抗拉拔錨桿在取水泵房抗浮穩定設計中的應用

徐喜林 王曄輝.中石化石油工程設計有限公司, 山東 東營 5706；.內蒙古中能天然氣有限公司， 內蒙古 呼和浩特 0000

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抗拉拔錨桿在取水泵房抗浮穩定設計中的應用

徐喜林1王曄輝2
1.中石化石油工程設計有限公司, 山東 東營 257026；2.內蒙古中能天然氣有限公司， 內蒙古 呼和浩特 020010

河岸式取水泵房的抗浮穩定設計是泵房設計的一個重要環節。為了探討抗拉拔錨桿錨固抗浮穩定方式在泵房抗浮穩定中的應用特點,以元壩氣田凈化廠取水泵房的抗浮穩定設計為工程實例,扼要闡述了泵房抗拉拔錨桿錨固抗浮穩定方式較適用于構筑物臨水面水位較高或構筑物地下室的地下水位較高的情況；對基坑基底巖土條件來講,適用于基巖較完整、堅固,巖層較厚的場地。提出了抗拉拔錨桿錨固抗浮穩定的一般設計要點,可為類似工程的設計、施工和研究提供參考。

河岸式取水泵房;抗拉拔錨桿;抗浮穩定設計

0 前言

河岸式取水泵房的抗浮穩定設計是泵房設計的重要環節。當泵房尺寸較大、水位較高時,泵房的抗浮穩定往往是設計的主要控制因素[1]。本文介紹了元壩氣田取水泵房的抗浮穩定設計和施工投產情況,為研究類似工程的取水泵房抗浮穩定方式和抗浮條件提供了成功的實例。

1 取水泵房工程概況

元壩氣田取水泵房位于四川省廣元、南充、巴中境內,隸屬于中石化巴中探區。元壩氣田凈化廠是元壩氣田重要的系統配套工程,凈化廠從該區東河取水,設河岸式取水泵房,裝3臺水泵機組,設計取水規模為800m3/h。凈化廠取水泵房為元壩氣田建設給排水工程之一,是提供元壩凈化廠生產及生活用水的基礎建設工程[2]。該取水泵房于2012年年底完成施工圖設計,2013年1月開工,其主體工程在建設中解決了河岸山體邊坡施工困難,泵房與河床高度落差較大(主體工程施工高度達26m)等工程難題,并經歷了7月東河史上最大規模的洪災，于8月成功封頂。2014年6月14日,元壩氣田凈化廠取水泵房成功完成受電[3]。

1.1 設計規模

根據泵站等級與防洪(潮)標準[4],泵房設計等級與規模為II等中型規模。取水泵房地理位置及工程實物照片見圖1。

1.2 區域氣象條件

工程區域風向多為靜風,年主導風向為北、北西風,平均風速2.70m/s,最大風速34.00m/s。區域多年平均降雨量1 020.00mm,全年各月降雨量不均,7月最多,降雨量214.30mm,12月最少,降雨量9.80mm。多年平均氣溫16.60 ℃,極端最高40.20 ℃,極端最低-4.60 ℃。

1.3 場地穩定性及工程地質條件

取水泵房勘察場地地貌單元屬低山緩丘和河流岸坡地貌,原始地貌基本未破壞,地質環境較好。泵房南側有一東西走向、寬約6.00m的碎石瀝青公路,泵房北側為東河及河岸階地沖洪積層(圖1)。場地整體地勢南高北低,呈斜坡狀。根據現場巖土工程勘察,場區內未見地面塌陷、土洞及地裂縫等不良地質,場地邊坡現狀整體處于穩定狀態。

