二級壩泵站主廠房混凝土整體結構設計

高 峰，李清華，李玉瑩，王永強

(山東省水利勘測設計院，山東濟南 250014)

二級壩泵站主廠房混凝土整體結構設計

高 峰，李清華，李玉瑩，王永強

(山東省水利勘測設計院，山東濟南 250014)

為了解決深埋于地下的大型泵站主廠房采用分縫結構存在的側向穩定和縫內止水滲漏問題，南水北調東線一期工程二級壩泵站主廠房結構采用了不分縫的整體結構。對分縫方案和整體結構方案進行了有限元分析計算，并對整體結構方案進行了底板溫度應力分析計算，計算結果表明:整體結構方案具有受力合理、應力水平低、結構沉降均勻且較小、側向穩定能自身平衡、工程投資較省等優點。二級壩泵站主廠房主體結構完工后經歷了兩個完整冬季，底板未發現可見混凝土裂縫，其他部位未見有害貫穿性裂縫。

整體結構;分縫結構;溫度應力;混凝土;應力水平;沉降;二級壩泵站;南水北調東線工程

南水北調東線工程基本任務是從長江下游調水，向黃淮海平原東部和山東半島補充水源，與南水北調中線、西線工程一起，共同解決我國北方地區水資源緊缺問題。東平湖是東線工程最高點，第一期工程從長江至東平湖設13個調水梯級共34座泵站，其中新建21座泵站。對東線工程而言，泵站工程建設的好壞決定了南水北調東線工程的成敗，對泵站結構穩定性、安全性、耐久性和經濟性進行研究意義重大。

GB/T 50265—2010《泵站設計規范》規定土基上伸縮縫間距不宜大于30 m、巖基上間距不宜大于20 m，因此我國大型泵站大多采用分縫的結構方案。在后期運行中發現伸縮縫往往成為這些泵站漏水的主要通道，且難以進行維修堵漏，成為影響泵站正常運行的重要問題［1-2］。對于深埋于地下的大型泵站主廠房采用分縫方案還存在以下主要問題:①兩側結構均有一側臨空，結構側向穩定問題難以解決;②結構應力水平較高，應力集中現象明顯;③地基沉降不均勻。

隨著混凝土材料和裂縫控制技術研究的發展及人們對混凝土裂縫產生機理認識的加深，混凝土材料性能和施工管理水平逐步提高，各類建筑物(構筑物)的伸縮縫間距越來越大，盡量少設縫或不設縫成為混凝土結構的一種發展趨勢，一批超長超大混凝土結構陸續建成，取得很好的效果［3-10］。各類成功的工程實踐，為泵站主廠房混凝土結構的無縫設計提供了寶貴的經驗，但到目前為止，大型泵站鮮見整體結構設計的工程實例，更缺乏系統、全面的設計研究。

1 方案設計

南水北調東線一期工程二級壩泵站樞紐工程位于山東省微山縣歡城鎮境內，是南水北調東線工程的第10級抽水梯級泵站，也是山東境內的關鍵性控制工程。工程規模為大(1)型，泵站等別為Ⅰ等。裝機5臺套后置式燈泡貫流泵(1臺備用)，設計輸水流量為125 m3/s，設計凈揚程3.21 m，單機流量31.5 m3/s，單機功率1 650 kW。多年平均設計裝機利用時間4364 h。

泵站采用塊基型，共分為4層，地上1層，地下3層。地上1層由排架和屋頂大梁組成;地下1層布置變頻器等電器設備，地下2層布設油泵、機旁箱等設備，地下3層為流道水泵層。主廠房底板厚1.60m(局部厚達4.20m)。在進水流道前設檢修門一道，出水流道后設有作為泵站出口斷流的油壓啟閉機控制的快速閘門和作為保護的備用事故檢修門。基礎位于第⑦層壤土夾礓石層，其修正后承載力特征值為187 kPa，地基條件較好。

主廠房在初步設計時采用常規的分縫方案，如圖1所示。垂直水流向分為2塊:右側3個泵組為一聯，左側2個泵組加上安裝間為一聯，中間設1條伸縮縫，2塊長均為28.30 m，總長56.60 m。順水流向主廠房與快速閘門間設1條伸縮縫，主廠房和快速閘門的長度分別為34.00 m和9.80 m。底板分為4塊，最大塊28.30m×34.00 m，最小塊28.30 m×9.80 m。

