泵站更新改造的復(fù)核計(jì)算分析

郭承乾

(佳木斯市水利勘測設(shè)計(jì)研究院，黑龍江佳木斯154002)

泵站更新改造的復(fù)核計(jì)算分析

郭承乾

(佳木斯市水利勘測設(shè)計(jì)研究院，黑龍江佳木斯154002)

佳木斯市湯原縣是振興全區(qū)泵站自1991年投入運(yùn)行以來，存在保證率低，達(dá)不到設(shè)計(jì)灌溉能力，究其原因是主機(jī)老化嚴(yán)重，泵房失修等隱患問題，必須進(jìn)行更新改造。為此，通過分析和計(jì)算，提出相應(yīng)的復(fù)核結(jié)論及對策、建議，為泵站的更新改造提供技術(shù)依據(jù)。

泵站;復(fù)核;安全;穩(wěn)定;強(qiáng)度

0 前言

振興灌區(qū)泵站始建于1984年，1991年投入運(yùn)行，泵站保證率低，達(dá)不到設(shè)計(jì)灌溉能力;主體工程存在安全隱患、主機(jī)組老化嚴(yán)重、泵房失修等嚴(yán)重問題。湯原縣振興灌區(qū)泵站存在的問題，對湯原縣的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、排灌、防洪、生態(tài)環(huán)境安全均已構(gòu)成嚴(yán)重威脅。復(fù)算計(jì)算分析，以實(shí)事求是、突出重點(diǎn)作為標(biāo)準(zhǔn)，以泵站目前存在的問題為依據(jù)，客觀真實(shí)，有重點(diǎn)地進(jìn)行分析和計(jì)算，為泵站更新改造提出相應(yīng)的復(fù)核結(jié)論及對策、建議。

1 泵站工程規(guī)模及基本參數(shù)

1.1 泵站基本參數(shù)

根據(jù)行業(yè)規(guī)范，結(jié)合本地區(qū)實(shí)際情況，以及更新改造維持原規(guī)模、原標(biāo)準(zhǔn)的原則，泵站的建筑物級別按泵站本身裝機(jī)功率或裝機(jī)流量確定;穿堤建筑物級別、防洪標(biāo)準(zhǔn)不低于所在堤防的級別和防洪標(biāo)準(zhǔn)［1］。泵站規(guī)模、工程等級、建筑物級別及防洪標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 泵站工程等別和建筑物級別匯總表

水位直接采用水文分析成果。振興灌區(qū)泵站特征水位、揚(yáng)程及設(shè)計(jì)流量復(fù)核見表2。

表2 振興灌區(qū)泵站特征揚(yáng)程及設(shè)計(jì)流量復(fù)核

1.2 安全系數(shù)

本工程泵房為3級建筑物，穩(wěn)定計(jì)算的最小安全系數(shù)見表3。

表3 穩(wěn)定計(jì)算安全系數(shù)允許值

2 泵站復(fù)核內(nèi)容

依據(jù)《現(xiàn)場安全檢測報(bào)告》中相關(guān)部分描述，復(fù)核內(nèi)容如下:①泵站防滲和消能防沖安全;②泵房穩(wěn)定;③地基應(yīng)力及不均勻系數(shù);④電機(jī)梁抗彎強(qiáng)度;⑤引渠過流能力;⑥防洪安全［2］。

3 復(fù)核計(jì)算

3.1 防滲和消能防沖安全復(fù)核

3.1.1 泵站抗?jié)B安全復(fù)核

3.1.1.1 復(fù)核公式及相關(guān)參數(shù)

本次泵房的抗?jié)B復(fù)核計(jì)算，主要是地基實(shí)際滲透比降和地基允許比降的計(jì)算，只有當(dāng)J地基＜［J］時(shí)，泵房才能滿足滲透穩(wěn)定要求。地基實(shí)際滲透公式為:

式中:L為泵房的實(shí)際滲徑長度，m;△H為泵房進(jìn)、出水側(cè)水位差，m。

3.1.1.2 復(fù)核計(jì)算結(jié)果

選擇泵站站前水位為最低運(yùn)行水位，站后水位為最高運(yùn)行水位的工況進(jìn)行防滲安全復(fù)核。本次泵房抗?jié)B復(fù)核計(jì)算成果見表3。

