关于巨野张街扬水站工程设计技术浅析

尹茂想

（巨野县水务局，山东 巨野274900）

张街扬水站建于上世纪六十年代，主要为张街村提供农田灌溉需求，为当地的农业生产发挥的巨大的经济效益。本次河道疏挖后，会对泵站基础稳定带来安全隐患，为充分发挥该泵站的灌溉效益，需对张街扬水站进行改建，由原来的位置迁至到河岸。

1 工程概况

蔡河是南四湖支流之一，巨野段自1980 年治理以来，经多年运行，河道淤积严重，河堤受自然剥蚀较重。地下水对混凝土无侵蚀性，对钢结构具弱腐蚀性。站址区地震动峰值加速度为0.05 g，相应地震基本烈度为VI。该站址地面高程为37.30 m 左右，东侧为蔡河河堤，蔡河现状堤顶高程为39.63 m。控制范围内地面高程在36.8 m～37.40 m。

改建扬水站主要由引水渠、进水闸、引水涵洞、前池、进水池（泵室）、出水池等组成。

2 工程存在问题

因河道入湖口处无控制性建筑物，堤身低矮单薄，堤坡陡立，部分堤段出现缺口；沿岸建筑物是上世纪六七十年代兴建，年久失修，老化退化严重，存在安全隐患。目前河槽淤积严重，河堤受自然剥蚀较重，再加上人为破坏，堤身单薄，个别堤段存在险工险段，加上沿河建筑物年久失修，已不能满足灌溉引蓄水、防洪除涝要求。

（1）河道堤防不连续，主河道（32+200～33+400）段堤防缺失严重，现状堤防防洪标准低，达不到20 年一遇的防洪要求。

（2）河道防洪除涝能力不足，河道淤积、阻水严重。

（3）建筑物存在的主要问题

河道沿线建筑物多数建于上世纪六七十年代，建筑物结构多数为浆砌石结构，经过多年的运行，老化失修严重，结构失稳，已不能发挥正常作用。

3 工程设计

灌溉流量0.25 m3/s。选配350ZLB-100 立式轴流泵1 台。蔡河堤防为4 级标准，泵站为小（2）型泵站，5 级建筑物，堤后式布置。根据现有田间排水系统，泵站采用侧向进水布置。泵站的泵型为350ZLB-100 立式轴流泵1 台，泵房的形式采用湿室型泵房。

3.1 进水设计

进水设计主要包括引渠、前池和进水池设计。

3.1.1 引渠设计引渠采用开挖明渠，断面按明渠均匀流确定，根据土质边坡系数取2.0，渠底宽度为1.0 m，渠底高程为32.95 m。

3.1.2 前池设计

采用侧向进水前池。底部平面呈矩形，池长1.7 m，池宽1.8 m，池底高程32.95 m。池底采用M10 浆砌块石护砌，厚度50 cm，护砌下设碎石垫层厚10 cm。前池翼墙采用M10 浆砌块石重力式档土墙，墙顶高程为37.30 m。

3.1.3 进水池设计

泵站的进水池采用湿室型矩形开敞式结构，单机单孔的进水方式布置，底板高程按照泵前最低水位及水泵安装要求，池底高程32.95 m，池顶高程37.30 m。隔墩前部设拦污栅门槽（又为检修闸门槽），并设0.9 m 宽工作平台，以便检修闸门和拦污栅的起吊操作。所选喇叭口直径D=0.54 m，以此尺寸确定进水池各部分尺寸。

①进水池的宽度：为节省工程量，并保证进水池内良好的流态，按《泵站设计规范》及水泵的产品样本说明取单孔净宽度b=1.70 m，喇叭口悬空高Z=0.50 m。

②最低淹没水深：按水泵产品说明为0.54 m，即池内最小水深hSmin=1.04 m。

③进水池的长度：根据轴流泵产品的使用要求和其它设备的布置，进水池长取L=3.80 m。

3.2 出水设计

出水设计主要包括出水池、出水管道出口拍门设计。

3.2.1 出水池

泵站出水池采用淹没式侧向出水型式，M10 浆砌块石结构。

①出水池宽度B=5D0，其中D0为出水管口直径，经计算B=1.75 m，取1.80 m。

②出水池长度L＝L2+6D0，其中L2为出水管口外缘至池边距离，经计算L出＝2.85 m。

③出水池底板厚0.5 m，池底高程37.30 m，池内净高1.5 m，池壁采用M10 浆砌块石重力墙，顶宽0.3 m，池顶高程38.80 m。

3.2.2 出水管道出口拍门

出水管道出口拍门采用铸铁拍门，DN350。

3.2.3 引水涵洞设计

引水涵洞轴线与河堤轴线垂直。堤顶高程为39.63 m，宽13.4 m，滩地高程37.54 m。

初拟涵洞为1 孔1.2 m×1.0 m（高×宽）的钢筋混凝土箱涵，洞身总长34.0 m，底板厚0.5 m，边墩厚0.4 m，顶板厚0.4 m，洞底高程32.95 m。洞入口为一字型，5 m 护坡段，均为M10 浆砌块石结构。

