關(guān)于巨野張街揚(yáng)水站工程設(shè)計(jì)技術(shù)淺析

尹茂想

（巨野縣水務(wù)局，山東 巨野274900）

張街揚(yáng)水站建于上世紀(jì)六十年代，主要為張街村提供農(nóng)田灌溉需求，為當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)揮的巨大的經(jīng)濟(jì)效益。本次河道疏挖后，會(huì)對(duì)泵站基礎(chǔ)穩(wěn)定帶來(lái)安全隱患，為充分發(fā)揮該泵站的灌溉效益，需對(duì)張街揚(yáng)水站進(jìn)行改建，由原來(lái)的位置遷至到河岸。

1 工程概況

蔡河是南四湖支流之一，巨野段自1980 年治理以來(lái)，經(jīng)多年運(yùn)行，河道淤積嚴(yán)重，河堤受自然剝蝕較重。地下水對(duì)混凝土無(wú)侵蝕性，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性。站址區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.05 g，相應(yīng)地震基本烈度為VI。該站址地面高程為37.30 m 左右，東側(cè)為蔡河河堤，蔡河現(xiàn)狀堤頂高程為39.63 m?？刂品秶鷥?nèi)地面高程在36.8 m～37.40 m。

改建揚(yáng)水站主要由引水渠、進(jìn)水閘、引水涵洞、前池、進(jìn)水池（泵室）、出水池等組成。

2 工程存在問(wèn)題

因河道入湖口處無(wú)控制性建筑物，堤身低矮單薄，堤坡陡立，部分堤段出現(xiàn)缺口；沿岸建筑物是上世紀(jì)六七十年代興建，年久失修，老化退化嚴(yán)重，存在安全隱患。目前河槽淤積嚴(yán)重，河堤受自然剝蝕較重，再加上人為破壞，堤身單薄，個(gè)別堤段存在險(xiǎn)工險(xiǎn)段，加上沿河建筑物年久失修，已不能滿足灌溉引蓄水、防洪除澇要求。

（1）河道堤防不連續(xù)，主河道（32+200～33+400）段堤防缺失嚴(yán)重，現(xiàn)狀堤防防洪標(biāo)準(zhǔn)低，達(dá)不到20 年一遇的防洪要求。

（2）河道防洪除澇能力不足，河道淤積、阻水嚴(yán)重。

（3）建筑物存在的主要問(wèn)題

河道沿線建筑物多數(shù)建于上世紀(jì)六七十年代，建筑物結(jié)構(gòu)多數(shù)為漿砌石結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行，老化失修嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，已不能發(fā)揮正常作用。

3 工程設(shè)計(jì)

灌溉流量0.25 m3/s。選配350ZLB-100 立式軸流泵1 臺(tái)。蔡河堤防為4 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，泵站為?。?）型泵站，5 級(jí)建筑物，堤后式布置。根據(jù)現(xiàn)有田間排水系統(tǒng)，泵站采用側(cè)向進(jìn)水布置。泵站的泵型為350ZLB-100 立式軸流泵1 臺(tái)，泵房的形式采用濕室型泵房。

3.1 進(jìn)水設(shè)計(jì)

進(jìn)水設(shè)計(jì)主要包括引渠、前池和進(jìn)水池設(shè)計(jì)。

3.1.1 引渠設(shè)計(jì)引渠采用開(kāi)挖明渠，斷面按明渠均勻流確定，根據(jù)土質(zhì)邊坡系數(shù)取2.0，渠底寬度為1.0 m，渠底高程為32.95 m。

3.1.2 前池設(shè)計(jì)

采用側(cè)向進(jìn)水前池。底部平面呈矩形，池長(zhǎng)1.7 m，池寬1.8 m，池底高程32.95 m。池底采用M10 漿砌塊石護(hù)砌，厚度50 cm，護(hù)砌下設(shè)碎石墊層厚10 cm。前池翼墻采用M10 漿砌塊石重力式檔土墻，墻頂高程為37.30 m。

3.1.3 進(jìn)水池設(shè)計(jì)

泵站的進(jìn)水池采用濕室型矩形開(kāi)敞式結(jié)構(gòu)，單機(jī)單孔的進(jìn)水方式布置，底板高程按照泵前最低水位及水泵安裝要求，池底高程32.95 m，池頂高程37.30 m。隔墩前部設(shè)攔污柵門槽（又為檢修閘門槽），并設(shè)0.9 m 寬工作平臺(tái)，以便檢修閘門和攔污柵的起吊操作。所選喇叭口直徑D=0.54 m，以此尺寸確定進(jìn)水池各部分尺寸。