場地地基主要巖土層分布及工程地質特征見表1,巖土層工程地質力學性能指標見表2,巖土工程地質剖面見圖2。

a)取水泵房地理位置

b)工程實物照片

表1 巖土層分布及工程地質特征

層土編號及名稱土層特征描述1-2砂質粉土(Qal+pl4)河岸沖擊成因粉土，結構松散，干強度低，韌性較差；層厚4 80～5 80m，層底標高361 53～362 48m2-1強風化泥巖(K1c)以黏土礦物為主，含砂質，塊狀構造；節理及裂隙發育，質軟；層厚0 20～3 20m，層底標高358 33～382 16m2-2中風化泥巖(K1c)以黏土礦物為主，含少許砂質，塊狀構造；節理及裂隙不發育，巖體結構完整，質較硬；層厚4 40～5 20m(未揭穿)，層底標高353 93～354 28m

表2 巖土層工程地質力學性能指標

土層編號及名稱承載力特征值/kPa飽和單軸抗壓強度標準值/MPa內聚力/MPa內摩擦角/(°)樁周土極限側阻力標準值/kPa樁的極限端阻力標準值/kPa1-2砂質粉土(Qal+pl4)120-0 0125--2-1強風化泥巖(K1c)260-----2-2中風化泥巖(K1c)5002 530 363080800

圖2 巖土工程地質剖面圖

1.4 場地水文地質條件

根據含水介質及地下水的賦存條件,場地鉆探深度范圍內地下水主要類型為松散孔隙水及淺層基巖裂隙水,東河岸邊為潛水。

取水泵房工程場地鄰近東河,水位隨旱季和雨季交替升降,另外在河流下游有一水電站,其放水和蓄水也會影響河流水位的變化。經勘察,水電站蓄水后于東河工程場地部位設計洪水位380.30m,正常水位368.50m,最低水位363.00m。勘察期間地下水水位埋深1.20～8.20m。

1.5 結構布置

根據取水泵房所處地理位置及場地地形地貌特征條件,取水泵房平面布置采用合建式帯隔墻平底板圓形結構,立面布置采用上部結構為磚混泵房、下部結構為鋼筋混凝土泵井。取水泵井設進水間與機組間,由鋼筋混凝土隔墻隔開。鋼筋混凝土泵井的凈內徑15.00m,井壁厚度1.00～1.50m,底板厚度1.50m。取水泵房平面見圖3,立剖面見圖4。

取水泵房按Ⅱ等中型規模設計,設計洪水重現期為50年。取水泵房的設計最高洪水位380.30m,正常取水水位368.50m,最低取水水位363.00m。取水泵房下部結構鋼筋混凝土泵井頂部設計高程382.50m,進水間底板地面設計高程358.00m,機組間底板地面設計高程360.00m。泵井底板底部設計高程356.50m。

圖3 取水泵房平面(單位:m)

圖4 取水泵房立剖面圖(單位:m)

2 取水泵房抗浮穩定設計

2.1 取水泵房抗浮穩定方式的確定

取水泵房位于東河南岸坡地,基坑開挖施工、回填后,下部結構設計埋深為9.00～18.00m,具備足夠的抗滑移、抗傾覆能力。但在設計最高洪水位的工況下,下部結構浸沒水中的深度達24.80m,故影響取水泵房穩定的主要控制因素是抗浮穩定。

取水泵房抗浮穩定方式主要有增加自重抗浮穩定、配重抗浮穩定、嵌固抗浮穩定、錨桿錨固抗浮穩定等。

采用增加自重抗浮穩定方式時,由于設備重量、使用荷載和安裝荷載不是抗浮穩定計算的有效荷載,故自重的增加主要靠增大井壁和底板重量來達到目的。而井壁和底板重量的增大,又基于井壁和底板截面尺寸的加大，不僅增加了工程耗材量,而且還增加了泵房的整體體積,使得浮力也相應增大。所以自重抗浮穩定方式,主要用于不具備其他抗浮條件或自重增加不多就能滿足抗浮穩定要求的情況。

采用配重抗浮穩定方式時,較常用的配重是加在泵井底板外挑部分的填料或砌體。當不影響底部有效操作空間時,也可采用塊石混凝土或其他低等級混凝土等填料加在泵井內部底板上。配重抗浮穩定方式是結合基坑回填施工較常用的一種方式。

