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泵站工程—泵站及辅助设备一、泵房的倾斜与纠偏处理在洪涝灾害中，由于堤防溃口，水泵超高扬程，电动机超负荷以及外江水位超驼峰原因使得泵站不能正常排水，泵房较长时间浸泡在涝水或渍水中，地基产生湿陷；或由于泵房地基流土管涌遭受渗透变形等因素，都可能导致泵房的倾斜。泵房倾斜有三种基本形态，即单向(纵向或横向)倾斜，双向倾斜和扭曲三种，泵房倾斜引起的直接后果是主轴不垂直，泵站主机组无法运行，闸门等起吊设备也无法正常启闭，因此，需要采用纠偏的方法，或采用纠偏与结构补强结合的办法，对倾斜泵站进行处理。1.房屋建筑中已使用的纠偏处理方法泵房纠偏是一项技术难度高，风险大的非常规工程，纠偏能否成功，首先在于根据倾斜建筑物的具体情况、土质条件和倾斜原因等选择合适的方法。(1)地基土促沉。对建筑物沉降较小一侧的地基土采用某种方法促使其沉降，使倾斜建筑物两侧的沉降差降低至允许的范围内，地基土促沉的方法有掏土(砂)(2)地基土限沉。对建筑物沉降较大一侧的地基土采用加固的方法，以限制其继续下沉。限沉纠偏的方法主要有锚杆静压桩法、静压桩法、树根桩法、旋喷桩法、石灰桩法、板桩围护法及灌桩法等。在使用此类方法时应注意不能因“加固”而对原来就较软弱的地基土产生新的扰动，否则将形成新的附加沉降，增大纠偏工作量，甚至造成(3)结构物顶升。利用千斤顶将倾斜建筑物沉降较大侧顶升(或侧向顶推)(4)基础减压和加强刚度法。通过改变基础结构，以减小和调整建筑物基底压力，最终达到控制和调整地基土不均匀沉降的目的，如将单独基础或条形基(5)综合法。根据需要同时或先后采用一种或几种纠偏方法对倾斜建筑物进行纠偏，如加压卸载法(沉降较小侧加载，沉降较大侧卸载)、浸水加压法等。2.建筑物纠偏处理中广泛采用的地基应力解除法。(1)地基应力解除法纠偏的基本原理。采用地基应力解除法纠偏，是在倾斜建筑物原沉降较小的一侧布设密集的大直径钻孔排，有计划、有次序、分期分批地在适当的钻孔内适当的深度处掏出适量的软弱淤泥，并配合各种促沉措施，使地基应力在局部范围内得到解除，促使软土向该侧移动，从而增大该侧地基沉降量。与此同时，在原沉降较大一侧则严格保护基土不受扰动，避免纠偏施工中发生附加沉降，最终达到纠偏的预期目标，并兼收限沉效果。(2)地基应力解除法的施工方法。地基应力解除法纠偏的施工大致可以分为定孔位、钻孔、下套管、掏土、孔内作必要的排水和最终拔管回填等几个阶段。孔位(即孔距选定)按泵房的平面形式、倾斜方向和倾斜率大小、泵房结构特点以及土质埋藏条件而定。钻孔用特制机具钻进，孔径尺寸按有效解除应力的需要，一般采用Φ400mm。孔深及套管埋入深度(即管长)根据掏土部位而定。掏土使用大型麻花钻或大锅锥。掏土次数、数量及各次掏土间隔时间按实测沉降和倾斜资料，结合具体建筑物的施工方案灵活地掌握。孔内排水采用潜水泵，作为临时降低孔壁水压力以促进挤淤之用，但不宜长时间地抽水，以防止整个泵房的沉降增大。拔管应插花进行，并及时回填合适的土料。在纠偏处理全过程中，应尽量使地基土布孔范围内变形均匀，变形大小也应受到控制。另外，还需备用一系列促沉或隔离措施，以备需要时选用。一般情况下，每次掏土时泵房的纠偏位移十分灵敏，掏土量与纠偏量基本持平。施工中，应自始至终用频繁的沉降、倾斜观测进行监控，即采用所谓“情报化施工法”，及时地将观测成果反馈，供决策者调整施工计划时参考，以确保二、泵站建筑物地基的渗透破坏与修复对于堤身式泵站，由于泵房直接抵挡外江水位，在内外水位差的作用下，将在泵房地基及两端大堤土体内产生渗流。渗流对泵站建筑物产生两方面的影响，其一是对泵房底板产生向上的渗透压力，减轻了泵房的有效重量，影响其抗滑稳定；另一方面，当渗透坡降或渗透流速超过某一限度时，会引起土体的渗透变形。