖，對結(jié)構(gòu)水平位移、豎直位移以及沉降差進(jìn)行統(tǒng)計，繪制出三種方案在7種工況下位移最大值的變化曲線并分析，具體見圖5。

由圖5可知，方案一的最大水平位移值為1825 mm，最大沉降值為7465 mm，未超過規(guī)范[24]允許最大沉降值150 mm，滿足要求。方案二的最大水平位移值為1003 mm，最大沉降值為4747 mm，未超過規(guī)范允許最大沉降值150 mm，滿足要求。方案三的最大水平位移值為1736 mm，最大沉降值為8853 mm，未超過規(guī)范允許最大沉降值150 mm，滿足要求。[JP]

由圖5（a）可知，由于方案二的底板在順?biāo)鞣较蛏系拈L度以及流道段的高度比較小，因此方案二結(jié)構(gòu)布置型式的固定荷載即結(jié)構(gòu)自重較小，故方案二的水平位移最大，位移值基本維持在70～100 mm之間，最大值達(dá)到1003 mm。方案一與方案三的水平位移在各工況下的值變化不大且均比方案二的值小，位移值基本在20 mm以內(nèi)。

[JP2]由圖5（b）可知，同樣由于自重的原因，方案二的沉降最大值相比較方案一、方案三而言較小。并且由圖可以看出，[HJ1.95mm]三種方案在7種工況下沉降值的變化趨[JP3]勢一樣，因工況三的站下水位為最低水位2020 m，引起的揚壓力最小，導(dǎo)致沉降值為幾種工況下最大，相反，工況四站下水位為最高水位2320 m，沉降值最小。[JP]

結(jié)合圖5（b）至5（d）可知方案二在各工況下的沉降值都最小。方案三的最大沉降值最大，最小沉降值與方案一基本一致，故方案三的沉降差值最大。方案二沉降差值的變化幅度較大，相對不穩(wěn)定。

經(jīng)分析比較，方案二在各工況下的沉降值最小，但水平位移值、沉降差變化值較大，方案一、方案三在各工況下的最大水平位移值都較小，且位移值變化幅度較小，結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。

[BT4]3.3.2結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

分析各方案在不同工況下的應(yīng)力云圖，選取工況七作為典型工況，典型工況下的主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力云圖見圖6、圖7。

根據(jù)各方案不同工況下的應(yīng)力云圖，對結(jié)構(gòu)底板、閘墩、流道等構(gòu)件的主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力值進(jìn)行統(tǒng)計，繪制出三種方案在7種工況下主拉應(yīng)力、主壓應(yīng)力變化曲線并分析，具體見圖8。

由圖8（a）至圖8（e）可知，方案一各部件的最大主拉應(yīng)力在底板面層處為124 MPa，在底板底層處為048 MPa，在邊墩處為085 MPa，在中墩處為106 MPa，在流道處為045 MPa；方案二各部件的最大主拉應(yīng)力在底板面層處為213 MPa，在底板底層處為104 MPa，在邊墩處為203 MPa，在中墩處為257 MPa，在流道處為027 MPa；方案三各部件的最大主拉應(yīng)力在底板面層處為145MPa，在底板底層處為075 MPa，在邊墩處為099 MPa，在中墩處為041 MPa，在流道處為032 MPa。其中各方案的底板面層最大主拉應(yīng)力值、邊墩最大主拉應(yīng)力值均超過了C30混凝土允許抗拉強度[25]，方案二、方案三的底板底層最大主拉應(yīng)力值、方案一、方案二的中墩最大主拉應(yīng)力值也都超過了C30混凝土允許抗拉強度，但各方案的流道主拉應(yīng)力值均未超過材料允許值，滿足規(guī)范要求。

由圖8（a）、8（b）可知，三種方案的底板主拉應(yīng)力均是方案二應(yīng)力值最大，方案三其次，方案一最小，且三種方案在7種工況下應(yīng)力值變化趨勢基本一致；方案一的底板底層主拉應(yīng)力值在037～048 MPa，未超過材料允許拉應(yīng)力值，滿足規(guī)范要求，而方案二、方案三底板底層主拉應(yīng)力分別為074～104 MPa、064～075 MPa，均超過材料允許拉應(yīng)力值；三種方案底板面層主拉應(yīng)力值均較大，超出允許抗拉強度，但可以通過配筋來提高底板面層結(jié)構(gòu)承載力。

