圓形取水泵站設計

賴 晗

(貴陽鋁鎂設計研究院有限公司，貴州貴陽550081)

0 引 言

遵義氧化鋁廠取水泵站由貴陽鋁鎂設計研究院設計，泵站位于貴州省遵義市尚稽鎮烏江邊，建筑面積656 m2，取水能力為4×104m3/d，是用于工業生產及生活用水的江邊取水構筑物。泵站自上而下分為2個部分，見圖1。上部為配電室，主要的配電設備及控制設備安裝于此;下部為取水泵房，主要用于完成取水工作及放置抽水泵等設備。

1 結構體系

整個構筑物為圓筒型，總高68．9 m，其中配電室為15．1 m，泵房為 53．8 m。構筑物 ±0．000 m相當于絕對標高642．000 m。泵房底板懸挑2 m，埋置于地下的部分約為12．8 m。洪水位時，整個泵站的 -2．000 m以下部分均淹沒于水中。±0．000 m以上為配電室，采用鋼筋混凝土框架結構。±0．000 m以下為泵房，采用鋼筋混凝土筒體結構。下部泵房自重，剛度較大，可作為上部框架結構的嵌固點，且有利于抗浮、抗滑及抗傾覆設計，使整個結構受力均勻，避免局部應力集中。下部的鋼筋混凝土筒體分為5段，內直徑均為20 m，外直徑自下而上分別為 24．4 m、23．8 m、23．2 m、22．6 m、22．0 m。上部配電室共2層，第1層層高為9．0 m，第2層層高為6．1 m。上部框架結構采用PKPM計算程序進行計算，下部鋼筋混凝土筒體采用手工計算。

2 設計的基本條件

工程的結構設計基準期為50年，結構安全等級為二級，建筑抗震設防類別為丙類建筑，抗震設防烈度＜6度，建筑物場地類別為Ⅱ類。

圖1 結構剖面示意圖Fig.1 Sturcture cross-section diagram

3 結構設計要點

3.1 防水

(1)該工程為江邊取水構筑物，設計洪水位時，筒體-2．000 m以下部分均淹沒于水中，底部受較大水壓力。整個筒體均需要考慮防水，防水高度設置于±0．000 m。

(2)抗滲等級的選擇。水壓力值及結構壁厚度是確定防水混凝土抗滲等級的主要依據。設計抗滲等級一般應根據最大計算水壓頭(即最高地下水位高于地面的距離)與混凝土壁厚度的比值(水力梯度)確定。抗滲等級的選擇見表1。該工程泵房水壓頭與底層壁厚的比值為:48．3/2．2=22．0。依據表1的原則，抗滲等級取S12。同時亦可根據表1先選擇抗滲等級，然后確定合適的壁厚。該工程的防水設防要求為二級，即不允許漏水，結構表面有少量的濕漬(GB50108-201，地下工程防水技術規范)。根據防水要求，結構采用防水混凝土及防水卷材，施工縫處采用中埋式止水帶及遇水膨脹止水條。防水混凝土抗滲效果根據試驗確定。

表1 抗滲等級表Tab.1 Anti-leakage rating

3.2 抗浮

該工程泵房尺寸較大，水位較高，抗浮是該設計的主要控制因素之一。目前常用的抗浮方式有自重抗浮、配重抗浮、嵌固抗浮及錨固抗浮。由于該泵房地基為基巖，采用抗拔樁錨固抗浮施工較困難，且不經濟，而泵房位于河床邊，四周的巖層較碎，嵌固抗浮不能滿足要求，故采用自重抗浮和配重抗浮相結合的方式，同時采用毛石砼原位灌漿，但在計算抗浮時不考慮其嵌固作用。此種方式同時可提高構筑物本身抗滑、抗傾覆能力，且安全可靠。為滿足抗浮要求，在筒內填筑3．6 m厚毛石砼，筒外設置懸挑環板附加9．3 m毛石砼外配重，起到嵌固的有益作用，對泵房的整體穩定有利。抗浮計算公式:

式中:∑G——抗浮力，結構自重(不包括設備、使用及安裝荷重)與配重之和;

F——水浮力;

