泵站工程结构布置方案比选分析

姜露露　曹邱林

摘要：刘山北站在改造时有三种结构布置型式，即主站身与虹吸式出水流道分开布置、主站身与平直管出水流道整体布置以及主站身与虹吸式出水流道整体布置，每种方案都有各自的优缺点。对各方案进行比选研究并选择最优方案是该泵站工程在设计中的一项重要工作。首先对刘山北站的三种结构布置方案进行初步比选，然后对不同工况下的三种方案进行三维有限元结构计算与分析，分析比较不同方案的水平和竖直位移，比较底板、闸墩、流道的应力状态，为刘山北站工程的结构布置方案比选提供理论依据。分析结果表明：分离式底板与虹吸式流道结合方式布置的结构的位移、应力状态较好，推荐设计时采用该方案。

關键词：刘山北站；方案比选；有限元；位移；应力

中图分类号：TU991文献标志码：A文章编号：

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

刘山北站多年来在抗御洪、涝、旱等自然灾害，保障人民生命财产安全，改善农业生产条件，促进农业的增产丰收，改善生态环境及城镇防洪、农村经济等起到了重要作用，取得了重大经济社会效益和生态环境效益，但是经过多年的运行后，存在严重的安全隐患，难以发挥其效益，必须对其进行改造。在刘山北站可研报告中，从工程量、施工复杂程度、工程投资、效率等方面已经对进水流道、底板型式、出水流道、水泵型号等不同的选择方案进行了初步比选，但没有从结构方面进行考虑。本文则采用ABAQUS三维有限元[13]软件对刘山北站几种结构布置型式在不同工况下的结构进行计算[45]，分析比较不同方案在各工况下的位移、应力[6]状态，从而从结构方面选择最优方案。

1工程概况

刘山北站建于1984年，设计流量50 m3/s，位于邳州市宿羊山境内京杭运河北岸，是江苏省江水北调第七级泵站，除翻水灌溉、保证航运外，还兼具排除车辐山洼地531 km2涝水的功能。2013年8月20日，江苏省水利厅在南京组织召开刘山北站安全鉴定会议，评定刘山北站的安全类别：建筑物为四类建筑物、机电设备为四类设备，金属结构评定为四类设备，综合评定刘山北站安全类别为四类泵站。受地形条件及现有建筑物的限制，在满足刘山北站功能的前提下，刘山北站只能在原址拆除重建。主要由进水涵洞、排涝闸、清污机桥、前池、主泵房、检修间、控制室、出水池等部分组成。下游为正向进水，上游为正向出水，上下游连接段采用直墙连接。主泵房两侧分别设检修间和控制室，主泵房长293 m，宽105 m，检修间长57 m，宽为105 m，控制[JP2]室长220 m，宽130 m。泵站设计流量483 m3/s，站室安装5台1800ZLQ立式轴流泵机组，[JP]配套TL 90028型高压电机5台套，单机功率900 kW，总装机容量4 500 kW。

方案一的优点是采用分离式底板[7]，可以减少工程投资，虹吸式出水流道[8]可靠性高，设备运行简单，管理运行方便，装置效率相对较高。缺点是站身底板和流道分开布置易出现不均匀沉降，并且虹吸式流道工程投资大，施工复杂。

方案二的优点是采用整体式底板[9]可以避免站身和流道之间出现不均匀沉降，布置也比较紧凑，直管式流道施工简单，工程投资较小。缺点是整体式底板工程投资较大，采用直管式流道水头损失较大，装置效率较低。

方案三结合了方案一虹吸式管道和方案二整体式底板的优点，但同样存在整体式底板工程投资较大、虹吸式流道施工复杂等缺点。

3结构位移、应力分析

为了对三种不同结构布置方案的应力、位移有一个更加全面的了解，从结构方面分析各方案的利弊从而选择最优方案，现对刘山北站三种结构布置进行ABAQUS三维有限元分析[1113]。

