泵站出水池的抗浮設計

魯航線 ，張東巖 ，高家增 ，胡大衛 ，王旭陽

（1.四川大學水利水電學院，四川成都 610065；2.天津市市政工程設計研究院，天津市 300051）

1 問題的提出

在給排水構筑物的設計中結構的抗浮計算是一項重要內容。按照《給水排水工程構筑物結構設計規范》（GB50069-2002）第5.2.3條，構筑物的抗浮穩定性抗力系數Ks為1.05。一些構筑物由于地下水位較高而使得單純依靠結構自重常常不能滿足抗浮的要求，這時就需要采取一定的措施。

1.1 工程簡介

某排澇泵站位于北方沿海地區，泵站設計流量為40 m3/s，具有強排、自流、引水、蓄水及聯通等多種功能，是一座多功能的跨河樞紐泵站。泵站主體包括進水、泵房、出水、自流等部分。泵房整體布置見圖1。

泵站設計地面標高為5.00 m，最深處底板底標高為-3.90 m。整體平面尺寸為51.95 m×43.23 m，由于縱橫向均大于30 m的地下混凝土水池長度上限。因此，設計對泵房主體橫縱向各設一道伸縮縫，將泵房分為四部分，其中進水及泵房沿軸線分為兩部分，出水池沿軸線分為兩部分（見圖2）。分割完后前后兩部分尺寸（因泵站為對稱形式，前后兩部分均對稱）分別為28.28 m×21.6 m和23.67 m×16.2 m。

1.2 抗浮計算

根據地質報告，該泵站所在場地地下水位標高在勘察期間為1.17～2.00 m，年變化幅度為1.0 m，由于泵站建成后進水河道最高水位為2.0 m，考慮一定的水力坡降，抗浮計算水位取為2.5 m。據此水位對泵站四部分分別進行抗浮計算，經過計算，前面兩部分抗浮安全系數為1.20，后面兩部分抗浮安全系數為0.68。上述前面兩部分可以滿足大于1.05的抗浮要求，而后兩部分即泵站出水池部分顯然不滿足抗浮安全系數的要求，必須采取輔助的抗浮措施。

2 給排水構筑物常用的的抗浮方式

在泵站、污水處理廠等給排水構筑物中一般經常采用的構筑物抗浮措施有配重抗浮（包括在底板上配重、在底板下配重以及加厚底板等）、加大底板飛邊、錨固抗浮、降水抗浮等形式。

2.1 配重抗浮

混凝土的特點就是自重較大，但這個特點正好有利于地下或半地下構筑物的抗浮，一般構筑物的抗浮主要依靠其結構自身的重量。由于混凝土的比重為22～25 kN/m3，大于地下水的10 kN/m3，因此，當水池不滿足抗浮要求時可以將底板的混凝土量增加，利用混凝土與地下水的比重差來達到抗浮穩定的要求。

配重抗浮一般有三種方法：一是在底板上部采用低等級混凝土壓重；二是采用較厚的鋼筋混凝土底板；三是在底板下部采用低等級混凝土掛重。前兩種方法的優點是簡單可靠，當構筑物的自身重度與浮力相差不大時，應盡量采用配重抗浮，對工程造價的影響小,投產后亦沒有管理成本。但構筑物的自身重度與浮力相差較大時，本方法將會增加工程量使土建造價提高，原因是配重部分要扣除浮力，導致配重部分的厚度增大；較大的埋深也將增加挖方量和排水費用，同時也會增大基底壓力，引起較大的地基變形。如采用底板上設低等級混凝土壓重的方法，將會使壁板的計算長度H加大，而壁板根部的彎矩值與H是平方關系,這樣會使壁板根部的彎矩值增長較快，彎矩值較大時，板厚和配筋也會相應增大；如采用較厚的鋼筋混凝土底板的方法，其工程量與設低等級混凝土壓重相差不多，壁板的彎矩值雖小，但底板的鋼筋用量會有些許增加；如采用底板下設混凝土掛重的方法，壁板的彎矩值小，底板的鋼筋用量也不會增加，但底板和掛重部分混凝土須用鋼筋連接，施工比較麻煩，當地下水對鋼筋和混凝土具有侵蝕性時，設混凝土掛重的方法須謹慎。

