阳谷县陶城铺灌区引黄闸后泵站设计探究

任国勇

（山东省阳谷县水利局，山东阳谷 252300）

1.项目背景

陶城铺引黄灌区位于山东省聊城市南部，南临金堤河，北靠位山灌区，东与东阿县相邻，小运河、赵王河自南向北从灌区东部、中部穿过，灌区土地总面积107.5万亩，设计灌溉面积74万亩，工程等别为Ⅱ等。由于黄河多次调水调沙，造成陶城铺引黄闸处河槽下切近两米，致使陶城铺引黄闸无法正常引用黄河水，目前，黄河部门正推进实施改造引黄闸可研工作，工程研究中陶城铺引黄闸处设计引水位为37.62m，设计流量为50m3/s。陶城铺输沙渠渠首处渠底高程约为37.93m，拟建泵站处渠底高程为38.00m，在引黄闸设计引水位37.62m时现状输沙渠将完全无法引水[1-2]。陶城铺灌区现有渠系配套基本完善，若改造渠系则投资巨大，实施难度大。

因此，充分利用灌区已有渠系，在改造引黄闸的前提下，在渠首建设提水泵站是十分必要的。

2.泵站指标

（1）设计流量，泵站设计流量35m3/s。

（2）泵站特征水位。

站前水位：

站前设计水位：取改建引黄闸的设计引水位为37.62m，考虑引黄闸水头损失0.1m，闸后设计水位37.52m，按此推出的输沙渠在设计底宽为18.3m，以此渠道底宽计算输沙渠在35m3/s时对应水位作为站前设计水位，经计算站前设计水位为37.07m[3]。

站前最高水位：为输沙渠在加大流量时水位37.92m确定为站前最高水位。

站前最低水位：按照泵站设计规范，站前最低水位为泵站最小运行流量时的水位，根据黄河来水情况，在黄河低水位时满足泵站运行1台泵、对应单泵流量5.0m3/s时作为泵站站前最低运行水位。据此确定对应渠道5m3/s时的设计水深为0.5m、相应设计水位36.02m确定为站前设计最低水位[4]。

站后水位：

站后设计水位：按泵站设计流量35m3/s的水位考虑确定，则站后设计水位41.0m。

站后最低水位：按照泵站设计规范，站前最低水位为泵站最小运行流量时的水位，与此对应，泵站单泵流量5.0m3/s时出水渠水位作为泵站站后最低运行水位，经计算则站后最低水位为38.85m，由于此水位比出水管中心线高程低，故取出水管中心线高程为最低水位为39.909m。

站后最高水位：泵站共装设8台泵，按泵全开时流量40m3/s时水位为最高水位，为41.3m。

（3）特征扬程。

泵站设计扬程：按泵站站后、站前设计水位差（41.0-37.07=3.93m），计入水头损失，为5.30m。

泵站最高扬程：按泵站站后最高水位、站前最低水位差（41.3-36.02=4.98m），并计入水力损失确定，为6.50m。

泵站最低扬程：按泵站站后最低水位、站前最高水位差（39.909-37.92=1.989m），并计入水力损失确定，为2.95m。

3.渠首泵站布置

（1）连接段：布置在泵室前端，为连接渠底与泵室的过渡建筑物。

（2）泵室：受地形条件制约，泵室布置在节制闸东侧，共布置8台水泵，“一”字型布置，泵室宽21m，泵室底板高程为32.826m，底板厚1.0m，两侧墙为重力式挡土墙，均为钢筋混凝土结构。为方便检修，泵房（一层）建筑面积385.4m2，在泵室顶部布置排架柱，设置双梁桥式起重机。在泵室布置拦污栅。

（3）出水池：泵站为侧向出水，出水池净宽8.0m，为重力式挡土墙结构，底板首端高程为38.100m，均为钢筋混凝土结构。

（4）出水渠道：连接出水池与上游输沙渠道的连接渠，为渠宽8m的矩形渠道，钢筋混凝土结构。

（5）配电系统：架设14km专用供电线路，从终端杆采用电缆直埋方式引入高压配电室。泵站装设8台高压水泵，10kV供电线路直接提供电源；一台SCB11-100kV·A/10/0.4kV站用变压器。站用变压器为泵站0.4kV电气设备、照明设备提供电源。

4.泵室稳定计算与分析

4.1 荷载组合

计算工况与荷载组合按照《泵站设计规范》（GB 50265-2010）中表6.3.3的规定，根据泵站的实际运用情况，对其进行运行工况分析和荷载组合分析，荷载组合分为基本组合和特殊组合，基本组合分别计算完建情况和正常运行情况（出水池水位41.00m，上游输沙渠水位37.07m），特殊组合是正常运行情况遭遇7度地震[5]。

