新安水厂取水泵站型式选择及结构分析

2022-06-24胡京川

广西水利水电 2022年3期

胡京川

（广西水利电力勘测设计研究院有限责任公司，南宁 530023）

1 工程概况

桂平市城区地处黔江、郁江、浔江三江汇流的交界处，过境水资源量丰富，桂平市城区既是西江工业走廊和红水河能源工业带结合部，又是连结华南经济区和西南经济区的纽带，地理位置优越，新安水厂水源为黔江，为桂平市城区供水的主要净水厂[1]。受大藤峡水库工程施工影响，桂平市政府计划建设一座安全保障度高的固定式泵站，保障桂平市城区居民用水安全。

本工程新建泵站近期水平年2025 年设计流量1.55 m3/s，远期水平年2030 年设计流量2.31 m3/s。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL 252-2017）确定桂平市的城市规模为重要城市，相应的泵站工程等别为Ⅱ等，大（2）型泵站。

本工程主要建筑物为取水泵站1 座，泵站建筑物由进水池、提水泵房、出水管和副厂房等组成。泵站进水池长10.5 m，宽18.0～24.0 m，两侧导水墙以泵房轴线为中心对称布置，进水池前端设喇叭口状进水渠；提水泵房为单筒圆形结构，内径为18.0 m，挡水高度21.5 m，总高度为38.0 m，筒壁采用变厚度设计，52.5 m 高程以下筒壁厚度为2.0 m，52.5 m高程以上筒壁厚度为1.5 m，底板厚2.5 m；水泵按双列式相互交错布置，近期先安装3 台水泵（2 用1备），远期再增加1台（3用1备），近期总装机容量为840 kW。出水管单机单管管径为0.7 m，并管后管径为1.6 m，各出水管总长203.0 m。

2 工程布置基本条件

（1）设计水位。根据水文分析计算，泵站最高运行水位为61.16 m，最低运行水位为44.27 m，大藤峡水库正常蓄水后取水泵站设计运行水位44.47 m。

（2）地形地质条件。泵站位于黔江右岸斜坡上，地形较陡，自然坡度为15°～32°，地面高程为10～69 m，河岸岸坡有基岩出露，坡面呈陡坎状，坡度55°～65°，局部近直立。覆盖层为第四系全新统残坡积层（Q4edl）混碎块石粉质黏土，褐黄色夹浅红色，稍湿，硬塑状，层厚为1.6～4.6 m。下伏基岩为泥盆系下统莲花山组上段（D1l2）中厚层状泥质粉砂岩夹细砂岩，强风化带厚度2.5～8.5 m。岩层产状为N5°～15°E，SE∠13°～18°，岩层视倾角顺坡。勘察期间钻孔所揭露地下水位高程约48.0 m，靠近江边处水位高程约为46.0 m。

3 泵房的型式选择

影响泵房结构类型的因素主要有水泵结构及性能、水位变幅的大小、施工场地地形影响等[2]。根据站址选择结论，泵房位于大藤峡坝址上游约1.4 km、弩滩对面的右岸岸坡处，泵房下伏基岩覆盖层较厚，竖井式泵站在地质条件上不适宜，且考虑大藤峡水库已初期蓄水运行的现状，竖井式泵站进水段施工难度极大；本项目水位变幅较大，适应本工程流量规模及水位变幅的可选潜没式机组不多，因此不考虑潜没式泵站型式；对于移动式泵站，考虑运行管理的风险较大，安全保障度不够高，也不宜作为城市主要的供水水源泵站；若采用立式长轴泵机组，泵房布置为矩形，由于立式长轴泵机组流量较小，选择的机组台数较多，且适应本工程水位变幅的该类型机组国内少有设备提供商，需要定制或采用进口机组，设备费用高，由于泵的立轴长度偏大，运行稳定性不佳。而开敞固定式泵站取水稳定，安全保障度较高，适宜作为城市长期稳定供水的取水口。因此泵房型式采用开敞固定式泵房。

为协调水泵机组的布置，对矩形泵房和圆形泵房进行比选。①矩形泵房是常见的干室型泵房之一。便于设备布置、维护管理及与进出水管路、进出水池的布置，安装机组台数多的情况下布置优点明显。但当挡水高度增加，其受力条件越来越差，侧墙和底板的断面尺寸增大、钢筋混凝土用量增多。②圆形干室型泵房具有较好的受力条件，可以节省建筑材料。当水位变幅大于10 m 时圆形泵房较为有利。但圆形泵房内机组和管路布置不如矩形泵房方便，容易互相干扰，一般在机组台数少的时候采用为宜。

由于本工程泵房建于大藤峡水库边，水库的洪、枯水位变幅较大，泵房水下边墙结构将承受高达约21.5 m水头的外水压力，圆筒形的结构受力条件好，可极大地减小结构断面，降低工程量和投资。因此采用圆形泵房方案。

4 泵房结构受力分析

4.1 荷载及工况

泵房外部水头变幅较大，承受高达约21.5 m水头的外水压力，为满足抗浮稳定要求，在泵房两侧及出水侧进行回填土压实。同时结合出水管弯管段的稳定要求，在出水侧45.0 m 高程设置平台，起到镇墩及增大土重的双重作用。综合分析泵房受力情况，除了受到外部水压力、扬压力作用外，泵房主要外部作用为周围填土的土重及土压力。

根据泵站运行的水位，分别选取了完建工况（无水）、运行工况1（最高水位）及运行工况2（最低运行水位）3种工况进行结构受力计算，工况及荷载组合见表1，泵房受力简图见图1。

表1 计算工况及荷载组合

图1 泵房受力计算简图

4.2 分析建模

泵站结构用三维实体单元SOLID 185 模拟，模型网格以六面体为主，少量为五面体及四面体，网格长度约0.25 m。基础方面，水平方向较泵站向外延伸40.0 m，地基深度取50.0 m。整体模型见图2。

图2 有限元分析模型

4.3 有限元分析结果

对不同工况进行有限元分析，在各工况下，泵房受力情况相似，各方向拉应力水平均较低，且整体呈左右对称分布。选取运行工况1作为典型工况加以分析：在土压力和土重的共同作用下，在45.00 m高程平台倒角附近有一定深度的X向（水流向）拉应力分布，最大值约为0.30 MPa（见图3）；Y向最大拉应力0.67 MPa，出现在左右侧泵站筒壁与底板交接处，为表层分布（见图4）；Z向最大拉应力约为0.31 MPa，分布在底板下表面左右侧及顶部左右侧（见图5）。底板的拉应水平较低（见图6），在扬压力的作用下，最大X向拉应力0.65 MPa，出现在集水井底板底面角点处；上表面最大X向拉应力为0.50 MPa左右，主要分布在跨中位置机坑附近。