由圖8（c）、8（d）可知，方案二邊墩、中墩的最大主拉應(yīng)力值均超過20 MPa，比其他兩種方案在各工況下的應(yīng)力值都大，三種方案7種工況下閘墩應(yīng)力值除方案三中墩應(yīng)力值在037～041 MPa，未超過允許值外，其余情況下的應(yīng)力值都較大，超出允許抗拉強度，但可以通過配筋來提高閘墩結(jié)構(gòu)承載力。

由圖8（e）可知，方案一、方案三由于都采用虹吸式出水流道，故兩種方案的流道應(yīng)力值在各工況下變化趨勢一致，而方案二、方案三的流道應(yīng)力值接近，均比方案一應(yīng)力值小，但方案一的流道應(yīng)力值為033～045 MPa，未超過材料允許拉應(yīng)力值，滿足規(guī)范要求。

結(jié)合以上分析，方案一、方案三的主拉應(yīng)力相對較小，且分布較均勻。

由曲線圖圖8（f）至8（j）可知，方案一各部件的最大主壓應(yīng)力發(fā)生在中墩處，最大值為250 MPa；方案二各部件的最大主壓應(yīng)力發(fā)生在中墩處，最大值為478 MPa；方案三各部件的最大主壓應(yīng)力發(fā)生在底板底層處，最大值為320MPa。各方案各部件在各工況下的最大主壓應(yīng)力值均未超過材料允許值，滿足規(guī)范要求。

由圖8（f）、8（h）、8（i）可知，方案二的底板面層主壓應(yīng)力為301～359 MPa，邊墩主壓應(yīng)力為231～236 MPa，中墩主壓應(yīng)力為468～478 MPa，均比方案一、方案三相應(yīng)部件在各工況下的應(yīng)力值大，且方案二應(yīng)力值變化趨勢相對穩(wěn)定，方案一、方案三應(yīng)力変化趨勢基本一致。

由圖8（g）可知，方案一底板底層的主壓應(yīng)力為147～175 MPa，小于方案二、方案三底板底層應(yīng)力。由圖8（j）可知，方案一出水流道的主壓應(yīng)力最大，方案三其次，方案二流道應(yīng)力值最小。

綜上分析，三種方案各部件在各工況下的最大主壓應(yīng)力值都較小且均未超過材料允許值，滿足規(guī)范要求。

4結(jié)論

（1） 本文利用ABAQUS三維有限元軟件對劉山北站的三種結(jié)構(gòu)布置型式進(jìn)行位移、應(yīng)力計算，可較全面地反映各部件的位移、應(yīng)力狀態(tài)。

（2） 三種方案在各工況下的最大水平位移、最大沉降值均未超過規(guī)范允許值，其中方案一的水平位移值較小，沉降值變化較小，結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。

（3） 方案一的應(yīng)力條件較好，底板、閘墩最大主拉應(yīng)力值都較小且在各工況下應(yīng)力值較均勻，部分部件的主拉應(yīng)力超過材料允許應(yīng)力值，可采取一定的措施來提高各部件的承載力。

（4） 三種方案的最大主壓應(yīng)力值均未超過混凝土允許抗壓強度值，滿足規(guī)范要求。

（5） 結(jié)合結(jié)構(gòu)的位移、應(yīng)力狀態(tài)，方案一的結(jié)構(gòu)布置型式最優(yōu)，推薦使用方案一的布置型式。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1]梁景奇.基于ABAQUS的水閘閘室三維有限元分析[D].石河子：石河子大學(xué)，2014.（LIANG J Q.Threedimensional finite element analysis on Sluice chamber based on the ABAQUS[D].Shihezi：Shihezi University，2014.（in Chinese））

[2]曹邱林，孟怡凱.微樁群復(fù)合地基水閘閘室結(jié)構(gòu)有限元分析[J].人民長江，2013，44（4）：3134，47.（CAO Q L，MENG Y K.[JP2]

FEM analysis on sluice structure with composite foundation of Micropiles[J].The Changjiang River，2013，44（4）：3134，47.（in [JP]Chinese）） DOI：10.3969/j.issn.10014179.2013.04.008.

