孙飞 白传贞 南水北调东线江苏水源有限责任公司宿迁分公司

芦园园 刘畅 中科宁图技术江苏有限公司

1.研究目的及意义

南水北调工程是解决我国部分地区水资源严重短缺问题的重大战略举措，其东线工程从长江下游取水沿京杭运河向北送水，以解决京沪沿线和山东半岛城市缺水的问题，并为农业和生态进行补水。根据近年来南水北调江苏段工程运行期间垂直位移实测数据分析，部分泵站出现了一定的垂直位移上浮现象，为确保工程主体安全及上下游两岸人民的生命财产安全，有必要对其监测成果进行分析研究，以确定工程上浮原因及其影响因素。泗洪站枢纽工程是南水北调东线工程的第四梯级泵站，该枢纽是南水北调的重要节点，自建成运行以来进行了持续稳定的安全监测，积累了丰富的监测数据。

2.研究内容

2.1 监测数据

本文垂直位移观测数据来源于江苏省南水北调工程安全监测信息管理与分析系统内记录的数据，将系统的垂直位移进行记录并与泵站的工作基点BM3沉降量进行修正，基于获取得到的可靠垂直位移绝对值研究，解决以往基准点沉降位移给位移观测值带来的干扰。对底板数据进行垂直位移修正，通过分析垂直位移分布，该泵站的垂直位移分布浮动在-5mm-3mm之间，其中垂直位移上浮占比较多，为研究其垂直位移及其影响因素，探寻垂直位移上浮问题。拟对泵站底板测点011进行研究分析，以测点011反应整个泵体运行状态。

2.2 选用模型

由于泗洪泵站在测量过程中仅在底板处埋设了测压管，缺失泵体温度计，应结合泵站地质、工程、水文等数据，采取有限元和统计回归有机结合方法对泵体进行混合模型建立，因此本文采用基于有限元的垂直位移混合模型建模。

3.模型建立及影响因素分析

3.1 地质资料数据

泗洪地处苏北平原地区，而泗洪水利枢纽建设在天然土基中，这些土基的物理力学均较好，根据水利工程的建筑物的不同，其建设土层大致分为1-6层，土质结构多为粘土与砂壤土。其承载力在95Kpa到300Kpa中。

3.2 泵站有限元混合模型建立

根据泗洪泵站获取到的测压管上下游荷载水位数据、地质结构数据，结合其立面图、剖面图、平面图等CAD图纸上简化为基础进行泵体有限元模型建立。

3.2.1 参数建模和网格划分

结合收集到的数据采取ANSYS19.2中APDL参数化语言建立。以泵体底板为核心研究结构，在舍弃了泵体中的泄洪深孔、检查廊道等局部影响，采取建立规则为点一线一面一体的六面体八结点方式进行。计算范围按照上下游模拟22.3m，左右向两岸各取18m，深度方向取15.4m对其进行合理概化和高精度模拟。

泵体底板坐落于第6 层土质上，弹性模量E=9.1×104MPa，泊松比u=0.3，容重Y=25k N/m3。对于泵体的基岩建立作均匀参数考虑，容重Y=22 k N/m3，弹性模量E=1.0×104MPa，泊松比u=0.25，渗透系数为k=1.9×10-3cm/s。泵站模型由55028个单元数量和65363个节点数量进行构成。

3.2.2 垂直位移混合模型建立

对于垂直位移进行混合模型建立，即水压部分采取ANSYS19.2拟合得到的数据进行偏回归分析，而温度分量和时效分量则在实测数据上减去水压分量的数据，再进行偏最小二乘统计回归模型计算。在偏最小回归下的泗洪泵站混合模型回归效果与常规混合模型所取得的垂直位移变量分离结果进行对比，从而脱离仅靠数学经验模型分析出的结论，将更加深入地得到真正影响泗洪泵站垂直位移的因素，从而达到预警与保护的作用。

3.3 混合模型下垂直位移影响因素研究

3.3.1 垂直位移因子影响因素分析

通过对底板测点011混合模型各变量进行分离，其占比如图1。

图1 测点011混合垂直位移影响因素分布

通过混合模型建模分析可得出，水压分量在有限元拟合分离中对垂直位移占比峰值不超过0.45mm。综合统计回归分析和有限元建模分析，可见水压分量在汛期期间会有所上升，但绝大部分时间水压分量在对泗洪泵站的影响中并非占据主要因素。究其原因，泗洪泵站的上下游水位较低，上游水位普遍在12米-14.5米之间，下游水位分布在11.5米-13.5米之间。且汛期最大水位差值不到2米，这使得水压位移对底板垂直位移影响较小。而时效分量则在泵体运行过程中趋于平稳，其数值和比重对于所占据的垂直位移影响分量较小，而根据泗洪泵站实际调研反馈也得到泵体维稳并无大安全隐患。

温度分量作为泗洪泵站底板主要因素，呈现一定振幅变化的简谐情况，其规律按照年分布遵循着热胀冷缩的规律，即天气炎热情况下，底板各物体运动速率加快，表现为向上托浮，导致位移量呈现上浮趋势，而在冬天等天气则回归平稳，但其变形值在0-3mm内，属于正常范围。

3.3.2 其他因子解释

从泵体地基的应力来考虑垂直位移呈现向上的原因：泵体在建设初期随着自重的加大，其土层始终存在着受力慢慢增大的趋势，而随着泵站建设完毕后，其重力荷载不再增加而趋于稳定。在泵体建设后通水试行，由于上下游水位不同存在着扬压力托举与自重力抵消的情况下，其土体结构相对建设完毕的情况下相当于荷载减少。随着汛期非汛期期间上下游水位的差距，其土体过程荷载与扬压力呈相关性，即上下游水位差较大荷载减少，水位稳定情况下荷载增加，受力点荷载增加与减少的受力曲线不同，导致其承压力度不同，则垂直位移呈现上浮趋势。

并且考虑到苏北泵体地区土质存在着膨胀土情况，在温度较高情况下土体宏观上会产生膨胀导致垂直位移向上的问题。

4.结束语

本文通过收集泗洪泵站的历史观测数据及相关资料，对泵站垂直位移的原因及其影响因素进行了探讨。在读取泵站垂直位移数据并基于工作基点修正后，结合泗洪泵站地质、水文、环境因子等数据，建立基于偏最小二乘与有限元的混合模型。在建立的模型中对垂直位移影响因素进行了分析，得出水压分量和温度分量是其主要影响因子，并讨论了有关泗洪泵站土质的结构，确立了垂直位移变化异常的原因。同时本文也存在一些不足之处：（1）本文只基于泵站的一个测点建立了分析模型，并不能够完全反应泵站整体的位移状况，数据不够全面；（2）所用观测数据不够完善，数据量不足且观测周期及间隔不能够完全满足监测要求。