因此，在洪涝灾害中部分泵站水工建筑物，如进水池和前池的坍陷破坏就在对遭受渗透破坏的泵站建筑物进行修复前，首先应检查防洪抢险过程中造成坍陷的管涌和流土的进水口，结合大堤的地质情况进行堤防加固，然后根据特大洪水过程中的水位资料，重新拟定泵房的抗渗长度及地下轮廓线，必要时，(一)泵房防渗长度校核及地下轮廓线设计所谓泵房的地下轮廓线，是指进水池、泵房、出水池等不透水结构的垂直横断面与地基的接触线。在泵房进出水池水位差ΔH的作用下，泵房地基内产生渗流，并从进水池中的排水孔逸出，泵房的地下轮廓线即为渗流的第一根流线，泵房的防渗长度L取决于进出水池的水位差ΔHL≥CΔH式中C：渗径系数，参照《水闸设计规范》SD133-84选用，如表3－3表3－3渗径系数C排水条件地基类别粉砂细砂中砂粗砂中砾细砾粗砾夹卵石轻粉质砂壤土砂壤土壤土粘土有反滤层9-137-95-74-53-42.5-37-95-73-52-3无反滤层--------4-73-4所谓地下轮廓布置，是根据设计要求和地基特性，并参照已建工程的实践经验，确定泵站基础防渗的轮廓形状和尺寸。对于水毁工程的修复，由于泵房基础不能改变，这里的地下轮廓布置只能根据现有泵站工程的实际情况，结合进出水池的修复与重建进行，布置的总原则是防渗与导渗相结合，即在泵站出水侧布置防渗设备，用来延长渗径，减小底板渗透压力，降低泵房基础内平均渗透坡降；在泵站进水侧布置排水和反滤层，使进入地基的渗流尽快地安全排出，以(1)粘性土地基：渗透系数小，粘着力强，不易产生管涌；但摩擦系数小，不利于泵房抗滑稳定，因此，防渗布置主要考虑降低渗透压力，增加泵房的抗滑稳定性。为此，可将排水设备延伸到泵房底板下，同时，为防止打桩造成粘土的(2)砂性土地基：其摩擦系数较大，渗透性较强，因此对泵房抗滑稳定有利，但同时也易产生管涌。防渗布置主要考虑防止产生渗透变形。当砂层较厚时，可采用铺盖与板桩结合的布置形式，排水设备布重在泵站进水池内，必要时，还可在铺盖始端增设短板桩以加长渗径，如砂层较薄(4～5m以内)，下面有相对不对于粉砂地基，为了防止地基液化，通常采用封闭式布置，即用板桩将(3)特殊地基：在弱透水的地基下有透水层，特别是当该层含有承压水时，应设置穿过弱透水层的铅直排水法，以便将承压水引出，防止进水侧土层被承压水顶起甚至发生流土。当地基为不同性质的冲积层，而水平向的渗透性大于铅直(二)泵站防渗排水设施设计1.铺盖铺盖一般布置在出水池后排水渠首段，主要用来延长渗径，减小渗透坡降和渗透流速。铺盖要求在长期使用下不透水，并能适应泵房地形的变形，其长度可取为泵站最大水头的1～2倍，混凝土铺盖长度不宜超过20m(1)粘土及粘壤土铺盖。一般用于砂性土地基，下游端最小厚度一般为0.6～0.8m，然后向泵房侧逐渐加厚。在与出水池连接处，一般不宜小于1.5m。铺盖与出水池连接处应加强处理，否则易沿其接触面产生渗漏，一般在连接处将铺盖加厚做成大梯形断面形式，并将底板前端做成倾斜面，使粘土能借自重及其上荷重与底板紧贴，铺盖与底板间需铺设油毛毡等柔性止水设备。另外，为了保护粘土铺盖不受水流冲刷，表面应加设砌石或混凝土保护层。当保护层为干砌块石时，还应在保护层与铺盖之间铺设反滤层,以防止粘土颗粒从干砌块石(2)混凝土、钢筋混凝土及沥青混凝土铺盖。在粘性土地基透水性较小及铺盖需兼作阻滑板时，可采用混凝土或钢筋混凝土铺盖，其厚度一般为0.4～0.6m，与出水池连接处加厚至0.8～1.0m，并用沉陷缝与出水池底板分开，缝内设止水。厚房长度较大时，顺水流方向也应设置沉降缝和止水，分缝应与泵房分段相一致，以防止铺盖开裂。沥青混凝土铺盖通常选用6号石油沥青作胶结剂，用沥青、砂、砾石和矿物粉按一定的配合比加热拌合，然后分层压实而成。其厚度一般为5～10cm，2.板桩板桩通常设在出水侧，主要用来延长渗径，其材料有木材、钢筋混凝土及钢材等，现多用贯入式预制钢筋混凝土板桩，厚约10～15cm，宽50～60cm，该桩板桩长度应根据防渗效果好和工程造价低的原则，并结合施工方法来确定。当不透水层埋深较浅时，可用板桩将透水层截断，并插入不透水层至少1.0m；若不透水层埋深很深，板桩长度可取为泵站最大水头的0.7～1.23．