泵站更新改造的复核计算分析

郭承乾

(佳木斯市水利勘测设计研究院，黑龙江佳木斯154002)

泵站更新改造的复核计算分析

郭承乾

(佳木斯市水利勘测设计研究院，黑龙江佳木斯154002)

佳木斯市汤原县是振兴全区泵站自1991年投入运行以来，存在保证率低，达不到设计灌溉能力，究其原因是主机老化严重，泵房失修等隐患问题，必须进行更新改造。为此，通过分析和计算，提出相应的复核结论及对策、建议，为泵站的更新改造提供技术依据。

泵站;复核;安全;稳定;强度

0 前言

振兴灌区泵站始建于1984年，1991年投入运行，泵站保证率低，达不到设计灌溉能力;主体工程存在安全隐患、主机组老化严重、泵房失修等严重问题。汤原县振兴灌区泵站存在的问题，对汤原县的农业生产、排灌、防洪、生态环境安全均已构成严重威胁。复算计算分析，以实事求是、突出重点作为标准，以泵站目前存在的问题为依据，客观真实，有重点地进行分析和计算，为泵站更新改造提出相应的复核结论及对策、建议。

1 泵站工程规模及基本参数

1.1 泵站基本参数

根据行业规范，结合本地区实际情况，以及更新改造维持原规模、原标准的原则，泵站的建筑物级别按泵站本身装机功率或装机流量确定;穿堤建筑物级别、防洪标准不低于所在堤防的级别和防洪标准［1］。泵站规模、工程等级、建筑物级别及防洪标准见表1。

表1 泵站工程等别和建筑物级别汇总表

水位直接采用水文分析成果。振兴灌区泵站特征水位、扬程及设计流量复核见表2。

表2 振兴灌区泵站特征扬程及设计流量复核

1.2 安全系数

本工程泵房为3级建筑物，稳定计算的最小安全系数见表3。

表3 稳定计算安全系数允许值

2 泵站复核内容

依据《现场安全检测报告》中相关部分描述，复核内容如下:①泵站防渗和消能防冲安全;②泵房稳定;③地基应力及不均匀系数;④电机梁抗弯强度;⑤引渠过流能力;⑥防洪安全［2］。

3 复核计算

3.1 防渗和消能防冲安全复核

3.1.1 泵站抗渗安全复核

3.1.1.1 复核公式及相关参数

本次泵房的抗渗复核计算，主要是地基实际渗透比降和地基允许比降的计算，只有当J地基＜［J］时，泵房才能满足渗透稳定要求。地基实际渗透公式为:

式中:L为泵房的实际渗径长度，m;△H为泵房进、出水侧水位差，m。

3.1.1.2 复核计算结果

选择泵站站前水位为最低运行水位，站后水位为最高运行水位的工况进行防渗安全复核。本次泵房抗渗复核计算成果见表3。

表4 泵房抗渗复核计算成果

经过复核，振兴灌区泵站泵房抗渗均满足要求。

3.1.2 消能防冲安全复核

3.1.2.1 出水池长度确定

采用以下2种方法进行综合确定:

水面旋滚法计算公式为:

式中:L为出水池长度，m;K为系数;h淹最大为出水管口最大淹没深度。

淹没射流法计算公式为:

式中:L为出水池长度，m;v0为管道出口平均流速，m/s;v渠为渠道进口平均流速，m/s;D0为管道出口直径，m。

3.1.2.2 出水池宽度确定

出水池最小单管出流宽度可按B单≥(2～3)D出水管控制。

3.1.2.3 管口下缘至池底距离P确定

此距离主要用以防止池中泥沙或杂物等淤塞出水口，一般采用:P=10～20 cm。

3.1.2.4 管口上缘最小淹水深度确定

管口上缘最小淹水深度公式为:

式中:h淹最小为管口上缘最小淹水深度，m;v0为管道出口平均流速，m/s。

3.1.2.5 出水池底板高程确定出水池底板高程计算公式为:

式中:hmin为最小淹没深度。

3.1.2.6 海漫长度

海漫长度计算公式为:

式中:q为出水池出口单宽流量，m3/s;△H为上下游水位差，m;K为系数，视出水池的状况和河床土质的允许流速而定，本次计算取K=10。复核结论:振兴灌区泵站满足消能防冲要求。计算成果见表4。

表4 泵房消能防冲计算成果表

3.2 进、出水渠过流能力复核

3.2.1 引渠过流能力复核

针对可能出现的设计水位，对机组全部开机工况时复核。加大流量:Q=8.95m3/s。

按明渠均匀流公式复核，计算公式为:

式中:n为渠道糙率，0.0275;R为渠道过水断面水力半径;i为渠道比降1/1000。

Q=A × V=5.23 m3/s＜8.95 m3/s，在松花江水位较低的情况下，泵站引渠泥沙淤积严重，难以引水，振兴灌区泵站引渠过流能力不满足要求。

3.2.2 前池水流条件复核

对于前池，《泵站设计规范》仅有原则性的规定，如:正向进水的前池，扩散角应≤40°，底坡不宜陡于1∶4。前池由陡坡段变水平段后与进水流道衔接，在设计水位下，其容积需符合规范规定值30～50倍设计流量的要求。振兴灌区泵站前池淤积严重，不满足过流要求;其他泵站前池满足过流要求。

3.2.3 尾水渠过流能力复核

出水渠道过流能力按明渠均匀流计算公式为:

式中:n为渠道糙率，0.0275;R为渠道过水断面水力半径;i为渠道比降。

振兴灌区泵站由于引渠前有沙岛，抽水时夹裹大量沙子进入尾水渠，造成尾水渠的淤积，尾水渠的过流不满足要求，其他泵站尾水渠过流满足要求，满足不冲不淤要求。

3.3 泵房稳定及地基应力复核

3.3.1 基本假定

泵房整体稳定分析以整个主厂房结构长度进行计算。作用荷载包括厂房底板、侧墙、机座、上部厂房等的自重及设备重，静水压力、土压力、扬压力、地震荷载及其它荷载。

3.3.2 荷载组合

3.3.2.1 基本荷载组合

此种情况为正常运用期，即上游为设计水位，下游为设计水位，机组全部投入运行。

3.3.2.2 特殊荷载组合

检修情况是指停泵进行检修阶段，考虑前池无水，下游为地下水位，机组全部停运检修。

特殊荷载情况为非常运用期，即上游为校核洪水位，下游为最高水位，机组全部投入运行。

3.3.2.3 计算内容及公式

1)抗浮稳定验算计算公式为:

式中:Kf为抗浮稳定安全系数;∑V为作用于泵房基础底面以上全部重力，T;∑U为作用于泵房基础底面以上的扬压力，T;［Kf］为允许抗浮稳定安全系数;基水组合［Kf］=1.10，特殊组合［Kf］=1.05。

2)抗滑稳定安全系数计算公式为:

式中:［Kc］为抗滑稳定安全系数;∑G为作用于泵房基础底面以上全部竖向荷载(包括泵房基础面以上的扬压力)，T;∑H为作用于泵房基础底面以上全部水平荷载，T;f'为泵房基础底面与地基之间摩擦系数(包括齿墙作用);C0为泵房基础底面与地基之间黏结力;A为泵房基础底而面积，m2;［Kc］为允许抗滑稳定安全系数;3级建筑物基本组合:［Kc］=1.25，特殊组合［Kc］=1.10 或1.05。

3)抗倾覆稳定:根据《泵站设计规范》(GB/T50265—97)规定，如果建筑物底面应力不均匀系数得到控制，满足规范要求，那么建筑物的抗倾覆稳定安全能够满足。

4)泵房基础底面应力计算公式为:

3.3.3 复核计算成果

泵房的稳定复核和地基应力计算成见表5。

经复核，振兴灌区泵站满足抗滑、抗浮稳定及大小应力比要求，厂房满足稳定要求。

3.4 结构强度复核

振兴灌区泵站的水泵为轴流泵，对振兴灌区泵站进行电机梁的结构复核。

由于《黑龙江省汤原县振兴灌区泵站现场安全检测报告》和《黑龙江省汤原县振兴灌区泵站现状调查报告》未对厂房内混凝土结构部分进行详细描述，本阶段仅针对电机层结构主梁进行复核。