圖1 分縫方案平面布置(單位:m)

工程施工圖設計階段，在充分調研和分析計算的基礎上，提出整體結構方案:取消順水流向和垂直水流向的伸縮縫，泵站主廠房結構形成一個整體，順水流向長41.80m，垂直水流向長55.98m，詳見圖2。

2 分縫方案和整體結構方案比較

為比較兩種方案的優缺點，對分縫方案和整體結構方案進行了分析計算。

圖2 整體結構方案平面布置(單位:m)

2.1 內力與沉降計算分析

采用通用有限元程序，對兩個方案進行了內力和沉降計算。

計算中采用參數如下:地基土的彈性模量為40MPa;回填土濕密度1.94g/cm3，飽和密度2.04g/cm3;混凝土強度等級C30，彈性模量30GPa，泊松比0.2，密度2.55 g/cm3;水泵荷載按泵的裝機圖選取。

計算工況選施工完建(泵房內外均無水)和正常運行(泵站進水池水位30.89 m，出水池水位34.10 m)兩種工況。計算模型除主廠房外，地基底板向下取25 m，泵房前后左右除去開挖回填部分各取30 m，地基底部加三向約束，四周加水平約束。

選用右手坐標系，x坐標取順水流方向，y坐標豎直向上，z坐標垂直水流方向。

分縫方案選擇三機一聯的28.30 m×34.00 m塊作為計算單元，計算模型見圖3，整體結構方案計算模型見圖4。計算結果見表1和表2。

圖3 分縫方案計算模型

圖4 整體結構方案計算模型

表1 分縫方案主廠房的應力和位移(三機一聯)

表2 整體結構方案主廠房的應力和位移

經綜合分析可知，整體結構方案與分縫結構方案相比，具有以下優勢:

a.整體結構方案受力合理、均勻。整體結構方案最大應力(拉應力)3.80 MPa，遠小于分縫方案最大應力(拉應力)16.29 MPa。

b.整體結構方案沉降均勻，沉降量小，沉降差小，對工程運行和設備耐久性有利。整體結構方案最大豎向位移74 mm，最小54 mm，兩者比值為1.37，沉降差20mm。分縫結構方案最大豎向位移131 mm，最小90mm，兩者比值為1.46，沉降差41mm。

c.整體結構方案平均地基應力水平低，施工完建期最大地基應力177 kPa，小于分縫方案的213 kPa，天然地基承載力滿足要求。

d.整體結構方案兩側土壓力相互平衡，與分縫方案相比，不存在主廠房側向穩定問題，無需專門的處理措施，降低了工程造價。

e.整體結構方案由于中間不設縫，不會發生止水漏水等難以處理的問題;取消中間止水，減少了施工工序，施工難度有所降低。

f.由于取消了伸縮縫，整體結構方案的抗震性能優于分縫方案的抗震性能。

2.2 經濟比較

泵站主廠房分縫方案與整體結構方案的投資比較見表3，表中項目為兩方案相同項目以外的差異項對比。

表3 分縫方案與整體結構方案投資對比

分縫方案總投資為367.31萬元，整體結構方案總投資為44.16萬元，整體結構方案可節約投資323.15萬元。

根據以上分析可知，從整體穩定、結構受力、地基沉降、工程措施和工程投資方面來看，整體結構設計方案均優于分縫設計方案。

3 整體結構方案底板溫度應力計算

整體結構方案底板混凝土方量大，為驗證整體澆筑的可行性，對底板的溫度應力進行了計算?；炷猎O計指標:強度等級C30，抗凍標號F150，抗滲標號W8?？紤]不利的施工氣象條件，取泵站附近實測冬季大幅降溫資料，溫度由10℃降至5℃?？紤]底板厚度的影響，取1.60m、3.00m和4.00m共3種板厚分別計算。在溫度應力計算中，主要考慮基礎總降溫差引起的外約束應力?？偨禍夭钇诎踩娜∷療嶙罡邷厣鋮s至某時的環境溫差(為偏于安全，計算中取5℃)，將總降溫差分成臺階式降溫(步距3 d)計算。計算結果見表4。