定喷板墙用高压定向喷射灌浆法构筑防渗板墙，是将特制水、气、浆三管喷射装置插入预先钻好的孔中，固定好喷射方向，然后边喷灌边提升，依靠高速水气射流切割土层形成沟槽，利用压缩空气的掺搅升扬作用把大部分上层颗粒带出地面，并通过浆液的充填、渗透、挤压和固结作用而形成具有一定宽度和厚度的防渗板。定喷板墙的厚度一般为5～13cm，单向喷射的有效宽度为1.5～2.5m，双向喷射4.齿墙及截水槽进出水池及泵房的上下游端均设有齿墙，以延长渗径，同时增加泵房的抗滑稳定。其深度一般为1.0～2.0m，当透水层较薄时，可用粘土或混凝土截水槽将透水层截断，截水槽嵌入不透水层的深度应不小于1.0m5.排水及反滤层排水设施一般是用直径1～2cm的卵石，砾石或碎石等铺在渗流溢出处，层厚20～30cm。为防止地基发生渗透变形，在排水与地基接触处应设反滤层。反滤层和排水结合在一起，常由三层不同粒径的砂、砾石及碎石组成，粒径自下而上逐渐加大，每层厚度约20～30cm，反滤层长度一般为5～10m，反滤层上部设置铺盖，铺盖上设Φ5cm近年来，土工织物用作Oe≤d85Oe≥d15Kf＞(1～10)KOe＜2.3d30(无纺)或1.4d50(有纺)Oe＜0.08mm式中，Oe为等效孔径对于无纺的取Oe=O90；有纺的取Oe=O95；d15、d50、d85为被保护土料的特征粒径(mm)；Kf为土工织物的渗透系数；K为被保护土层的渗三.、进出水建筑物及泵房的裂缝处理导致泵站建筑物钢筋混凝土裂缝的主要原因是两类荷载，一是外荷载产生的应力，包括外荷载的直接应力及由于外荷载作用产生的结构次应力，二是由于变形变化而引起的荷载，如结构由于温度变化导致的收缩与膨胀、地基不均匀沉陷等因素。在洪涝灾害中，泵站进出水池、进出水流道和泵房裂缝主要是由于地基的渗透变形所引起的，这种裂缝通常属于贯穿性的，其走向与沉陷走向一致。裂缝修理方法的选择及裂缝的表面处理和内部处理的方法等详见本书第关于流道的断裂加固和修复，目前实用的措施有：1.地基加固(1)当流道所穿越的大堤堤身不高，断裂发生在管口附近时，可直接开控(2)当断裂发生在流道中部，全部开挖处理比较困难，且洞径较大时，可在洞内钻孔进行灌浆处理。灌浆前要将断裂处用混凝土、钢筋混凝土或钢环封闭(3)在进行基础加固的同时，管身应设置沉陷缝。沉陷缝的止水结构一般2.流道结构补强对于产生大范围的纵向裂缝、严重的横向断裂、以及局部冲蚀破坏的流道，(1)加套管或内衬适用于人工能在洞内操作的情况，套管可采用铸铁管(2)外包加固适用于埋藏不深、且直径较小的管道。可外包混凝土或浆(3)顶管处理当管道严重破坏，且修复十分困难时，需另建新管，建新管可考虑采用顶管法,四、大型泵站超驼峰运行20世纪60年代兴建的大型排水泵站，大多数采用虹吸式出口水流道破坏真空的断流方式。在泵站设计时，按外江设计低水位淹没出口的要求确定驼峰顶部的高程，而当外江洪水出现超驼峰水位时，则必须关闭流道出口的防洪闸，以防止江水倒灌。此时若排水区发生渍涝，即使水泵机组的扬程和功率能够满足运行要求，也无法开机排水。1998年长江洪水期，仅湖北省就有36座泵站因此而被迫停泵。解决大型泵站超驼峰运行的难题，归结起来就是解决以下两个问题:①在外江洪水位超驼峰的超常条件下，如何平衡安全地启动轴流泵机组；②安全可靠地断流以防止事故停泵时大量江水倒流及机组倒转出现危害性的飞逸转速。在认真总结工程经验和多年科学研究的基础上，武汉水利电力大学泵及泵站教研室有针对性提出了压缩空气阻水断流的新技术。较好地，切实有效地解决了大型虹吸式出流的轴流泵站在超驼峰条件下正常运行的难题。不仅安全可靠，而且经济实用。所谓压缩空气阻水断流即：通过适当的工程措施向虹吸管顶部注入压缩空气，把虹吸管出水侧管内水位压低到驼峰下缘高程。由于压缩空气保持稳定的压力，虹吸管内的水位不会上升，所以，既便开启防洪闸，江水也不会倒流导致水泵倒转，在闸门开启的情况下起动机组，随着水泵转速和流量的增大，管内的空气相应由