①進(jìn)水池的寬度：為節(jié)省工程量，并保證進(jìn)水池內(nèi)良好的流態(tài)，按《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》及水泵的產(chǎn)品樣本說(shuō)明取單孔凈寬度b=1.70 m，喇叭口懸空高Z=0.50 m。

②最低淹沒(méi)水深：按水泵產(chǎn)品說(shuō)明為0.54 m，即池內(nèi)最小水深hSmin=1.04 m。

③進(jìn)水池的長(zhǎng)度：根據(jù)軸流泵產(chǎn)品的使用要求和其它設(shè)備的布置，進(jìn)水池長(zhǎng)取L=3.80 m。

3.2 出水設(shè)計(jì)

出水設(shè)計(jì)主要包括出水池、出水管道出口拍門設(shè)計(jì)。

3.2.1 出水池

泵站出水池采用淹沒(méi)式側(cè)向出水型式，M10 漿砌塊石結(jié)構(gòu)。

①出水池寬度B=5D0，其中D0為出水管口直徑，經(jīng)計(jì)算B=1.75 m，取1.80 m。

②出水池長(zhǎng)度L＝L2+6D0，其中L2為出水管口外緣至池邊距離，經(jīng)計(jì)算L出＝2.85 m。

③出水池底板厚0.5 m，池底高程37.30 m，池內(nèi)凈高1.5 m，池壁采用M10 漿砌塊石重力墻，頂寬0.3 m，池頂高程38.80 m。

3.2.2 出水管道出口拍門

出水管道出口拍門采用鑄鐵拍門，DN350。

3.2.3 引水涵洞設(shè)計(jì)

引水涵洞軸線與河堤軸線垂直。堤頂高程為39.63 m，寬13.4 m，灘地高程37.54 m。

初擬涵洞為1 孔1.2 m×1.0 m（高×寬）的鋼筋混凝土箱涵，洞身總長(zhǎng)34.0 m，底板厚0.5 m，邊墩厚0.4 m，頂板厚0.4 m，洞底高程32.95 m。洞入口為一字型，5 m 護(hù)坡段，均為M10 漿砌塊石結(jié)構(gòu)。

①過(guò)流能力驗(yàn)算

流態(tài)判別：

H≤1.2D 時(shí)，當(dāng)h＜D 為無(wú)壓流；反之為淹沒(méi)壓力流。

1.2 D＜H≤1.5D 時(shí)，當(dāng)h＜D 為半壓流；反之為淹沒(méi)壓力流。

H＞1.5D 時(shí)，當(dāng)h＜D 時(shí)，為非淹沒(méi)壓力流，反之為淹沒(méi)壓力流。

經(jīng)計(jì)算確定涵洞流態(tài)為淹沒(méi)壓力流。

②流量計(jì)算

淹沒(méi)壓力流公式：

其中Σξ=ξ1+ξ2+ξ3+ξ4+ξ5+ξ6=1.95。經(jīng)計(jì)算，涵洞的過(guò)水能力滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 泵房設(shè)計(jì)

3.3.1 泵房平面尺寸的確定

①主泵房

主泵房1 間，寬度必須滿足機(jī)組布置間距的要求。取主泵房寬2.7 m，進(jìn)深3.0 m。

進(jìn)水池邊墩厚0.5 m，后墻厚0.5 m。泵房1 間，不單獨(dú)設(shè)檢修間。采用磚混結(jié)構(gòu)，考慮布置手動(dòng)單軌吊車，工字鋼吊軌直接布置在屋面大梁底部。屋頂采用細(xì)石混凝土平頂，另加隔熱層。

