陽谷縣陶城鋪灌區引黃閘后泵站設計探究

任國勇

（山東省陽谷縣水利局，山東陽谷 252300）

1.項目背景

陶城鋪引黃灌區位于山東省聊城市南部，南臨金堤河，北靠位山灌區，東與東阿縣相鄰，小運河、趙王河自南向北從灌區東部、中部穿過，灌區土地總面積107.5萬畝，設計灌溉面積74萬畝，工程等別為Ⅱ等。由于黃河多次調水調沙，造成陶城鋪引黃閘處河槽下切近兩米，致使陶城鋪引黃閘無法正常引用黃河水，目前，黃河部門正推進實施改造引黃閘可研工作，工程研究中陶城鋪引黃閘處設計引水位為37.62m，設計流量為50m3/s。陶城鋪輸沙渠渠首處渠底高程約為37.93m，擬建泵站處渠底高程為38.00m，在引黃閘設計引水位37.62m時現狀輸沙渠將完全無法引水[1-2]。陶城鋪灌區現有渠系配套基本完善，若改造渠系則投資巨大，實施難度大。

因此，充分利用灌區已有渠系，在改造引黃閘的前提下，在渠首建設提水泵站是十分必要的。

2.泵站指標

（1）設計流量，泵站設計流量35m3/s。

（2）泵站特征水位。

站前水位：

站前設計水位：取改建引黃閘的設計引水位為37.62m，考慮引黃閘水頭損失0.1m，閘后設計水位37.52m，按此推出的輸沙渠在設計底寬為18.3m，以此渠道底寬計算輸沙渠在35m3/s時對應水位作為站前設計水位，經計算站前設計水位為37.07m[3]。

站前最高水位：為輸沙渠在加大流量時水位37.92m確定為站前最高水位。

站前最低水位：按照泵站設計規范，站前最低水位為泵站最小運行流量時的水位，根據黃河來水情況，在黃河低水位時滿足泵站運行1臺泵、對應單泵流量5.0m3/s時作為泵站站前最低運行水位。據此確定對應渠道5m3/s時的設計水深為0.5m、相應設計水位36.02m確定為站前設計最低水位[4]。

站后水位：

站后設計水位：按泵站設計流量35m3/s的水位考慮確定，則站后設計水位41.0m。

站后最低水位：按照泵站設計規范，站前最低水位為泵站最小運行流量時的水位，與此對應，泵站單泵流量5.0m3/s時出水渠水位作為泵站站后最低運行水位，經計算則站后最低水位為38.85m，由于此水位比出水管中心線高程低，故取出水管中心線高程為最低水位為39.909m。

站后最高水位：泵站共裝設8臺泵，按泵全開時流量40m3/s時水位為最高水位，為41.3m。

（3）特征揚程。

泵站設計揚程：按泵站站后、站前設計水位差（41.0-37.07=3.93m），計入水頭損失，為5.30m。

泵站最高揚程：按泵站站后最高水位、站前最低水位差（41.3-36.02=4.98m），并計入水力損失確定，為6.50m。

泵站最低揚程：按泵站站后最低水位、站前最高水位差（39.909-37.92=1.989m），并計入水力損失確定，為2.95m。

3.渠首泵站布置

（1）連接段：布置在泵室前端，為連接渠底與泵室的過渡建筑物。

（2）泵室：受地形條件制約，泵室布置在節制閘東側，共布置8臺水泵，“一”字型布置，泵室寬21m，泵室底板高程為32.826m，底板厚1.0m，兩側墻為重力式擋土墻，均為鋼筋混凝土結構。為方便檢修，泵房（一層）建筑面積385.4m2，在泵室頂部布置排架柱，設置雙梁橋式起重機。在泵室布置攔污柵。

（3）出水池：泵站為側向出水，出水池凈寬8.0m，為重力式擋土墻結構，底板首端高程為38.100m，均為鋼筋混凝土結構。

（4）出水渠道：連接出水池與上游輸沙渠道的連接渠，為渠寬8m的矩形渠道，鋼筋混凝土結構。

（5）配電系統：架設14km專用供電線路，從終端桿采用電纜直埋方式引入高壓配電室。泵站裝設8臺高壓水泵，10kV供電線路直接提供電源；一臺SCB11-100kV·A/10/0.4kV站用變壓器。站用變壓器為泵站0.4kV電氣設備、照明設備提供電源。

4.泵室穩定計算與分析

4.1 荷載組合

計算工況與荷載組合按照《泵站設計規范》（GB 50265-2010）中表6.3.3的規定，根據泵站的實際運用情況，對其進行運行工況分析和荷載組合分析，荷載組合分為基本組合和特殊組合，基本組合分別計算完建情況和正常運行情況（出水池水位41.00m，上游輸沙渠水位37.07m），特殊組合是正常運行情況遭遇7度地震[5]。