3.1计算模型

刘山北站各构件除交通桥材料为C50混凝土外，其余构件材料均为C30，地基材料为含砂礓壤土。为了较好地反映体系的相互作用[14]，地基模型的计算范围要足够大[15]。计算时取地基的长度、宽度为站身长、宽的3倍，地基的高度为站身高度的2倍，底板与地基相互作用方式为接触[1617]。刘山北站结构采用线弹性材料模拟[1819]，土体为弹性材料[20]，由于土体自重产生的变形已基本完成[21]，故计算中不计入土体自重引起的应变。划分网格时网格单元类型采用标准的四节点线性四面体减缩积分单元[22]，最终三种方案站身和流道的网格模型见图2。其中方案一单元总数为429 738个，结点总数为293 079个；方案二单元总数为316 492个，结点总数为213 015个；方案三单元总数为268 496个，结点总数为399 073个。[FL）]

3.2基本荷载

模型施加的荷载主要包括固定荷载、回填土荷载、水荷载。

固定荷载主要是站身、流道等结构的自重；土荷载根据《水工建筑物荷载设计规范》（SL 744-2016）[23]墙[HJ2.3mm]后水平土压力按主动土压力计算，边荷载按垂直土重计算；水荷载根据刘山北站可行性研究报告提供的情况进行加载，主要加载工况见表2，计算水压力和扬压力（浮托力和渗透压力）。

3.3计算结果

三种方案的模型均在7种工况下进行运行，根据计算结果对结构的位移、应力分别进行研究。

]3.3.1结构位移分析

分析各方案在不同工况下的位移云图，选取工况七作为典型工况，[HJ1.65mm]典型工况下的水平位移、竖直位移（沉降）云图见图3、图4。

根据各方案不同工况下的位移云图，对结构水平位移、竖直位移以及沉降差进行统计，绘制出三种方案在7种工况下位移最大值的变化曲线并分析，具体见图5。

由图5可知，方案一的最大水平位移值为1825 mm，最大沉降值为7465 mm，未超过规范[24]允许最大沉降值150 mm，满足要求。方案二的最大水平位移值为1003 mm，最大沉降值为4747 mm，未超过规范允许最大沉降值150 mm，满足要求。方案三的最大水平位移值为1736 mm，最大沉降值为8853 mm，未超过规范允许最大沉降值150 mm，满足要求。[JP]

由图5（a）可知，由于方案二的底板在顺水流方向上的长度以及流道段的高度比较小，因此方案二结构布置型式的固定荷载即结构自重较小，故方案二的水平位移最大，位移值基本维持在70～100 mm之间，最大值达到1003 mm。方案一与方案三的水平位移在各工况下的值变化不大且均比方案二的值小，位移值基本在20 mm以内。

[JP2]由图5（b）可知，同样由于自重的原因，方案二的沉降最大值相比较方案一、方案三而言较小。并且由图可以看出，[HJ1.95mm]三种方案在7种工况下沉降值的变化趋[JP3]势一样，因工况三的站下水位为最低水位2020 m，引起的扬压力最小，导致沉降值为几种工况下最大，相反，工况四站下水位为最高水位2320 m，沉降值最小。[JP]

结合图5（b）至5（d）可知方案二在各工况下的沉降值都最小。方案三的最大沉降值最大，最小沉降值与方案一基本一致，故方案三的沉降差值最大。方案二沉降差值的变化幅度较大，相对不稳定。

經分析比较，方案二在各工况下的沉降值最小，但水平位移值、沉降差变化值较大，方案一、方案三在各工况下的最大水平位移值都较小，且位移值变化幅度较小，结构较稳定。

[BT4]3.3.2结构应力分析

分析各方案在不同工况下的应力云图，选取工况七作为典型工况，典型工况下的主拉应力、主压应力云图见图6、图7。

根据各方案不同工况下的应力云图，对结构底板、闸墩、流道等构件的主拉应力、主压应力值进行统计，绘制出三种方案在7种工况下主拉应力、主压应力变化曲线并分析，具体见图8。