②主泵室長(zhǎng)度

主泵室長(zhǎng)度必須滿足主泵房的寬度和滿足進(jìn)水池長(zhǎng)度的要求，同時(shí)還要考慮到檢修

工作橋的寬度B1。取B1=0.9 m，則取主泵室長(zhǎng)度L1=3.8 m。

③副機(jī)房

利用主機(jī)房?jī)?nèi)空間進(jìn)行設(shè)備檢修，不單設(shè)檢修間。

3.3.2 設(shè)備布置

①起重設(shè)備布置

檢修用起吊設(shè)備采用SG-2 型2t 手動(dòng)單軌吊車，屋梁上架設(shè)36 a 工字鋼，以便起吊。

②攔污柵

采用16 的鋼筋編成網(wǎng)，網(wǎng)格15 cm×15 cm，周邊用角鋼80×80×6 封邊，分兩塊拼裝。

3.3.3 主要控制高程的確定

①泵進(jìn)水口喇叭管高程H1

按軸流泵安裝圖，要求最低淹沒(méi)水深為0.54 m。進(jìn)水池最低水位33.99 m，即水泵進(jìn)水口喇叭管的高程為H1=33.45 m。

②底板高程H2

喇叭口懸空高Z=0.5 m，則H2=H1-Z=32.95 m。

③水泵梁頂高程H3

水泵進(jìn)水口喇叭管至水泵座底面的距離S=0.61 m，則H3=H1+S=34.06 m。

④機(jī)房樓板高程H4

根據(jù)泵房布置和地面高程取H4=37.30 m。

⑤屋面大梁下緣高程H5=H4+h，泵軸最長(zhǎng)長(zhǎng)度為3.24 m，起吊設(shè)備為0.56 m 高，預(yù)留0.3 m 高空間，則泵房的凈高h(yuǎn)=3.24+0.56+0.3=4.10 m。則H5=37.3+4.1=41.4 m。

3.4 泵室防滲計(jì)算

泵室與出水池間用漿砌塊石斜坡連接，泵室前后的滲水壓力很小，不會(huì)構(gòu)成滲透破壞，不在演算滲透穩(wěn)定。

3.5 穩(wěn)定計(jì)算

3.5.1 泵室穩(wěn)定計(jì)算

根據(jù)《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50265-2010）要求，穩(wěn)定計(jì)算包括各種情況下的泵房穩(wěn)定和泵房地基穩(wěn)定。結(jié)合本次工程的具體情況，對(duì)泵房完建期、設(shè)計(jì)運(yùn)用期和校核運(yùn)用期、地震工況分別進(jìn)行穩(wěn)定分析。泵房穩(wěn)定分析的荷載組合見(jiàn)表1。

用泵室底板底高程32.35 m，座于②層壤土層上，底板混凝土與土層的摩擦系數(shù)建議采0.30。

式中：Kc 為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；f 為泵室基底面與地基之間的摩擦系數(shù)，采用地質(zhì)資料推薦值，f=0.30；∑G 為作用于泵室上的全部豎向荷載；∑H 為作用于泵室上的全部水平荷載。

表1 泵房穩(wěn)定分析荷載組合表

泵室基底應(yīng)力穩(wěn)定計(jì)算按下式計(jì)算：

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告提供，泵室基礎(chǔ)與土之間摩擦角為Φ0=13.0°，粘結(jié)力為C0=23.5 kPa，允許地基承載力為150 kPa。經(jīng)驗(yàn)算，泵室在各種工況下整體穩(wěn)定滿足設(shè)計(jì)要求。

3.5.2 翼墻穩(wěn)定計(jì)算

翼墻穩(wěn)定計(jì)算按完建期、運(yùn)行期、水位驟降、地震等工況分別進(jìn)行穩(wěn)定計(jì)算。經(jīng)驗(yàn)算，翼墻在各種工況下整體穩(wěn)定滿足設(shè)計(jì)要求。

3.6 引水涵洞計(jì)算

完建期涵洞內(nèi)無(wú)水，為最不利工況，因此，選取最不利斷面（堤防填土最高處涵洞斷面）對(duì)其完建期進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析計(jì)算。作用于涵洞的主要荷載有：土壓力、水壓力、車輛荷載、洞身自重等。土壓力包括洞頂垂直土壓力及側(cè)向水平土壓力，水壓力包括內(nèi)水壓力和外水壓力，車輛荷載主要為汽車荷載。

3.6.1 應(yīng)力計(jì)算

①洞頂垂直土壓力計(jì)算：

式中：qt2為洞頂垂直土壓力強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m；Hd為洞頂以上填土高度，m；γ 為洞頂填土重度，kN/m3；Ks 為垂直土壓力系數(shù)；γG為作用分項(xiàng)系數(shù)。

②側(cè)向水平土壓力計(jì)算：

式中：qt3、qt4為頂板底面及底板頂面水平土壓力強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m；H 為洞身凈高，m；γ 為洞頂填土重度，kN/m3；d2為頂板厚度，m；α 為填土內(nèi)摩擦角；γG為作用分項(xiàng)系數(shù)。

③作用于側(cè)墻的分布荷載總和q3、q4：

內(nèi)水壓力和外水壓力本次均不計(jì)。

④作用于頂板的垂直均布荷載總和q2計(jì)算：

式中：qt2為作用于洞頂?shù)拇怪蓖翂毫?qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m；H 為洞身凈高，m；γC為混凝土重度，kN/m3；γG為作用分項(xiàng)系數(shù)；d2為頂板厚度，m。

⑤作用于底板的垂直均布荷載總和q1計(jì)算：

式中：q1為作用于底板的垂直土壓力強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m；H 為洞身凈高，m；γC為混凝土重度，kN/m3；γG為作用分項(xiàng)系數(shù)；d3為側(cè)墻厚度，m；B1為洞頂以上填土高度，m。