4.2 計算公式

抗滑穩定采用《泵站設計規范》（GB 50265-2010）中6.3.4-1公式計算，基底應力采用《泵站設計規范》（GB 50265-2010）中6.3.8-1公式計算，抗浮穩定采用《泵站設計規范》（GB 50265-2010）中6.3.6公式計算。

（1）基礎底面的抗滑穩定安全系數計算公式：

式中：

KC—抗滑穩定安全系數；

∑G—作用于泵室基礎底面以上的全部豎向荷載（包括泵室基礎底面上的揚壓力在內，kN）；

∑H—作用于泵室基礎底面以上的全部水平向荷載（kN）；

F—泵室基礎底面與地基之間的摩擦系數，取0.25。

（2）基礎底面應力計算公式：

式中：

2.1 蘋果虎皮病 蘋果虎皮病發病初期，果皮呈淡黃褐色，表面平或略有起伏，或呈不規則塊狀，以后顏色逐漸變深，呈褐色至暗褐色，稍凹陷。病部果皮可成片撕下，皮下變為褐色。病果肉綿，略帶酒味。病變多發生于果實陰面未著色部分，嚴重時才延及陽面著色部分。虎皮病雖然不影響果實風味，但嚴重影響果實外觀，降低商品價值。

∑G—作用于泵室基礎底面以上的全部豎向荷載（包括泵室基礎底面上的揚壓力在內，kN）；

∑M—作用在基礎底面以上的全部豎向和水平向荷載對于基礎底面垂直水流方向的形心軸的力矩（kN·m）；

A—泵室基礎底面的面積（m2）；

W—泵室基礎底面對于該底面垂直水流方向的形心軸的截面矩（m3）。

（3）抗浮穩定計算公式：

式中：

Kf—抗浮穩定安全系數；

∑V—作用于泵室基礎底面以上的全部重力（kN）；

∑U—作用于泵室基礎底面以上的揚壓力（kN）。

（4）計算成果：

泵室穩定計算成果詳見表1。

表1 泵室穩定和地基應力計算成果表

當上游輸沙渠水位達到最高水位39.72m，泵室抗浮穩定安全系數Kf=1.34>1.10。

（5）成果分析：泵室坐落于第五層，該層天然地基允許承載力為115kPa，根據《泵站設計規范》（GB 50265-2010）附錄B泵房地基允許承載力計算，施工完建期、地震工況均不滿足規范要求：平均基底應力不應大于地基允許承載力，最大基底應力不應大于地基允許承載力的1.2倍[6-7]。

由以上計算知，施工完建期、地震工況均不能滿足要求，需要采取地基處理措施，本可研報告選用灌注樁作為提高地基承載力的方式，見表2。

表2 泵室樁長計算成果表

根據以上計算，上部荷載為113615.52kN。可研考慮直徑1.2m灌注樁分布于泵室下方，共54根。

依據《建筑樁基技術規范》（JGJ 94-2008），單樁豎向極限承載力標準值為：

式中：

Quk—單樁豎向極限承載力標準值（kN/根）；

qpk—樁端土的極限端阻力標準值（kPa）；

AP—樁截面積（m2），AP＝3.14×0.62＝1.13m2；

μ—樁周長（m），μ＝3.14×1.2＝3.77m；

qsik—樁側第i層土的極限側阻力標準值（kPa）；

li—第i層土厚度（m）。

則承載力標準值為：

考慮地震作用下的承臺效應的復合基樁豎向承載力特征值R：

式中：

ηc—承臺效應系數；

fak—承臺下1/2承臺寬度且不超過5m深度范圍內各層土的地基承載力特征值按厚度加權的平均值，kPa；

Ac—計算基樁所對應的承臺底凈面積，m2；

Aps—為樁身截面面積，m2；

A—為承臺計算域面積，m2。

計算得R=5212.46/2+104=2710.23kN。

樁自重：0.5×3.14×0.62×22×25×1.1=279.77kN。

外力（每根樁）：

考慮地震：2383.76×1.1=2622.14kN。

容許承載力（單樁）R=2710.23＞2622.14kN，滿足要求。

5.結論

基于以上計算，最終確定選用1400ZLB-125型普通軸流泵8臺，“一”字型布置，7用1備，出水管徑為Φ1400mm，配套電機為355kW，葉片安裝角度0°，單泵設計流量為5.0m3/s，設計揚程為5.3m；考慮直徑1.2m灌注樁分布于泵室下方，共54根，如圖1所示。

圖1 剖視圖