表4 泵房抗?jié)B復(fù)核計(jì)算成果

經(jīng)過復(fù)核，振興灌區(qū)泵站泵房抗?jié)B均滿足要求。

3.1.2 消能防沖安全復(fù)核

3.1.2.1 出水池長度確定

采用以下2種方法進(jìn)行綜合確定:

水面旋滾法計(jì)算公式為:

式中:L為出水池長度，m;K為系數(shù);h淹最大為出水管口最大淹沒深度。

淹沒射流法計(jì)算公式為:

式中:L為出水池長度，m;v0為管道出口平均流速，m/s;v渠為渠道進(jìn)口平均流速，m/s;D0為管道出口直徑，m。

3.1.2.2 出水池寬度確定

出水池最小單管出流寬度可按B單≥(2～3)D出水管控制。

3.1.2.3 管口下緣至池底距離P確定

此距離主要用以防止池中泥沙或雜物等淤塞出水口，一般采用:P=10～20 cm。

3.1.2.4 管口上緣最小淹水深度確定

管口上緣最小淹水深度公式為:

式中:h淹最小為管口上緣最小淹水深度，m;v0為管道出口平均流速，m/s。

3.1.2.5 出水池底板高程確定出水池底板高程計(jì)算公式為:

式中:hmin為最小淹沒深度。

3.1.2.6 海漫長度

海漫長度計(jì)算公式為:

式中:q為出水池出口單寬流量，m3/s;△H為上下游水位差，m;K為系數(shù)，視出水池的狀況和河床土質(zhì)的允許流速而定，本次計(jì)算取K=10。復(fù)核結(jié)論:振興灌區(qū)泵站滿足消能防沖要求。計(jì)算成果見表4。

表4 泵房消能防沖計(jì)算成果表

3.2 進(jìn)、出水渠過流能力復(fù)核

3.2.1 引渠過流能力復(fù)核

針對可能出現(xiàn)的設(shè)計(jì)水位，對機(jī)組全部開機(jī)工況時(shí)復(fù)核。加大流量:Q=8.95m3/s。

按明渠均勻流公式復(fù)核，計(jì)算公式為:

式中:n為渠道糙率，0.0275;R為渠道過水?dāng)嗝嫠Π霃?i為渠道比降1/1000。

Q=A × V=5.23 m3/s＜8.95 m3/s，在松花江水位較低的情況下，泵站引渠泥沙淤積嚴(yán)重，難以引水，振興灌區(qū)泵站引渠過流能力不滿足要求。

3.2.2 前池水流條件復(fù)核

對于前池，《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》僅有原則性的規(guī)定，如:正向進(jìn)水的前池，擴(kuò)散角應(yīng)≤40°，底坡不宜陡于1∶4。前池由陡坡段變水平段后與進(jìn)水流道銜接，在設(shè)計(jì)水位下，其容積需符合規(guī)范規(guī)定值30～50倍設(shè)計(jì)流量的要求。振興灌區(qū)泵站前池淤積嚴(yán)重，不滿足過流要求;其他泵站前池滿足過流要求。

3.2.3 尾水渠過流能力復(fù)核

出水渠道過流能力按明渠均勻流計(jì)算公式為:

式中:n為渠道糙率，0.0275;R為渠道過水?dāng)嗝嫠Π霃?i為渠道比降。

振興灌區(qū)泵站由于引渠前有沙島，抽水時(shí)夾裹大量沙子進(jìn)入尾水渠，造成尾水渠的淤積，尾水渠的過流不滿足要求，其他泵站尾水渠過流滿足要求，滿足不沖不淤要求。

3.3 泵房穩(wěn)定及地基應(yīng)力復(fù)核

3.3.1 基本假定

泵房整體穩(wěn)定分析以整個(gè)主廠房結(jié)構(gòu)長度進(jìn)行計(jì)算。作用荷載包括廠房底板、側(cè)墻、機(jī)座、上部廠房等的自重及設(shè)備重，靜水壓力、土壓力、揚(yáng)壓力、地震荷載及其它荷載。

