江西省星子浮船式取水泵站土建結構受力分析

張海吉 程冬偉

(上海市水利工程設計研究院有限公司,上海 200063)

浮船式取水泵站在我國于1915年在漢口首次采用,與固定式取水泵站相比較,其特點是適應性廣、靈活性大,能隨水位漲落而升降,能適應多種取水口條件,基建費用低,施工簡便、工期較短等。但早期的浮船取水缺點也明顯,其操作管理較麻煩,隨著水位的漲落需要拆換接頭、移動船位等;供水安全性較差,浮船漂浮于江河中,受風浪、漂木等影響較大;早期的浮船取水接頭有膠管接頭、球形接頭、套筒接頭等,接頭、填料易損壞、老化,易漏水,維修需斷水,使用壽命有限等。

近階段,由于有專業廠家開發研究,新材料的應用及制造技術的提升等,浮船取水安全性有較大提高,特別是轉接頭的漏損、老化、維修等問題有較好的解決方案,使運營管理較方便,設備使用壽命也有效延長,搖臂桿和浮船泵站由設備方一體化研發制造,采用成套設備,由設備方專業安裝,施工便捷快速,施工周期大大縮短,造價在一定條件下相比固定式泵站較低,使用靈活、廣泛,在江河湖甚至海上都有較好的應用。

浮船泵站的船體、錨鏈、搖臂桿等設計方法有相關文獻[1,2]做過簡要介紹,現階段浮船、搖臂桿、錨鏈等鋼構件一般可由設備廠方一體化成套開發,相關的岸邊支承墩、系纜墩等土建結構由設計院設計,土建結構設計沒有專項的相關設計規范,給排水結構設計手冊等相關文獻也沒有設計案例可供參考,土建結構設計時有一定困擾,本工程設計中,經結構類型的分析研究,對比浮碼頭的結構型式,發現其結構相似之處,相關荷載及受力情況有類似之處,經參考相關文獻,采用浮碼頭的理論,結合港口工程中相關設計規范,對其進行土建結構受力分析,使結構設計有據可依,保證結構的安全合理。

圖1 浮船式取水泵站平面示意圖Fig.1 plane sketch of pontoon pumping station

1 工程概況

江西省星子縣潤泉供水工程取水頭部總設計規模8萬m3/d,包括廖南水廠2萬m3/d和星子縣第二水廠6萬m3/d,取水頭部地處星子縣(現為廬山市)廖花鎮鄱陽湖湖漫灘上,取鄱陽湖地表水為水源,工程現場已建成1公里左右長的引水渠,從主航道往岸邊方向引水,引水渠底寬50 m,底標高-1.00m,引水渠靠岸邊側按1：2.5坡比修坡至標高15m,坡頂至岸邊山體的距離約90m,此段湖漫灘標高15.00m～18.00m,鄱陽湖設計洪水位20.95m,設計常水位12.80m,設計枯水位4.77m,設計水流速1.0m/s,鄱陽湖水面遼闊,夏季盛行偏南風,冬季盛行偏北風,多年平均風速3.8m/s,風壓0.3MPa,最大風力可達11級,風高浪險。

2 工程方案

本工程由某給排水成套設備有限公司提供技術支持,由其提供一體化的、符合工藝及電氣設計要求的成套浮船式取水泵站設備,主要包括浮船、水泵、真空系統、閥門、搖臂接頭、搖臂輸水管、配電系統、自動控制系統、錨鏈錨固系統、進出水管、配套的消防系統、生活污水處理系統等。其設備特點：浮船在水位漲落時自動升降,水泵吸水口保持在水面以下1-2 m位置,取出的水泥沙含量低,污物少,能連續供水,無需更換接頭;浮船穩定性高,滿足三倉進水泵站不沉的理念;搖臂接頭密封可靠,轉動靈活,接頭檢修無需停機;可采用PLC全自動控制及手動控制,浮船及岸上均可操作控制,水泵啟停操作簡單,運行安全可靠等。其設備構造型式有萬向搖臂桿式、轉向搖臂桿式、多級浮動式、多級移動式等。根據本工程的場地條件及建設方的要求,本工程采用萬向搖臂桿式浮船泵站方案,其示意圖見圖1和圖2。