①过流能力验算

流态判别：

H≤1.2D 时，当h＜D 为无压流；反之为淹没压力流。

1.2 D＜H≤1.5D 时，当h＜D 为半压流；反之为淹没压力流。

H＞1.5D 时，当h＜D 时，为非淹没压力流，反之为淹没压力流。

经计算确定涵洞流态为淹没压力流。

②流量计算

淹没压力流公式：

其中Σξ=ξ1+ξ2+ξ3+ξ4+ξ5+ξ6=1.95。经计算，涵洞的过水能力满足设计要求。

3.3 泵房设计

3.3.1 泵房平面尺寸的确定

①主泵房

主泵房1 间，宽度必须满足机组布置间距的要求。取主泵房宽2.7 m，进深3.0 m。

进水池边墩厚0.5 m，后墙厚0.5 m。泵房1 间，不单独设检修间。采用砖混结构，考虑布置手动单轨吊车，工字钢吊轨直接布置在屋面大梁底部。屋顶采用细石混凝土平顶，另加隔热层。

②主泵室长度

主泵室长度必须满足主泵房的宽度和满足进水池长度的要求，同时还要考虑到检修

工作桥的宽度B1。取B1=0.9 m，则取主泵室长度L1=3.8 m。

③副机房

利用主机房内空间进行设备检修，不单设检修间。

3.3.2 设备布置

①起重设备布置

检修用起吊设备采用SG-2 型2t 手动单轨吊车，屋梁上架设36 a 工字钢，以便起吊。

②拦污栅

采用16 的钢筋编成网，网格15 cm×15 cm，周边用角钢80×80×6 封边，分两块拼装。

3.3.3 主要控制高程的确定

①泵进水口喇叭管高程H1

按轴流泵安装图，要求最低淹没水深为0.54 m。进水池最低水位33.99 m，即水泵进水口喇叭管的高程为H1=33.45 m。

②底板高程H2

喇叭口悬空高Z=0.5 m，则H2=H1-Z=32.95 m。

③水泵梁顶高程H3

水泵进水口喇叭管至水泵座底面的距离S=0.61 m，则H3=H1+S=34.06 m。

④机房楼板高程H4

根据泵房布置和地面高程取H4=37.30 m。

⑤屋面大梁下缘高程H5=H4+h，泵轴最长长度为3.24 m，起吊设备为0.56 m 高，预留0.3 m 高空间，则泵房的净高h=3.24+0.56+0.3=4.10 m。则H5=37.3+4.1=41.4 m。

3.4 泵室防渗计算

泵室与出水池间用浆砌块石斜坡连接，泵室前后的渗水压力很小，不会构成渗透破坏，不在演算渗透稳定。

3.5 稳定计算

3.5.1 泵室稳定计算

根据《泵站设计规范》（GB 50265-2010）要求，稳定计算包括各种情况下的泵房稳定和泵房地基稳定。结合本次工程的具体情况，对泵房完建期、设计运用期和校核运用期、地震工况分别进行稳定分析。泵房稳定分析的荷载组合见表1。

用泵室底板底高程32.35 m，座于②层壤土层上，底板混凝土与土层的摩擦系数建议采0.30。

式中：Kc 为抗滑稳定安全系数；f 为泵室基底面与地基之间的摩擦系数，采用地质资料推荐值，f=0.30；∑G 为作用于泵室上的全部竖向荷载；∑H 为作用于泵室上的全部水平荷载。

表1 泵房稳定分析荷载组合表

泵室基底应力稳定计算按下式计算：

根据地质报告提供，泵室基础与土之间摩擦角为Φ0=13.0°，粘结力为C0=23.5 kPa，允许地基承载力为150 kPa。经验算，泵室在各种工况下整体稳定满足设计要求。

3.5.2 翼墙稳定计算

翼墙稳定计算按完建期、运行期、水位骤降、地震等工况分别进行稳定计算。经验算，翼墙在各种工况下整体稳定满足设计要求。

3.6 引水涵洞计算

完建期涵洞内无水，为最不利工况，因此，选取最不利断面（堤防填土最高处涵洞断面）对其完建期进行结构分析计算。作用于涵洞的主要荷载有：土压力、水压力、车辆荷载、洞身自重等。土压力包括洞顶垂直土压力及侧向水平土压力，水压力包括内水压力和外水压力，车辆荷载主要为汽车荷载。

