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水利泵站增容扩建工程规划设计与稳定性分析

2025-02-16 44 上传者：管理员

摘要：某灌区河道泵站增容工程的设计方法为在保留原有泵站的基础上，在河对岸根据设计所需的流量要求新建二号泵站，工程复杂性较高，且场地存在软弱土层和易于渗透破坏的砂性土对工程稳定性影响较大。为保障该工程的安全与质量，本文对其泵站增容设计要点进行阐述并对其稳定性进行详细分析，分析结果表明现有设计方案在抗滑稳定性与抗渗稳定性方面能够满足工程建设需求。本文研究结果对于本工程后续建设工作的开展具有一定指导意义。

关键词：
地基处理
泵站增容
渗流稳定性
稳定性分析
设计要点
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灌区工程作为农业发展的重要取调水水利工程建筑物,对我国农业､林业发展以及保障粮食安全､农村社会经济发展具有十分重大的意义[1]｡灌区工程一般由水源工程､渠道工程以及控制建筑物等组成,其中控制建筑物主要起到控制水流､合理安排灌溉的作用,是灌区工程的核心内容[2]｡我国灌区大多建于上世纪,部分泵站部分往往会出现设备､建筑老化问题,影响灌区水资源利用效率[3]｡基于此,本文以实际工程为研究对象,深入分析在软土及易于渗透破坏的砂性土的建设背景下,在现有泵站基础上新建泵站的泵站增容工程稳定性,以期为工程后续建设的安全稳定和相关工作的开展提供借鉴｡

1、工程建设条件

1.1工程概况

某河道泵站始建于20世纪90年代,该泵站现有9台机组,设计流量30m3/s,承担灌区主要抽水任务｡随着灌区农田种植业的发展,该泵站无法满足使用需求,需进一步增容20m3/s｡

1.2工程地质及水文地质条件

根据勘探孔揭露,河道沿线揭露地层为冲洪积地层,根据沉积时代､土层岩性及工程性质对地层进行划分,各地层土层物理力学指标见如表1所示｡

河道沿线及各建筑物场地地下水为松散岩类孔隙水,主要含水层为第①层砂壤土夹粉砂､③1层粉砂｡其中第①层砂壤土夹粉砂含水层类型为潜水,透水性及富水性中等｡第③1层粉砂含水层类型为潜水,局部为微承压,透水性及富水性中等｡地下水主要接受大气降水､河水和其它地表水的入渗补给,以自然蒸发､人工开采和侧向径流以及层间越流补给为主要排泄方式｡场地内①1､①2､①3层淤泥质壤土､②层壤土透水性相对较弱,均可视为场地内相对隔水层｡

2、设计要点

该泵站的增容设计思路为在原有泵站的基础上建设二号泵站｡与现状泵站平行布置,两站中心距约49m,正向进水,正向出水｡站下引渠与设计河道中心线平行布置,河坡坡比1:4,南侧河坡直线段长约103m｡北侧全部开挖,与现状闸站引渠贯通｡泵室采用块基型结构,泵站安装5台立式轴流泵机组,单列布置,泵站采用肘形流道进水､铸铁管出水｡进口断面4m×3.0m(宽×高)｡泵室底板顺水流方向总长30m,垂直水流方向总长27.4m｡机组中心距为4.8m,主厂房总长30.4m,总宽12.2m｡

3、稳定性分析

3.1抗滑稳定性分析

为进一步论证泵站设计方案,对泵站泵室､站下翼墙以及下游出水池稳定性进行计算,抗滑稳定安全系数分析公式如下[4]:

式中:Kc为抗滑稳定安全系数;ΣG为作用于底板底面以上的全部竖向荷载,kN;ΣH为作用于上的全部水平向荷载,kN;f为底板底面与地基之间的综合摩擦系数｡

基底地基应力计算公式如下[5]:

式中:Pmaxmin为基础底面应力的最大值或最小值,kPa;ΣM为作用于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向的形心轴的力矩,kN·m;W为基础底面对于该底面垂直水流向的形心轴的截面矩,m3;A为基础底面面积,m2

基底与地基之间的摩擦系数f0应按下式进行计算:

式中:f0为基底与地基之间的摩擦系数;∑G为作用于基础底面以上的全部竖向荷载,kPa;A为基础底面面积,m3;φ0为基底与地基之间的内摩擦角,°;C0为基底与地基之间的凝聚力,kPa｡