4.2 计算公式

抗滑稳定采用《泵站设计规范》（GB 50265-2010）中6.3.4-1公式计算，基底应力采用《泵站设计规范》（GB 50265-2010）中6.3.8-1公式计算，抗浮稳定采用《泵站设计规范》（GB 50265-2010）中6.3.6公式计算。

（1）基础底面的抗滑稳定安全系数计算公式：

式中：

KC—抗滑稳定安全系数；

∑G—作用于泵室基础底面以上的全部竖向荷载（包括泵室基础底面上的扬压力在内，kN）；

∑H—作用于泵室基础底面以上的全部水平向荷载（kN）；

F—泵室基础底面与地基之间的摩擦系数，取0.25。

（2）基础底面应力计算公式：

式中：

2.1 苹果虎皮病 苹果虎皮病发病初期，果皮呈淡黄褐色，表面平或略有起伏，或呈不规则块状，以后颜色逐渐变深，呈褐色至暗褐色，稍凹陷。病部果皮可成片撕下，皮下变为褐色。病果肉绵，略带酒味。病变多发生于果实阴面未着色部分，严重时才延及阳面着色部分。虎皮病虽然不影响果实风味，但严重影响果实外观，降低商品价值。

∑G—作用于泵室基础底面以上的全部竖向荷载（包括泵室基础底面上的扬压力在内，kN）；

∑M—作用在基础底面以上的全部竖向和水平向荷载对于基础底面垂直水流方向的形心轴的力矩（kN·m）；

A—泵室基础底面的面积（m2）；

W—泵室基础底面对于该底面垂直水流方向的形心轴的截面矩（m3）。

（3）抗浮稳定计算公式：

式中：

Kf—抗浮稳定安全系数；

∑V—作用于泵室基础底面以上的全部重力（kN）；

∑U—作用于泵室基础底面以上的扬压力（kN）。

（4）计算成果：

泵室稳定计算成果详见表1。

表1 泵室稳定和地基应力计算成果表

当上游输沙渠水位达到最高水位39.72m，泵室抗浮稳定安全系数Kf=1.34>1.10。

（5）成果分析：泵室坐落于第五层，该层天然地基允许承载力为115kPa，根据《泵站设计规范》（GB 50265-2010）附录B泵房地基允许承载力计算，施工完建期、地震工况均不满足规范要求：平均基底应力不应大于地基允许承载力，最大基底应力不应大于地基允许承载力的1.2倍[6-7]。

由以上计算知，施工完建期、地震工况均不能满足要求，需要采取地基处理措施，本可研报告选用灌注桩作为提高地基承载力的方式，见表2。

表2 泵室桩长计算成果表

根据以上计算，上部荷载为113615.52kN。可研考虑直径1.2m灌注桩分布于泵室下方，共54根。

依据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2008），单桩竖向极限承载力标准值为：

式中：

Quk—单桩竖向极限承载力标准值（kN/根）；

qpk—桩端土的极限端阻力标准值（kPa）；

AP—桩截面积（m2），AP＝3.14×0.62＝1.13m2；

μ—桩周长（m），μ＝3.14×1.2＝3.77m；

qsik—桩侧第i层土的极限侧阻力标准值（kPa）；

li—第i层土厚度（m）。

则承载力标准值为：

考虑地震作用下的承台效应的复合基桩竖向承载力特征值R：

式中：

ηc—承台效应系数；

fak—承台下1/2承台宽度且不超过5m深度范围内各层土的地基承载力特征值按厚度加权的平均值，kPa；

Ac—计算基桩所对应的承台底净面积，m2；

Aps—为桩身截面面积，m2；

A—为承台计算域面积，m2。

计算得R=5212.46/2+104=2710.23kN。

桩自重：0.5×3.14×0.62×22×25×1.1=279.77kN。

外力（每根桩）：

考虑地震：2383.76×1.1=2622.14kN。

容许承载力（单桩）R=2710.23＞2622.14kN，满足要求。

5.结论

基于以上计算，最终确定选用1400ZLB-125型普通轴流泵8台，“一”字型布置，7用1备，出水管径为Φ1400mm，配套电机为355kW，叶片安装角度0°，单泵设计流量为5.0m3/s，设计扬程为5.3m；考虑直径1.2m灌注桩分布于泵室下方，共54根，如图1所示。

图1 剖视图