3.6.2 彎矩計(jì)算

各桿端的抗彎勁度：

①設(shè)計(jì)值條件下剪力彎矩情況見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 箱涵剪力示意圖

圖2 箱涵彎矩圖示意圖

根據(jù)計(jì)算得As為1200 mm2，故主筋采用采用C16@150（As=1340 mm2）的三級(jí)鋼筋。

②泵室結(jié)構(gòu)計(jì)算

經(jīng)計(jì)算底板最大彎矩值-88.09 kN·m、最大剪力值82.08 kN，墩墻最大彎矩值54.18 kN·m、最大剪力值51.49 kN，其底板內(nèi)力圖見(jiàn)圖3。

圖3 地板內(nèi)力圖

根據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 191-2008)，承載力安全系數(shù)基本組合為1.15；永久作用分項(xiàng)系數(shù)1.40；可變作用分項(xiàng)系數(shù)1.35；設(shè)計(jì)狀態(tài)系數(shù)1.00；混凝土強(qiáng)度等級(jí)C25；縱向主要受力鋼筋選用III 級(jí)；混凝土保護(hù)層厚度采用40 mm。對(duì)泵室底板、墩墻進(jìn)行配筋計(jì)算，最終配筋如下：

經(jīng)計(jì)算得，底板受力鋼筋A(yù)s=2400 mm2，配置C18@200 的三級(jí)鋼筋，實(shí)際As=3052 mm2，配筋率0.509%≥0.15%，滿足最小配筋率；墩墻受力鋼筋A(yù)s=1634 mm2，配置C18@200 的三級(jí)鋼筋，實(shí)際As=3052 mm2，配筋率0.61%≥0.15%，滿足最小配筋率。

③閘墩應(yīng)力計(jì)算

閘墩應(yīng)力包括縱向（順?biāo)鞣较颍?yīng)力和橫向（垂直水流方向）應(yīng)力。各個(gè)高程處的閘墩應(yīng)力都不相同，最危險(xiǎn)的斷面是閘墩與底板的結(jié)合面，因此，應(yīng)以此結(jié)合面作為計(jì)算截面，并把閘墩視為固結(jié)與底板的懸臂梁，近似的用偏心受壓公式計(jì)算應(yīng)力。

縱向計(jì)算的最不利條件是閘墩承受最大的上下游水位差所產(chǎn)生的水壓力、閘墩自重及其上部結(jié)構(gòu)自重等荷載。閘墩底部上下游處的鉛直正壓力σ上、σ下：

式中：∑G 為鉛直方向作用力的總和，kN；A 為閘墩底截面面積，m2；∑Mx為全部荷載對(duì)墩底截面形心軸（垂直水流方向）的力矩總和，kN·m；Ix為閘墩底截面對(duì)形心軸的慣性矩，m4；d 為閘墩厚度，m；邊墩d=0.6 m；L 為閘墩長(zhǎng)度，m。

橫向計(jì)算的最不利條件是閘墩承受側(cè)向的水壓力、閘墩自重及其上部結(jié)構(gòu)自重等荷載。閘墩底部?jī)蓚?cè)鉛直正應(yīng)力σ：

式中：∑G 為鉛直方向作用力的總和，kN；A 為閘墩底截面面積，m2；∑My為全部荷載對(duì)墩底截面形心軸（順?biāo)鞣较颍┑牧乜偤?，kN·m；Iy為閘墩底截面對(duì)形心軸的慣性矩，m4；d 為閘墩厚度，m；邊墩d=0.6 m；L 為閘墩長(zhǎng)度，m。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，故邊墩主筋選用C18@200 的三級(jí)鋼筋。

4 結(jié)語(yǔ)

從工程投入與綜合效益上考慮，該工程投資見(jiàn)效快，建成當(dāng)年就可發(fā)揮攔蓄汛末尾水和調(diào)引引黃尾水的效益，改善區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)灌溉條件。2018 年總體工程全面竣工，區(qū)內(nèi)糧食單產(chǎn)增加80 kg，總產(chǎn)增加1510 t。改善人畜飲水和其他行業(yè)的用水條件，節(jié)約能源，節(jié)省勞動(dòng)力，避免洪澇和干旱造成的損失。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增加，河流沿岸的城鎮(zhèn)規(guī)模日益擴(kuò)大，社會(huì)財(cái)富日益聚集，重要糧食生產(chǎn)基地的生產(chǎn)能力將進(jìn)一步提高，對(duì)防洪提出越來(lái)越高的要求。