根据水闸所处工程地质环境与工程建设实际条件,以及地基承载力和基底摩擦系数计算公式(式(1)~式(3))分别计算出泵站泵室､站下翼墙以及下游出水池在不同工况下的抗滑稳定性,所得稳定计算成果如表2所示｡从表2可知,工况下安全系数､不均匀系数等均满足规范要求｡此外,针对主泵房位置,计算所得抗滑稳定性系数以及基地应力最大值均随墙体前后水位差的增大而增大,其原因可能在于在水闸建设初期其内部应力在逐步达到平衡的过程中会出现局部应力集中的现象,会导致基地压力随着水位差的增加而增长的现象｡有关地基应力最大值仅主泵房基本组合完建期地基应力最大值为170.5kPa大于实际地基承载力特征值160kPa,针对地基应力最大值,主泵房位置与站下翼墙位置明显大于出水池位置,其原因在于出水池上部并未存在较大荷载且不承受较大应力作用,因此其对地基所产生的最大应力较小｡

3.2渗流稳定性分析

由地质勘探结果可知,该站底板下为②层壤土和①层砂壤土夹粉砂,渗透系数分别为1.16×10-5cm/s､1.5×10-3cm/s｡由于泵室稳定计算,地基承载力不足,需要换填15%水泥土,地基处理后的最不利渗流面为换填水泥土与③层砂姜壤土的接触面,③层壤土的渗透系数为1.24×10-5cm/s｡地下轮廓线如图1所示｡

运用改进阻力系数法进行渗流计算,计算各典型段的阻力系数,并计算各典型段的渗压水头损失｡改进阻力系数法主要步骤如下:

(1)地基有效深度的计算:

式中:Te为地基有效深度,m;L0为地下轮廓的水平投影长度,m;S0为地下轮廓的的垂直投影长度,m｡

图1二号泵站地下轮廓线

表2稳定计算成果

(2)各段阻力系数计算如下:

式中:为进､出口段的阻力系数;S为板桩或齿坎的入土深度,m;T为地基透水层深度,m;:内部垂直段的阻力系数;为水平段的阻力系数;为水平段长度,m;为进出口段板桩或齿墙的入土深度,m｡

采用修正阻力系数发所得渗流计算结果见表3｡如表3所示,进口段､水平段以及出口段水头损失值明显大于垂直段水头损失,结合泵站实际位置及工程地质条件可知,水平段水头损失值较大是由于水平段长度较长,渗径较长因此水头损失较大,进口段以及出口段由于水力变化较大因此水头损失较大｡场地内揭露出的壤土和粉砂土分别位于水平段和出口段,其中粉砂土由于渗透系数较大且土颗粒见缝隙较大,极易产生渗透破坏,因此是本工程渗流稳定行计算重点内容｡经计算,垂直段和出口段坡降分别为0.065与0.247,均能满足要求,进一步说明本工程所涉及不良地质条件对工程建设未产生明显不良影响｡

4、结论

为进一步明确泵站扩容设计要点,提高水工泵站设计质量,为后续工程建设提供借鉴,本文以实际工程为研究对象,深入分析泵站增容设计要点｡所得结论如下:

(1)通过对场地工程地质条件及水文地质条件分析发现场内存在淤泥质软土以及易于渗透破坏的砂性土,同时后续稳定性分析结果表明设计方案均能够满足规范要求,不良地质体并未对泵站扩容建设产生不利影响｡

(2)分别采用安全系数法以及改进阻力系数法对主泵房､站下翼墙以及消力池等位置进行了抗滑稳定性分析和渗流稳定性分析,分析结果表明设计方案合理且能够满足规范要求,本文计算内容对后续工程建设具有一定指导意义｡

参考文献:

[1]原野.万家寨引黄工程泵站性能测试成果分析[J].水利技术监督,2024(8):21-22+57.

[2]杨龙,仇宝云,李秉旭,等.组合浮箱式移动泵站的设计与稳定性校核[J].中国农村水利水电,2014(3):130-133.

[3]李仲权,袁芳.水库取水泵站不同布置型式适应性研究[J].水利技术监督,2024(6):263-266+271.

[4]柳子豪,钟栗,陈晔,等.外江潮位变化背景下望虞河沿江泵站设计参数优化探究[J].水电能源科学,2023,41(8):131-134.

[5]陆新宇.软土地区泵站基坑支护结构应力变形分析[J].水利规划与设计,2024(4):100-106.

文章来源:王士勇.水利泵站增容扩建工程规划设计与稳定性分析[J].科学技术创新,2025,(06):149-152.