由图8（a）至图8（e）可知，方案一各部件的最大主拉应力在底板面层处为124 MPa，在底板底层处为048 MPa，在边墩处为085 MPa，在中墩处为106 MPa，在流道处为045 MPa；方案二各部件的最大主拉应力在底板面层处为213 MPa，在底板底层处为104 MPa，在边墩处为203 MPa，在中墩处为257 MPa，在流道处为027 MPa；方案三各部件的最大主拉应力在底板面层处为145MPa，在底板底层处为075 MPa，在边墩处为099 MPa，在中墩处为041 MPa，在流道处为032 MPa。其中各方案的底板面层最大主拉应力值、边墩最大主拉应力值均超过了C30混凝土允许抗拉强度[25]，方案二、方案三的底板底层最大主拉应力值、方案一、方案二的中墩最大主拉应力值也都超过了C30混凝土允许抗拉强度，但各方案的流道主拉应力值均未超过材料允许值，满足规范要求。

由图8（a）、8（b）可知，三种方案的底板主拉应力均是方案二应力值最大，方案三其次，方案一最小，且三种方案在7种工况下应力值变化趋势基本一致；方案一的底板底层主拉应力值在037～048 MPa，未超过材料允许拉应力值，满足规范要求，而方案二、方案三底板底层主拉应力分别为074～104 MPa、064～075 MPa，均超过材料允许拉应力值；三种方案底板面层主拉应力值均较大，超出允许抗拉强度，但可以通过配筋来提高底板面层结构承载力。

由图8（c）、8（d）可知，方案二边墩、中墩的最大主拉应力值均超过20 MPa，比其他两种方案在各工况下的应力值都大，三种方案7种工况下闸墩应力值除方案三中墩应力值在037～041 MPa，未超过允许值外，其余情况下的应力值都较大，超出允许抗拉强度，但可以通过配筋来提高闸墩结构承载力。

由图8（e）可知，方案一、方案三由于都采用虹吸式出水流道，故两种方案的流道应力值在各工况下变化趋势一致，而方案二、方案三的流道应力值接近，均比方案一应力值小，但方案一的流道应力值为033～045 MPa，未超过材料允许拉应力值，满足规范要求。

结合以上分析，方案一、方案三的主拉应力相对较小，且分布较均匀。

由曲线图图8（f）至8（j）可知，方案一各部件的最大主压应力发生在中墩处，最大值为250 MPa；方案二各部件的最大主压应力发生在中墩处，最大值为478 MPa；方案三各部件的最大主压应力发生在底板底层处，最大值为320MPa。各方案各部件在各工况下的最大主压应力值均未超过材料允许值，满足规范要求。

由图8（f）、8（h）、8（i）可知，方案二的底板面层主压应力为301～359 MPa，边墩主压应力为231～236 MPa，中墩主压应力为468～478 MPa，均比方案一、方案三相应部件在各工况下的应力值大，且方案二应力值变化趋势相对稳定，方案一、方案三应力変化趋势基本一致。

由图8（g）可知，方案一底板底层的主压应力为147～175 MPa，小于方案二、方案三底板底层应力。由图8（j）可知，方案一出水流道的主压应力最大，方案三其次，方案二流道应力值最小。

综上分析，三种方案各部件在各工况下的最大主压应力值都较小且均未超过材料允许值，满足规范要求。

4结论

（1） 本文利用ABAQUS三维有限元软件对刘山北站的三种结构布置型式进行位移、应力计算，可较全面地反映各部件的位移、应力状态。

（2） 三种方案在各工况下的最大水平位移、最大沉降值均未超过规范允许值，其中方案一的水平位移值较小，沉降值变化较小，结构较稳定。

（3） 方案一的应力条件较好，底板、闸墩最大主拉应力值都较小且在各工况下应力值较均匀，部分部件的主拉应力超过材料允许应力值，可采取一定的措施来提高各部件的承载力。

（4） 三种方案的最大主压应力值均未超过混凝土允许抗压强度值，满足规范要求。

（5） 结合结构的位移、应力状态，方案一的结构布置型式最优，推荐使用方案一的布置型式。

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