3.3.2 荷載組合

3.3.2.1 基本荷載組合

此種情況為正常運(yùn)用期，即上游為設(shè)計(jì)水位，下游為設(shè)計(jì)水位，機(jī)組全部投入運(yùn)行。

3.3.2.2 特殊荷載組合

檢修情況是指停泵進(jìn)行檢修階段，考慮前池?zé)o水，下游為地下水位，機(jī)組全部停運(yùn)檢修。

特殊荷載情況為非常運(yùn)用期，即上游為校核洪水位，下游為最高水位，機(jī)組全部投入運(yùn)行。

3.3.2.3 計(jì)算內(nèi)容及公式

1)抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算計(jì)算公式為:

式中:Kf為抗浮穩(wěn)定安全系數(shù);∑V為作用于泵房基礎(chǔ)底面以上全部重力，T;∑U為作用于泵房基礎(chǔ)底面以上的揚(yáng)壓力，T;［Kf］為允許抗浮穩(wěn)定安全系數(shù);基水組合［Kf］=1.10，特殊組合［Kf］=1.05。

2)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計(jì)算公式為:

式中:［Kc］為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);∑G為作用于泵房基礎(chǔ)底面以上全部豎向荷載(包括泵房基礎(chǔ)面以上的揚(yáng)壓力)，T;∑H為作用于泵房基礎(chǔ)底面以上全部水平荷載，T;f'為泵房基礎(chǔ)底面與地基之間摩擦系數(shù)(包括齒墻作用);C0為泵房基礎(chǔ)底面與地基之間黏結(jié)力;A為泵房基礎(chǔ)底而面積，m2;［Kc］為允許抗滑穩(wěn)定安全系數(shù);3級建筑物基本組合:［Kc］=1.25，特殊組合［Kc］=1.10 或1.05。

3)抗傾覆穩(wěn)定:根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB/T50265—97)規(guī)定，如果建筑物底面應(yīng)力不均勻系數(shù)得到控制，滿足規(guī)范要求，那么建筑物的抗傾覆穩(wěn)定安全能夠滿足。

4)泵房基礎(chǔ)底面應(yīng)力計(jì)算公式為:

3.3.3 復(fù)核計(jì)算成果

泵房的穩(wěn)定復(fù)核和地基應(yīng)力計(jì)算成見表5。

經(jīng)復(fù)核，振興灌區(qū)泵站滿足抗滑、抗浮穩(wěn)定及大小應(yīng)力比要求，廠房滿足穩(wěn)定要求。

3.4 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度復(fù)核

振興灌區(qū)泵站的水泵為軸流泵，對振興灌區(qū)泵站進(jìn)行電機(jī)梁的結(jié)構(gòu)復(fù)核。

由于《黑龍江省湯原縣振興灌區(qū)泵站現(xiàn)場安全檢測報(bào)告》和《黑龍江省湯原縣振興灌區(qū)泵站現(xiàn)狀調(diào)查報(bào)告》未對廠房內(nèi)混凝土結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行詳細(xì)描述，本階段僅針對電機(jī)層結(jié)構(gòu)主梁進(jìn)行復(fù)核。

表5 泵房穩(wěn)定及應(yīng)力復(fù)核成果表

3.4.1 計(jì)算說明

主梁凈跨5.2 m，矩形斷面，梁寬400 mm，梁高800 mm。電機(jī)梁混凝土強(qiáng)度推定值為18.2 MPa，碳化深度12 mm，因此混凝土強(qiáng)度按竣工圖中C15取值，鋼筋受力筋用I級，箍筋用I級。泵站建筑物級別為3級，結(jié)構(gòu)級別為Ⅱ級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為γo=1.0，設(shè)計(jì)狀況系數(shù)Ψ =1.0，承載力極限狀態(tài)結(jié)構(gòu)系數(shù)為 γd=1.2。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)容重按25 kN/m3計(jì)，結(jié)構(gòu)自重作用分項(xiàng)系數(shù)為γg=1.05，設(shè)備自重作用分項(xiàng)系數(shù)為 γg=1.05，電機(jī)層樓面均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值為1.4 kN/m2，樓面荷載的分項(xiàng)系數(shù)為 γq=1.2，動力荷載系數(shù)為 1.3。