表4 各種板厚的溫度應力

由表4可見，在溫度應力作用下，不同厚度的底板均滿足抗裂要求，主廠房混凝土整體結構設計是合理可行的。

4 施工控制措施

根據工程混凝土特點，在施工中重點采取了以下措施:

a.確定合理的配合比。目的是降低水化熱溫升，適當延長凝結時間，減小混凝土收縮。采取的措施有:降低水泥用量，摻加礦物摻和料;使用緩凝型高效減水劑;控制好混凝土入模溫度。

b.掌握正確的施工方法。目的是防止離析，盡量減少塑性裂縫。采取的措施有:斜面分層澆筑;避免過振產生離析;用木抹子多次搓面防止產生塑性裂縫。

c.嚴格執行保溫保濕養護制度。目的是控制混凝土內表溫差，防止在混凝土早齡期發生干縮。采取的措施有:覆蓋保溫材料，混凝土入模溫度小于32℃，里表溫差小于 20℃，每天降溫速率小于1.5℃。在混凝土早齡期保持潮濕，推遲干縮發生。

d.認真測溫，隨時監控混凝土內溫度。采取的措施有:澆筑前在混凝土占據的空間內布置測溫點，在凝結后的整個養護期內，定時測定混凝土內各部位溫度，以確保控制在計劃范圍之內。萬一發生異常情況，可及時采取補救措施。

e.采用“跳倉法”澆筑混凝土。在長度方向劃分合適的倉段跳倉澆筑。實踐證明這是減少混凝土有害裂縫的有效方法。

5 工程實施效果

作為國內少有的整體結構大型泵站，本工程的設計、施工得到各級領導和各參建單位的關心和支持，在工程開工建設前組織了多次工程實施方案專家論證會。在充分組織準備的基礎上，主廠房工程于2009年5月開始澆筑底板混凝土，同年8月澆筑完流道層，10月主體結構封頂?，F場實測表明，各測點沉降值均勻且較小(17～30 mm)。

至今，工程已經歷兩個完整的多年未遇寒冷冬季，未發現貫穿性有害裂縫，工程質量良好，達到了預期目標。

6 結語

大型泵站主廠房整體結構方案受力合理，應力水平低，結構沉降均勻且較小，側向穩定能自身平衡，不存在止水和抗震裂縫處理問題，工程投資較省。底板溫度計算表明，主廠房混凝土整體結構設計是合理可行的。二級壩泵站主廠房主體結構完工后經歷了兩個冬季的降溫考驗，底板未發現可見混凝土裂縫，其他部位未見有害貫穿性裂縫。本工程的設計經驗可為相近工程的設計提供寶貴經驗。

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Overall structural design of concrete for power house of Erjiba Pumping Station

GAO Feng，LI Qinghua，LI Yuying，WANG Yongqiang(Shandong Water Conservancy Survey and Design Institute，Jinan250014，China)

To solve the problem of lateral stability and sealing leakage of the power house of deep，buried，large pumping stations with a parting structure，the power house of the Erjiba Pumping Station of the Eastern Route Project of South-to-North Water Diversion adopts the overall structure without the parting structure.The schemes of the parting structure and overall structure were analyzed and calculated by means of the finite element method.The temperature stress on the bottom plate for the latter scheme was analyzed.The calculated results show that the scheme of the overall structure has advantages such as a rational force，a low stress level，uniform and small settlement，lateral stability and self-balance，and economical project investment.The power house of the Erjiba Pumping Station has undergone two compete winters after the completion of the main structure，and neither visible concrete cracks on the bottom plate nor harmful penetrated cracks on other locations have been found.

overall structure;parting structure;temperature stress;concrete;stress level;settlement;Erjiba pumping station;Eastern Route Project of South-to-North Water Diversion

TV675

A

1006-7647(2013)02-0051-04

10.3880/j.issn.1006-7647.2013.02.011

高峰(1969—)，男，山東菏澤人，教授級高級工程師，碩士，主要從事水工結構研究。E-mail:86956326@163.com

2012-05-30 編輯:熊水斌)