[3]王麗英.基于ABAQUS的船閘閘首結(jié)構(gòu)有限元分析[D].重慶：重慶交通大學(xué)，2011.（WANG L Y.Finite eiement analysis of the lock head structure based the ABAQUS[D].Chongqing：Chongqing Jiaotong University，2011.（in Chinese）） DOI：10.7666/d.y1902013.

[4]曹邱林，陳蕾.涵洞洞首結(jié)構(gòu)的三維有限元分析[J].揚州大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2011，14（4）：7377.（CAO Q L，CHEN L.Three dimensional finite element analysis of the structure of culvert hole[J].Journal of Yangzhou University （ Natural Science Edition ），2011，14（4）：7377.（in Chinese）） DOI：10.4028/www.scientific.net/AMM.9093.2546.

[5]顏天佑.大型泵站結(jié)構(gòu)三維有限元內(nèi)力分析研究[D].南京：河海大學(xué)，2006.（YAN T Y.The study of FEM for internal force analysis of the large pumping station[D].Nanjing：HoHai University，2006.（in Chinese）） DOI：10.7666/d.y843287.

[6]彭志榮.某水閘閘室結(jié)構(gòu)布置方案比較分析與初步設(shè)計[D].南昌：南昌大學(xué)，2014.（PENG Z R.Comparative analysis of sluice chamber structure layout scheme and preliminary design of some sluice[D].Nanchang：Nanchang University，2014.（in Chinese））

[7]孫衛(wèi)東.某雙曲線冷卻塔整體式底板和分離式底板結(jié)構(gòu)方案比選[J].特種結(jié)構(gòu)，2013，30（1）：6668.（SUN W D.Comparison and selection of integral bottom plate and separated bottom plate structure for a hyperbolic cooling tower[J].Special structure，2013，30（1）：6668.（in Chinese））

[8]陸林廣，劉榮華，梁金棟，等.虹吸式出水流道與直管式出水流道的比較[J].南水北調(diào)與水利科技，2009，7（1）：9194.（LU L G，LIU R H，LIANG J D，et al.Comparison between siphon outlet conduit and straight outlet conduit[J].SouthtoNorth Water Transfers and Water Science and Technology，2009，7（1）：9194.（in Chinese）） DOI：10.13476/j.cnki.nsbdqk.2009.01.018.

[9]周鑫.整體式閘室底板應(yīng)力有限元分析[J].紅水河，2008（4）：6365.（ZHOU X.Finite element analysis of stress on integral chamber floor[J].Hongshui River，2008（4）：6365.（in Chinese）） DOI：10.3969/j.issn.1001408X.2008.04.018.[ZK）]

[10][ZK（#][JP2]王潔，曹邱林，高蓓蓓.閘站結(jié)合工程布置方案比選研究[J].[JP]人民長江，2017，48（15）：6670，95.（WANG J，CAO Q L，GAO B B.Comparative study on schemes of combined sluicepump project layout[J].The Changjiang River，2017，48（15）：6670，95.（in Chinese）） DOI：10.16232/j.cnki.10014179.2017.15.015.

[11]CAO Q L，MENG Y K，CHEN L.et al.Nonlinear finite elements analysis on structure of pumping station in the joint hub of sluice and pumping station[C].//Advances in Civil Engineering.p.4.2011：25462552.DOI：10.4028/www.scientific.net/AMM.9093.2546.