嵌固抗浮穩定方式,是將泵井的基礎嵌固于完整巖石的基槽內,利用巖石的抗剪強度達到抗浮目的,一般適用于基巖較完整且厚度足夠的情形。但采用這種方式,對巖石基槽的開挖施工及泵井的基礎嵌入工藝有較高要求,施工難度較大,施工質量不易控制。

錨桿錨固抗浮穩定方式是在位于泵井整個底板基礎下面的基巖部位,均勻埋設抗拉拔錨桿,泵井的鋼筋混凝土底板與底板下的穩定基巖通過錨桿錨固成整體結構,利用錨桿的抗拉拔力提高泵房的抗浮穩定。泵房基礎錨桿布置見圖5，錨桿錨固見圖6。

圖5 泵房基礎錨桿布置圖

圖6 錨桿錨固圖

錨桿錨固抗浮在我國許多地區已廣泛應用[5]。對地下構筑物來講,當構筑物地下室的自重和覆土不能抵消地下水產生的浮力時,通過設置垂直抗拉拔錨桿,可以消除地下水浮力產生的不利影響,從而保證地下室的穩定和安全,設置垂直抗拉拔錨桿施工方便,造價相對低廉[6]。對構筑物臨水水位較高的情況,在構筑物基底設置抗拉拔錨桿抗浮則更有優勢[7]。錨桿錨固抗浮穩定方式比較適用于基巖較完整、巖層較厚的場合,與嵌固抗浮穩定方式相比,可充分利用機械施工條件,施工質量容易控制,效率較高[8]。

元壩氣田取水泵房泵井底板底部設計高程356.50m,位于2-2中風化泥巖(K1c)層,該層飽和單軸抗壓強度標準值2.53MPa,承載力特征值500.00kPa,基巖堅固完整、巖層較厚(鉆探層厚4.40～5.20m)。為了充分利用泵井底板下完整基巖堅固、穩定的性能,結合基坑開挖方式,考慮基坑回填料的配重作用,確定泵房的抗浮方式為以設置抗拉拔錨桿錨固抗浮為主、配重為輔的綜合抗浮穩定方式。

2.2 抗拉拔錨桿抗浮穩定設計

2.2.1 計算公式

抗拉拔錨桿錨固抗浮穩定的設計目前沒有專門的規范條文,可參考GB50007-2011《建筑地基基礎設計規范》(簡稱GB50007-2011)中“巖石錨桿基礎”部分[9]和《給水排水工程結構設計手冊》(第二版)。取水泵房抗浮穩定按式(1)驗算:

(1)

式中:∑Gi為抗浮力總和,根據所采用的抗浮方式確定,kN;F為取水泵房所受浮力,kN;Ksf為抗浮穩定性抗力系數,取Ksf=1.05。

取水泵房所受浮力F按式(2)計算:

F=AH1γw

(2)

式中:A為包括外挑部分的底板面積,m2;H1為底板底面至水面高度,m;γw為水重度，kN/m3,一般取10.00kN/m3。

根據地形地貌和地質特征條件,元壩氣田取水泵房下部結構施工方式采用基坑放坡開挖，布設抗拉錨桿，澆筑泵井后再回填,泵井筒壁與巖石間由回填料隔開,泵房的抗浮力總和∑Gi不再考慮泵井筒壁與巖石的黏結力,主要考慮泵房結構自重G1、泵井底板外挑部分及泵井內機組間底板上填料配重G2和錨桿抗拔力G3等因素,即

∑Gi=G1+G2+G3

(3)

當取水泵房的結構尺寸確定時,泵房結構自重G1、泵井底板外挑部分及泵井內機組間底板上填料配重G2亦得到相應確定。錨桿抗拔力G3取決于錨桿的孔徑、數量、有效錨固長度以及灌注水泥砂漿與錨固巖石間的黏結強度。錨桿抗拔力G3按式(4)計算:

G3=nP

(4)

式中:n為錨桿數,根;P為單根錨桿抗拔力特征值,kN。

單根錨桿抗拔力特征值P按式(5)計算:

P≤0.8πd1Lf1

(5)

式中:P為單根錨桿抗拔力特征值,kN;d1為錨桿孔直徑,mm;L為錨桿的有效錨固長度,mm;f1為砂漿與巖石間的黏結強度特征值,kN/mm2。

條件許可時,單根錨桿抗拔力P應進行現場巖石錨桿抗拔試驗,根據試驗結果確定。資料缺乏時,初步設計階段可按式(5)確定,但施工時應進行現場巖石錨桿抗拔試驗復核[10]。

砂漿與巖石間的黏結強度特征值f1可由試驗確定。當缺乏試驗資料時,可根據GB50007-2011中“砂漿與巖石間的黏結強度特征值表”[11]查表確定。

2.2.2 計算結果

2.2.2.1 取水泵房所受浮力

最高洪水位時,H1=380.30-356.50+1.0=24.80m;泵房圓形底板直徑為19.00m,底板面積A=283.39m2;則取水泵房所受浮力F=AH1γW=70 279.48kN。

2.2.2.2 抗浮力總和

∑Gi=FKsf=73 793.45kN

2.2.2.3 錨桿抗拔力

根據泵房結構布置圖的設計尺寸和工程材質,求得泵房結構自重G1= 53 863.61kN；泵井底板外挑部分及泵井內機組間底板上填料配重G2=6 253.05kN；錨桿抗拔力G3=∑Gi-G1-G2= 13 676.79kN。

2.2.2.4 泵房抗浮穩定計算成果

泵房抗浮穩定計算成果見表3。

表3 泵房抗浮穩定計算成果

計算洪水位H1/m底板面積A/m2浮力F/kN結構自重G1/kN配重G2/kN錨桿抗拔力G3/kN抗浮力總和∑Gi/kN抗浮穩定抗力系數Ksf24 80283 3970279 4853863 616253 0513676 7973793 451 05

2.2.3 錨桿計算

2.2.3.1 單根錨桿抗拔力

抗拉拔錨桿擬在整個泵井底板范圍內采取環形布置的方式,錨桿間距1.50m,共布置錨桿數量n為132根。按式(4)求得單根錨桿抗拔力P為:

(6)

2.2.3.2 單根錨桿的截面面積

單根錨桿的截面面積Ag按式(7):

(7)

式中:fy為錨桿的抗拉強度設計值,取0.30kN/mm2;當P=103.61kN時,求得Ag為345.37mm2。

錨桿選用HRB335級鋼筋,錨桿直徑d取22.00mm,單根錨桿截面面積Ag取379.94mm2，錨桿孔孔徑取d1=75.00mm。

2.2.3.3 錨桿有效錨固長度及錨固深度

由P≤0.8πd1Lf1,當取d1=75.00mm,f1=0.3×10-3kN/mm2時,求得錨桿有效錨固長度L≥1 833.00mm；取錨固深度L1=2 000.00mm。

2.2.3.4 錨桿計算成果

錨桿計算成果見表4。

表4 錨桿計算成果

錨桿數量n/根單根錨桿抗拔力P/kN錨桿直徑d/mm錨桿孔孔徑d1/mm砂漿與巖石間的黏結強度特征值f1/(kN·mm-2)錨桿的抗拉強度設計值fy/(kN·mm-2)錨固深度L1/mm132 00103 6122 0075 000 30×10-30 302000 00