表5 泵房稳定及应力复核成果表

3.4.1 计算说明

主梁净跨5.2 m，矩形断面，梁宽400 mm，梁高800 mm。电机梁混凝土强度推定值为18.2 MPa，碳化深度12 mm，因此混凝土强度按竣工图中C15取值，钢筋受力筋用I级，箍筋用I级。泵站建筑物级别为3级，结构级别为Ⅱ级，结构重要性系数为γo=1.0，设计状况系数Ψ =1.0，承载力极限状态结构系数为 γd=1.2。

钢筋混凝土结构容重按25 kN/m3计，结构自重作用分项系数为γg=1.05，设备自重作用分项系数为 γg=1.05，电机层楼面均布荷载标准值为1.4 kN/m2，楼面荷载的分项系数为 γq=1.2，动力荷载系数为 1.3。

3.4.2 计算假定

1)主梁支撑在两侧边柱上，主梁为固结在立柱上的单跨固端梁计算。

2)支撑梁系所受的荷载均认为是集中荷载。

3)假定以水泵轴承在动力情况下工作进行复核。

3.4.3 荷载计算

主梁净跨5.2 m，计算跨度5.5 m。

1)电动机大梁自重q1=8.4 kN/m;

2)电动机传来的动荷载(考虑电动机轴承在动力情况下工作)P2=53.5 kN;

3)楼面静荷载q2=10.24 kN/m;

4)楼面活荷载q3=1.68 kN/m。主梁计算时，按支撑在两侧边柱固端梁考虑。

跨中弯矩:M=Pab/L(集中荷载)M-qL2/8(均布荷载);固端弯矩:M=Pa2b/L2(集中荷载)M=qL2/12(均布荷载)。经计算主梁Mmax=150.40 kN·m。

3.4.4 内力及配筋计算

考虑梁截面宽度及受力情况，按单层配筋，抗弯计算公式为:

式中:fc为混凝土轴心抗压强度设计值，N/mm2;αs为截面抵抗矩系数;ξ为相对受压区计算高度;As受拉区纵向钢筋截面面积，mm2。

经内力分析和配筋计算主梁需要钢筋982 mm2，实配3Φ16，As=603 mm2＜982 mm2，所以不满足要求。电机层主梁复核结论:经计算，电机层主梁抗弯主筋不满足结构配筋要求。故梁的抗弯强度不满足要求。

3.5 抗震强度复核

根据国家标准《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2001)，本区地震动峰值加速度 ＜0.05 g，地震动反应谱特征周期为0.35 g，相应地震烈度为Ⅵ度。根据《水工建筑物抗震设计规范》(DL 5073—2000)，设计烈度为6度时，可不进行抗震设计。

3.6 防洪安全复核

振兴灌区泵站建筑物级别为3级，设计洪水重现期为30 a，校核洪水重现期为100 a。设计洪水位为77.10 m，校核洪水位为77.77 m。振兴灌区泵站的电机层高程为75.40 m，低于设计洪水位77.10 m。经复核，振兴灌区泵站不满足防洪要求。

4 复核结论及建议

振兴灌区泵站的引渠过流能力不满足要求。泵房稳定和地基应力满足要求，泵室电机梁开裂，裂缝宽度不满足要求，强度不满足要求;出水池过流不满足要求;尾水渠淤积，过流不满足要求，泵站不满足防洪安全要求。根据计算结果分析，建议对泵站拆除重建。

［1］扬州大学水利科学与工程学院，江苏省水利厅.SL316—2004泵站安全检定规程［S］.北京:中国水利水电出版社，2005.

［2］中华人民共和国水利部.GB/T50510—2009泵站更新改造技术规程［S］.北京:中国计划出版社，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，甘肃环县人，工程师。