3.6.1 应力计算

①洞顶垂直土压力计算：

式中：qt2为洞顶垂直土压力强度标准值，kN/m；Hd为洞顶以上填土高度，m；γ 为洞顶填土重度，kN/m3；Ks 为垂直土压力系数；γG为作用分项系数。

②侧向水平土压力计算：

式中：qt3、qt4为顶板底面及底板顶面水平土压力强度标准值，kN/m；H 为洞身净高，m；γ 为洞顶填土重度，kN/m3；d2为顶板厚度，m；α 为填土内摩擦角；γG为作用分项系数。

③作用于侧墙的分布荷载总和q3、q4：

内水压力和外水压力本次均不计。

④作用于顶板的垂直均布荷载总和q2计算：

式中：qt2为作用于洞顶的垂直土压力强度标准值，kN/m；H 为洞身净高，m；γC为混凝土重度，kN/m3；γG为作用分项系数；d2为顶板厚度，m。

⑤作用于底板的垂直均布荷载总和q1计算：

式中：q1为作用于底板的垂直土压力强度标准值，kN/m；H 为洞身净高，m；γC为混凝土重度，kN/m3；γG为作用分项系数；d3为侧墙厚度，m；B1为洞顶以上填土高度，m。

3.6.2 弯矩计算

各杆端的抗弯劲度：

①设计值条件下剪力弯矩情况见图1、图2。

图1 箱涵剪力示意图

图2 箱涵弯矩图示意图

根据计算得As为1200 mm2，故主筋采用采用C16@150（As=1340 mm2）的三级钢筋。

②泵室结构计算

经计算底板最大弯矩值-88.09 kN·m、最大剪力值82.08 kN，墩墙最大弯矩值54.18 kN·m、最大剪力值51.49 kN，其底板内力图见图3。

图3 地板内力图

根据《水工混凝土结构设计规范》(SL 191-2008)，承载力安全系数基本组合为1.15；永久作用分项系数1.40；可变作用分项系数1.35；设计状态系数1.00；混凝土强度等级C25；纵向主要受力钢筋选用III 级；混凝土保护层厚度采用40 mm。对泵室底板、墩墙进行配筋计算，最终配筋如下：

经计算得，底板受力钢筋As=2400 mm2，配置C18@200 的三级钢筋，实际As=3052 mm2，配筋率0.509%≥0.15%，满足最小配筋率；墩墙受力钢筋As=1634 mm2，配置C18@200 的三级钢筋，实际As=3052 mm2，配筋率0.61%≥0.15%，满足最小配筋率。

③闸墩应力计算

闸墩应力包括纵向（顺水流方向）应力和横向（垂直水流方向）应力。各个高程处的闸墩应力都不相同，最危险的断面是闸墩与底板的结合面，因此，应以此结合面作为计算截面，并把闸墩视为固结与底板的悬臂梁，近似的用偏心受压公式计算应力。

纵向计算的最不利条件是闸墩承受最大的上下游水位差所产生的水压力、闸墩自重及其上部结构自重等荷载。闸墩底部上下游处的铅直正压力σ上、σ下：

式中：∑G 为铅直方向作用力的总和，kN；A 为闸墩底截面面积，m2；∑Mx为全部荷载对墩底截面形心轴（垂直水流方向）的力矩总和，kN·m；Ix为闸墩底截面对形心轴的惯性矩，m4；d 为闸墩厚度，m；边墩d=0.6 m；L 为闸墩长度，m。

横向计算的最不利条件是闸墩承受侧向的水压力、闸墩自重及其上部结构自重等荷载。闸墩底部两侧铅直正应力σ：

式中：∑G 为铅直方向作用力的总和，kN；A 为闸墩底截面面积，m2；∑My为全部荷载对墩底截面形心轴（顺水流方向）的力矩总和，kN·m；Iy为闸墩底截面对形心轴的惯性矩，m4；d 为闸墩厚度，m；边墩d=0.6 m；L 为闸墩长度，m。

根据计算结果，故边墩主筋选用C18@200 的三级钢筋。

4 结语

从工程投入与综合效益上考虑，该工程投资见效快，建成当年就可发挥拦蓄汛末尾水和调引引黄尾水的效益，改善区内农业灌溉条件。2018 年总体工程全面竣工，区内粮食单产增加80 kg，总产增加1510 t。改善人畜饮水和其他行业的用水条件，节约能源，节省劳动力，避免洪涝和干旱造成的损失。随着经济发展和人口增加，河流沿岸的城镇规模日益扩大，社会财富日益聚集，重要粮食生产基地的生产能力将进一步提高，对防洪提出越来越高的要求。