2.2.4 錨桿布置

2.2.4.1 錨桿布置原則及構造要求

1)場地條件。錨桿錨固場地要求基巖堅固完整、巖層較厚,具備施工條件。

2)錨桿布置。錨桿應均勻布置在泵房底板下壁板軸線位置或在整個底板下均勻設置(圖5)。

3)錨桿桿體形狀及直徑。錨桿一般采用螺紋鋼筋,伸入底板的一端帶彎鉤;錨桿直徑d一般不小于22mm。

4)錨桿錨固深度。錨桿于基巖的錨固深度應根據計算確定,一般不宜小于1m且不得少于40d;錨桿桿體伸入泵房底板的錨固長度不小于35d。

5)錨桿孔孔徑與間距。錨桿孔孔徑d1一般為3d且不小于d+50mm;錨桿孔中心距不小于6d1(圖6)。

取水泵房底板錨桿布置見圖7。

2.2.4.2 錨桿一般施工工序

1)錨桿孔的測放與成孔。根據控制點和錨桿設計布置圖進行錨桿孔的孔位測放及標記,按錨桿設計孔徑、設計錨固深度要求鉆機成孔。錨桿鉆孔孔位的允許偏差為50 mm,鉆孔傾角的允許偏差為3°。

2)清孔。終孔后利用高壓空氣清除孔內余渣,將錨桿孔清理干凈。

3)錨桿制作及置入。按照設計要求的材質及長度制作錨桿桿體并做好除銹、除油污處理。清孔完畢后將錨桿垂直插入孔底并固定于錨孔中央。

4)壓力注漿。注漿采用的水泥砂漿強度不宜低于M 30,水灰比宜取0.40～0.45;采用細石混凝土時強度不宜低于C 30。注漿管端距孔底的距離不宜大于200 mm,注漿及拔管的過程中注漿管口應始終埋入注漿液面內,并在漿液從孔口溢出且溢出的漿液與注入的漿液濃度相同時方可停止注漿,注漿后漿液面下降時應在孔口補漿。

2.2.4.3 錨桿檢驗要求

2)試驗采用分級加載,荷載加載不得少于8級,試驗的最大加載量不應少于錨桿設計荷載的2倍。

3)將錨桿極限承載力除以安全系數2為錨桿的抗拔承載力特征值。

4)當檢驗發現巖石錨桿的抗拔承載力不滿足設計要求時,應結合工程場地地質和施工情況綜合分析,必要時應擴大檢驗數量并提出處理措施。

5)錨桿檢驗其余要求見GB 50007-2011附錄M。

3 結論

1)河岸式取水泵房的抗浮穩定設計是泵房設計的一個重要環節。當泵房尺寸較大,水位較高時,泵房的抗浮穩定往往是設計的主要控制因素。

2)錨桿錨固抗浮穩定方式的工程特點和作用機理。在位于泵井整個底板基礎下面的基巖部位,均勻埋設抗拉拔錨桿,泵井的鋼筋混凝土底板與底板下的穩定基巖通過錨桿錨固成整體結構,利用錨桿的抗拉拔力提高泵房的抗浮穩定。

3)錨桿錨固抗浮穩定方式的適用場地。比較適用于構筑物臨水面水位較高或構筑物地下室的地下水位較高的情況;對基坑基底巖土條件來講,適用于基巖較完整、堅固且巖層較厚的場地。

4)抗拉拔錨桿抗浮穩定的主要設計要點。首先,確定泵房所受浮力、所需的總抗浮力以及錨桿抗拔力;其次,確定單根錨桿抗拔力、單根錨桿的直徑和截面面積;再次,確定單根錨桿孔徑和錨桿有效錨固長度。條件許可時,單根錨桿抗拔力應進行現場巖石錨桿抗拔試驗,根據試驗結果確定。

5)錨桿施工完成后,應按照GB 50007-2011中“檢驗與監測”章節的相關規定進行錨桿抗拔承載力試驗檢驗。

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[11] GB 50007-2011,建筑地基基礎設計規范[S]. GB 50007-2011,Code for Design of Building Foundation[S].

2014-12-21

徐喜林(1964-),男,河南林縣人,高級工程師,本科,主要從事水利、道橋、市政、油氣田地面工程設計工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2015.04.019