3.4.2 計(jì)算假定

1)主梁支撐在兩側(cè)邊柱上，主梁為固結(jié)在立柱上的單跨固端梁計(jì)算。

2)支撐梁系所受的荷載均認(rèn)為是集中荷載。

3)假定以水泵軸承在動力情況下工作進(jìn)行復(fù)核。

3.4.3 荷載計(jì)算

主梁凈跨5.2 m，計(jì)算跨度5.5 m。

1)電動機(jī)大梁自重q1=8.4 kN/m;

2)電動機(jī)傳來的動荷載(考慮電動機(jī)軸承在動力情況下工作)P2=53.5 kN;

3)樓面靜荷載q2=10.24 kN/m;

4)樓面活荷載q3=1.68 kN/m。主梁計(jì)算時(shí)，按支撐在兩側(cè)邊柱固端梁考慮。

跨中彎矩:M=Pab/L(集中荷載)M-qL2/8(均布荷載);固端彎矩:M=Pa2b/L2(集中荷載)M=qL2/12(均布荷載)。經(jīng)計(jì)算主梁Mmax=150.40 kN·m。

3.4.4 內(nèi)力及配筋計(jì)算

考慮梁截面寬度及受力情況，按單層配筋，抗彎計(jì)算公式為:

式中:fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，N/mm2;αs為截面抵抗矩系數(shù);ξ為相對受壓區(qū)計(jì)算高度;As受拉區(qū)縱向鋼筋截面面積，mm2。

經(jīng)內(nèi)力分析和配筋計(jì)算主梁需要鋼筋982 mm2，實(shí)配3Φ16，As=603 mm2＜982 mm2，所以不滿足要求。電機(jī)層主梁復(fù)核結(jié)論:經(jīng)計(jì)算，電機(jī)層主梁抗彎主筋不滿足結(jié)構(gòu)配筋要求。故梁的抗彎強(qiáng)度不滿足要求。

3.5 抗震強(qiáng)度復(fù)核

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2001)，本區(qū)地震動峰值加速度 ＜0.05 g，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.35 g，相應(yīng)地震烈度為Ⅵ度。根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(DL 5073—2000)，設(shè)計(jì)烈度為6度時(shí)，可不進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。

3.6 防洪安全復(fù)核

振興灌區(qū)泵站建筑物級別為3級，設(shè)計(jì)洪水重現(xiàn)期為30 a，校核洪水重現(xiàn)期為100 a。設(shè)計(jì)洪水位為77.10 m，校核洪水位為77.77 m。振興灌區(qū)泵站的電機(jī)層高程為75.40 m，低于設(shè)計(jì)洪水位77.10 m。經(jīng)復(fù)核，振興灌區(qū)泵站不滿足防洪要求。

4 復(fù)核結(jié)論及建議

振興灌區(qū)泵站的引渠過流能力不滿足要求。泵房穩(wěn)定和地基應(yīng)力滿足要求，泵室電機(jī)梁開裂，裂縫寬度不滿足要求，強(qiáng)度不滿足要求;出水池過流不滿足要求;尾水渠淤積，過流不滿足要求，泵站不滿足防洪安全要求。根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析，建議對泵站拆除重建。

［1］揚(yáng)州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇省水利廳.SL316—2004泵站安全檢定規(guī)程［S］.北京:中國水利水電出版社，2005.

［2］中華人民共和國水利部.GB/T50510—2009泵站更新改造技術(shù)規(guī)程［S］.北京:中國計(jì)劃出版社，2010.

Review Calculation and Analysis for Renovation of Pumping Station

GUO Cheng-qian
(Heilongiang Province Jiamusi City Water Conservancy＆ Hydropower Investigation，Design and Research Institute，Jiamusi 154002，China)

The pumping stations in Zhenxingquan District，Tangyuan County，and Jiamusi City have a low guarantee rate since they were put into operation in 1991，not up to the design of irrigation capacity.The main reasons for the problems are the pumps aging，pumping houses disrepair，etc.，so they must be renovated and upgraded.Through analyzing and calculating，relevant review calculation results and countermeasures are put forward so as to provide the basis for the technological renovation of the pumping stations.

pumping station;review;safety;stability;strength

TV675

B

1007-7596(2014)05-0025-04

2013-12-05

郭承乾(1981-)，男，甘肅環(huán)縣人，工程師。