2.2 加大底板飛邊

增加結構的重量除了配重外，還可以采用加大底板飛邊，依靠飛邊上的土重來提高整體對地基的荷載來達到抗浮要求。

2.3 錨固抗浮

所謂錨固抗浮，顧名思義，就是采用錨固的方法將水池錨固于地基上來抗浮，錨固措施有抗拔樁和錨桿。抗拔樁利用樁的側摩阻力和自身重量來抵抗浮力，樁型可采用樹根樁、灌注樁或預制樁。抗拔樁施工較簡單，耐久性較好；錨桿抗浮是利用在底板下土層中設錨桿來錨固池體。錨桿抗浮有三個問題需要注意：一是受力問題，當構筑物內無水時，錨桿處于受拉狀態，當構筑物滿水時，錨桿又處于受壓狀態，錨桿的底端類似于樁端，錨桿在反復拉壓狀態下的工作性能有待進一步的實驗研究；二是施工問題，錨桿的施工需有專門的機械，施工前要進行試驗，同時，較細的錨桿在施工時有一定的難度，如何控制鋼筋偏移，如何使灌漿飽滿、如何避免斷桿等都是施工難題，尤其是錨桿較長時，不如配重抗浮來得簡便；三是適用性，當地下水對鋼筋有侵蝕性時，細錨桿的耐久性問題不易解決，這將在一定程度上限制其適用性。

2.4 降水抗浮

除了利用增加結構重量及向下拉力來達到抗浮要求外，還可以采用降低地下水的方法。具體做法是在構筑物底板下設反濾層，在構筑物周圍設降水井，降水井和反濾層間用盲溝相連，當構筑物因檢修設備而需要放空時，可在降水井內抽水使地下水位降至安全水位，從而保證構筑物的穩定。降水抗浮的優點是工程造價低，缺點是管理較麻煩，每次檢修均需要抽水。

3 泵房出水池抗浮措施

由于配重抗浮和錨固抗浮對造價的影響較大，降水抗浮又會給管理維護帶來麻煩，因此，在本泵站出水池的抗浮設計中，采用了一種單向止水的形式。當出水池放空時地下水可以滲入水池，達到抗浮安全的目的。具體做法是：在出水池底板安裝一種球形止回閥（又稱逆止閥），底板下設300厚級配碎石及土工布作為反濾層。球形止回閥主要有殼體、防護蓋板、球體等三部分組成，球體與殼體內密封座構成一套完整的密封體系，利用球體在殼體內的不同位置實現止回閥的啟、閉功能。運行時，當地下水位低于池內水位時，球體與殼體密封座緊密貼合，此時閥門處于密閉狀態，阻隔池內水體與地下水的通道；當地下水位上升至高于池內水位時，球體在地下水壓的作用下離開密封座，此時閥門處于開啟狀態，導通地下水與池內水，地下水便可經球體與殼體密封座之間的間隙流入池內，地下水壓力和水量越大，球體與殼體密封座之間的間隙越大，流量也越大。當地下水與池內水位相持平時，球體回至密封座體位置，此時閥門處于密閉狀態。

止回閥安裝示意見圖3。

出水池水位的降落速度取決于排出至河道的流量，在池內水位接近地下水位時，當排出流量較大時，流入池內的地下水的流速也較快，反之就較慢。根據實驗結果，公稱直徑為100 mm的球形止回閥其流量與水頭差的關系如圖4所示。

根據圖4曲線可近似地得出流量Q與水頭差h的關系為：

根據實驗結果，本止回閥的啟動水位差為10cm，此時止回閥通過的流量為1 700 mL/s。經計算，出水池最大可以承受的內外水位差為1.5 m，則止回閥正常工作的水頭差范圍應為1.5 m以內。假設出水池排水流量保持均勻，則流入流量應為線性變化，因此可近似按照平均水頭差即（0.1+1.5）/2=0.8 m來計算所需要的止回閥數量。

根據式（1），當水頭差h=0.8 m時計算得Q=11 500（ml/s）。而出水池0.8 m水深范圍的水量W為595 m3，假設這些水量需要在10 min內補充完畢，則需要的止回閥數量n為：

即布置86個止回閥即可以滿足在10 min內將0.8 m深范圍內充滿以保證泵站出水池的安全。據此在出水池底板上布置86個止回閥，間距為3 m。

4 結語

采用單向止水的方法有效地解決了本工程出水池抗浮的問題，比采用配重抗浮和抗拔樁抗浮工程造價分別節約了約30萬元和43萬元。該止回閥采用球體作為密封件，球體受力狀態好，變形小，球體表面積聚泥沙的機率小，在殼體內設有防塵槽，用于沉積泥沙，且球體與密封座無固定的接觸點，磨損均勻，使用壽命長。由于結構相對簡單，安裝及維護方便，因此，可大量應用于類似工程的抗浮設計中。

該止回閥存在的主要問題是耐壓能力較小，水池無法實現完全空池，因此這種止回閥不能用于有檢修要求的水池。另外，由于該止回閥還不能保證完全密封，有可能會發生池內水體滲漏的現象，因此對于污水處理廠及給水廠，建議采用更安全的方式來解決抗浮問題。

[1]GB50069-2002,給水排水工程構筑物結構設計規范[S].

[2]吳銘,王金成,陳海燕.大型排水構筑物的抗浮設計[J].特種結構,2004(1).