Kf——抗浮安全系數，基本荷載組合下

為 1．10，特殊荷載組合下為 1．05(GB/T 50265-97泵站設計規范)。

3.3 抗滑、抗傾覆穩定計算

抗滑驗算公式:

式中:Kh—抗滑安全系數，取1．3;

∑T—水平力總和，按土壓力，水流力及風荷載等合力計算;

f——泵房底板對地基的磨擦系數，一般由試驗確定，當無試驗資料時，可按GB/T 50265-97泵站設計規范附錄A采用。

水流力計算公式:

式中:P—水流力的合力;

V—取水泵房處最大垂線平均流速;

γ—水的容重;

g—重力加速度水流力系數，參照《給水排水工程結構設計手冊》采用;

K——計算構件在與流向垂直的平面上的投影面積，應計算至最低沖刷線處。

抗傾覆驗算公式:

式中:lb—(∑G-F)作用點至最大受力邊緣點的距離;

∑Mq—有水平力引起的傾覆力矩總和(kN·m)。計算傾覆力矩時，力臂為水平力作用點至板下表面的距離;

Kq——抗傾覆安全系數，取 1．5。

3.4 泵房內力分析及計算

該工程泵房為平底鋼筋混凝土筒體結構，采用變位法進行計算，圓形泵房受力條件好，結構簡單，施工方便。泵房由柱殼及平底板組成，底板按受水的均布浮力進行計算。

(1)柱殼內力按最高水位-2．000 m設計，柱殼內直徑為20 m，結構設計按如下目標進行:①在池外水壓力及土壓力作用下，強度滿足設計要求。②在池外水壓力及土壓力作用下，裂縫滿足設計要求。由計算的結果可得到整個柱殼的內力見圖2。

圖2 柱殼內力圖Fig.2 Internal force diagram of cylidrical shell

由彎矩圖可知，整個殼體的底部受力較大，并且沿柱殼之下而上變小，甚至彎矩發生突變，柱殼內部受拉。其底部的較大彎矩是由于底板的不平衡彎矩分配產生的。故底板的剛度對柱殼的彎矩有較大影響。若增加底板的剛度，設置內配重，可以減小底板彎矩，相應減小柱殼彎矩，保證整個結構受力均勻。

(2)該工程的泵房全高設置混凝土內隔墻，且隔墻的厚度較大，故對底板按隔墻分格采用按平均反力的力學模型進行計算，將底板分割成各種不同形狀的板，分別將其折算為周邊固定承受均布反力的矩形板計算。

4 結 語

貴州遵義氧化鋁廠取水泵站，取水深度較深，體形較大，構造設計較多，且此類泵房較少設計，參考資料欠缺，給結構設計工作帶來許多問題。通過對該項目的設計實踐，有以下幾點體會:

(1)筒壁厚度的確定按強度和抗滲等級2個因素進行考慮，而此類較深的圓形泵房抗滲等級往往是確定壁厚主要因素。

(2)泵房的主體防水及施工縫的防水措施需按照防水等級選擇1種或多種進行設計。

(3)抗浮設計是工程的主要控制因素，采用配重、自重抗浮的方式較為合理，且經濟安全。

(4)此類江邊取水構筑物受水流沖擊力，在底部采用一定的嵌固措施尤為重要。

(5)從柱殼的計算可看出此類圓形泵房僅在底部區域有較大的彎矩，往上彎矩逐漸變小，甚至產生突變，上部的配筋可按構造設置。

(6)底板計算時需要考慮隔墻的作用采用平均反力法計算較為合理。

(7)可在滿足防水要求的情況下，將泵房設計為變階式，不但滿足建筑的造型要求，亦可降低造價。

［1］中華人民共和國建設部．GB 50010-2002混凝土結構設計規范［S］．北京:中國計劃出版社，2002．

［2］中華人民共和國計劃委員會．GBJ 108-87地下工程防水技術規范［S］．北京:中國計劃出版社，2001．

［3］中華人民共和國建設部．GB/T 50265-97泵站設計規范［S］．北京:中國計劃出版社，1997．

［4］建筑書店．給水排水工程結構設計手冊［M］．北京:中國建筑工業出版社，1984．

［5］雍本．特種混凝土設計與施工［M］．北京:中國建筑工業出版社，2005．