新安水廠取水泵站型式選擇及結構分析

胡京川

（廣西水利電力勘測設計研究院有限責任公司，南寧 530023）

1 工程概況

桂平市城區地處黔江、郁江、潯江三江匯流的交界處，過境水資源量豐富，桂平市城區既是西江工業走廊和紅水河能源工業帶結合部，又是連結華南經濟區和西南經濟區的紐帶，地理位置優越，新安水廠水源為黔江，為桂平市城區供水的主要凈水廠[1]。受大藤峽水庫工程施工影響，桂平市政府計劃建設一座安全保障度高的固定式泵站，保障桂平市城區居民用水安全。

本工程新建泵站近期水平年2025 年設計流量1.55 m3/s，遠期水平年2030 年設計流量2.31 m3/s。根據《水利水電工程等級劃分及洪水標準》（SL 252-2017）確定桂平市的城市規模為重要城市，相應的泵站工程等別為Ⅱ等，大（2）型泵站。

本工程主要建筑物為取水泵站1 座，泵站建筑物由進水池、提水泵房、出水管和副廠房等組成。泵站進水池長10.5 m，寬18.0～24.0 m，兩側導水墻以泵房軸線為中心對稱布置，進水池前端設喇叭口狀進水渠；提水泵房為單筒圓形結構，內徑為18.0 m，擋水高度21.5 m，總高度為38.0 m，筒壁采用變厚度設計，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布置，近期先安裝3 臺水泵（2 用1備），遠期再增加1臺（3用1備），近期總裝機容量為840 kW。出水管單機單管管徑為0.7 m，并管后管徑為1.6 m，各出水管總長203.0 m。

2 工程布置基本條件

（1）設計水位。根據水文分析計算，泵站最高運行水位為61.16 m，最低運行水位為44.27 m，大藤峽水庫正常蓄水后取水泵站設計運行水位44.47 m。

（2）地形地質條件。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殘坡積層（Q4edl）混碎塊石粉質黏土，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蓮花山組上段（D1l2）中厚層狀泥質粉砂巖夾細砂巖，強風化帶厚度2.5～8.5 m。巖層產狀為N5°～15°E，SE∠13°～18°，巖層視傾角順坡。勘察期間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

影響泵房結構類型的因素主要有水泵結構及性能、水位變幅的大小、施工場地地形影響等[2]。根據站址選擇結論，泵房位于大藤峽壩址上游約1.4 km、弩灘對面的右岸岸坡處，泵房下伏基巖覆蓋層較厚，豎井式泵站在地質條件上不適宜，且考慮大藤峽水庫已初期蓄水運行的現狀，豎井式泵站進水段施工難度極大；本項目水位變幅較大，適應本工程流量規模及水位變幅的可選潛沒式機組不多，因此不考慮潛沒式泵站型式；對于移動式泵站，考慮運行管理的風險較大，安全保障度不夠高，也不宜作為城市主要的供水水源泵站；若采用立式長軸泵機組，泵房布置為矩形，由于立式長軸泵機組流量較小，選擇的機組臺數較多，且適應本工程水位變幅的該類型機組國內少有設備提供商，需要定制或采用進口機組，設備費用高，由于泵的立軸長度偏大，運行穩定性不佳。而開敞固定式泵站取水穩定，安全保障度較高，適宜作為城市長期穩定供水的取水口。因此泵房型式采用開敞固定式泵房。

為協調水泵機組的布置，對矩形泵房和圓形泵房進行比選。①矩形泵房是常見的干室型泵房之一。便于設備布置、維護管理及與進出水管路、進出水池的布置，安裝機組臺數多的情況下布置優點明顯。但當擋水高度增加，其受力條件越來越差，側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，可以節省建筑材料。當水位變幅大于10 m 時圓形泵房較為有利。但圓形泵房內機組和管路布置不如矩形泵房方便，容易互相干擾，一般在機組臺數少的時候采用為宜。

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

4 泵房結構受力分析

4.1 荷載及工況

泵房外部水頭變幅較大，承受高達約21.5 m水頭的外水壓力，為滿足抗浮穩定要求，在泵房兩側及出水側進行回填土壓實。同時結合出水管彎管段的穩定要求，在出水側45.0 m 高程設置平臺，起到鎮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。

根據泵站運行的水位，分別選取了完建工況（無水）、運行工況1（最高水位）及運行工況2（最低運行水位）3種工況進行結構受力計算，工況及荷載組合見表1，泵房受力簡圖見圖1。

表1 計算工況及荷載組合

圖1 泵房受力計算簡圖

4.2 分析建模

泵站結構用三維實體單元SOLID 185 模擬，模型網格以六面體為主，少量為五面體及四面體，網格長度約0.25 m。基礎方面，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 有限元分析結果

對不同工況進行有限元分析，在各工況下，泵房受力情況相似，各方向拉應力水平均較低，且整體呈左右對稱分布。選取運行工況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高程平臺倒角附近有一定深度的X向（水流向）拉應力分布，最大值約為0.30 MPa（見圖3）；Y向最大拉應力0.67 MPa，出現在左右側泵站筒壁與底板交接處，為表層分布（見圖4）；Z向最大拉應力約為0.31 MPa，分布在底板下表面左右側及頂部左右側（見圖5）。底板的拉應水平較低（見圖6），在揚壓力的作用下，最大X向拉應力0.65 MPa，出現在集水井底板底面角點處；上表面最大X向拉應力為0.50 MPa左右，主要分布在跨中位置機坑附近。

圖3 運行工況1X向拉應力

圖4 運行工況1Y向拉應力

圖5 運行工況1Z向拉應力

圖6 運行工況1底板X向拉應力

5 結語

圓形干室型泵房在同類岸邊取水工程中具有代表性。通過有限元分析，在工程現場地形地質條件有限、水位變幅范圍大、外部水深大的情況下，圓形泵房結構受力合理，可充分利用材料性能，節約投資，可以為類似工程設計提供參考。