[12]宋焰龍.某水閘閘室結(jié)構(gòu)在不同工況下的三維有限元分析[J].中國水運（下半月），2017，17（1）：159160.（SONG Y L.Threedimensional finite element analysis of a sluice chamber structure under different working conditions[J].China Water Transport （the second half of the month），2017，17（1）：159160.（in Chinese））

[13]梁一飛，李國寧，王文強.一種新型水閘的結(jié)構(gòu)布置及三維有限元分析[J].內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，35（4）：95102.（LIANG Y F，LI G N，WANG W Q.A new sluice′s structural arrangement and its 3d finite element analysis[J].Journal of Inner Mongolia Agricultural University （Natural Soience Edition），2014，35（4）：95102.（in Chinese）） DOI：10.16853/j.cnki.10093575.2014.04.019.

[14]王明明.閘站結(jié)合工程結(jié)構(gòu)有限元分析研究[D].揚州：揚州大學(xué)，2013.（WANG M M.Finite elements analysis on the combination of sluice and pumping station engineering[D].Yangzhou：Yangzhou University，2013.（in Chinese）） DOI：10.7666/d.y2419404.

[15]徐剛，邵琳玉，徐莉萍.奔牛樞紐上閘首結(jié)構(gòu)有限元分析[J].江蘇水利，2016（4）：59.（XU G，SHAO L Y，WANG L P.Analysis of finite element on Benniu lock head structure[J].Jiangsy Water Resources，2016（4）：59.（in Chinese）） DOI：10.3969/j.issn.10077839.2016.04.002.

[16]龔思楚，張憲政，梅李霞，等.基于ABAQUS接觸算法結(jié)構(gòu)強度分析[J].教練機，2016（4）：2831.（GONG S C，ZHANG X Z，MEI L X，et al.Structure strength analysis based on ABAQUS contact arithmetics[J].Trainer，2016（4）：2831.（in Chinese））

[17]李路華.基于ABAQUS的水閘與地基相互作用分析[D].濟南：山東大學(xué)，2014.（LI L H.Study on the interaction between sluice and foundation by using ABAQUS[D].Jinan：Shandong University，2014..（in Chinese））

[18]常虹.采動區(qū)地基與水閘結(jié)構(gòu)相互作用機理及加固技術(shù)研究[D].北京：中國礦業(yè)大學(xué)，2013.（CHANG H.Study on the foundationsluice interaction mechanism and reinforcement technology within subsidence areas[D].Beijing：China University of Mining and Technology，2013..（in Chinese））

[19]王振華.巖基上水閘結(jié)構(gòu)分析計算[D].揚州：揚州大學(xué)，2016.（WANG Z H.Study on structure analysis and calculation of the sluice on the batholith[D].Yangzhou：Yangzhou University，2016.（in Chinese））

[20]陶軍.水閘反拱底板的有限元分析[D].揚州：揚州大學(xué)，2014.（TAO J.Finite element analysis of Antiarch floor of sluice[D].Yangzhou：Yangzhou University，2014.（in Chinese）） DOI：10.7666/d.Y2632022.

[21]王觀琪.基于ABAQUS的混凝土面板堆石壩三維應(yīng)力和變位分析[D].武漢：武漢大學(xué)，2004.（WANG G Q.3D Nonlinear Analysis of Stress and Deformation for CFRD by Using ABAQUSbased Redevelopment[D].Wuhan：WuHan University，2004.（in Chinese））

[22]鄭圣義，俞人杰，滕楷.鋼閘門定輪存在銹坑時輪軌接觸的有限元分析[J].人民黃河，2017，39（4）：99103.（ZHENG S Y，YU R J，TENG K.Finite element analysis on the contract between fixed wheel with rust pit and track for plane steel gate[J].Yellow River，2017，39（4）：99103.（in Chinese）） DOI：10.3969/j.issn.10001379.2017.04.022.

[23]SL 744-2016水工建筑物荷載設(shè)計規(guī)范[S].（SL 744-2016 Code for design of load of hydraulic structures[S].（in Chinese））

[24]SL 265-2016，水閘設(shè)計規(guī)范[S].（SL 265-2016，Specification for sluice design[S].（in Chinese））

[25]SL 191-2008：水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].（SL 191-2008：DesignSpecifications for Hydraulic Concrete Structure[S].（in Chinese））