取水浮船放置于引水渠內,浮船艏艉拋錨系留(6副錨鏈),兩端再增設系留纜索與岸邊兩側固定系纜墩系留,浮船中間用搖臂桿與岸邊支承墩連接,搖臂桿兩端為萬向球形鉸接頭,擱置球形鉸接頭的平臺標高21.00m,搖臂桿長度45m,上下轉角范圍20°、左右轉角180°,以滿足枯水位到洪水位的取水需求,搖臂桿兼起輸水管、人行棧橋和固定浮船的撐桿作用。岸邊支承墩與湖岸邊道路采用3跨人行鋼棧橋連接,以滿足工作人員日常交通要求。

圖2 浮船式取水泵站立面示意圖Fig. 2 elevation diagram of pontoon pumping station

圖3 浮碼頭結構示意圖Fig. 3 Sketch map of Floating Wharf Structure

3 結構類型分析

根據《斜坡碼頭及浮碼頭設計與施工規范》,浮碼頭結構示意圖[3]見圖3、躉船系留方式示意圖[3]見圖4。

對比浮船式取水泵站示意圖圖1和圖2,兩者結構型式類似,均由浮船、系留錨纜、引橋、支承墩、系纜墩等構成,所處的工作環境也類似,均用于江河湖海等,使用功能上有所差異,一個用作碼頭,供行人、貨物等上岸,對引橋的坡度、寬度等要求較高,一個主要用于取水,人行交通僅為輔助功能,對滿足通行功能的引橋坡度、寬度等要求可適當放寬,因功能不同,兩者的荷載取值有所差異。本設計采用浮碼頭的理論,采用港口工程中的相關規范,結合取水浮船的功能特點,進行土建結構受力分析。

根據前述本工程設計方案,取水浮船固定體系由拋錨于水底的錨鏈系統、固定于岸邊系纜邊墩的纜索和固定于岸邊支承墩的搖臂桿組成。錨纜系留為柔性固定,允許浮船以岸邊支承墩為球心、在結構允許位移內做球面運動,固定于岸邊支承墩的搖臂桿為鉸接固定,保證浮船與岸邊支承墩的直線距離不變,搖臂桿兩端為球形鉸接頭,在允許轉角范圍內,搖臂桿僅傳遞軸力,浮船在錨纜系留作用下、在允許位移范圍內,或者在錨纜失效(移船松纜或斷纜事故)情況下,其固定主要依靠連接岸邊支承墩的搖臂桿,故岸邊支撐墩為關鍵結構構件。考慮最不利工況條件下,不考慮系留錨纜的受力作用,對岸邊支承墩的受力情況進行分析。

4 荷載分析(岸邊支承墩)

4.1 豎向荷載

自重：支承墩結構自重,據實計算。

萬向鉸接頭、搖臂桿自重,由設備方提供。

輸水管內水重,按實計算。

人行鋼棧橋自重,按實計算。

雪荷載,按港口工程荷載規范取值計算。

人群荷載,按港口工程荷載規范取值計算。

搖臂桿兩端為萬向鉸接頭,分別固定在浮船和岸邊支承墩上,搖臂桿上的豎向荷載按兩端鉸接考慮作用在兩端支座上。

4.2 風荷載[4]

作用在岸邊支承墩及搖臂桿上的風荷載標準值按式(1)計算：

式(1)中,μs為風荷載體型系數,μz為風壓高度變化系數,W0為基本風壓,各參數按《港口工程荷載規范》取值,計算時按搖臂桿的順向和垂向、取兩個方向構件的投影面積分別計算。

作用在浮船上的風荷載按式(2)、式(3)計算：

式(2)、式(3)中,Fxw,Fyw分別為作用在浮船上的計算風壓力的橫向和縱向分力;Axw,Ayw分別為船體水面以上橫向和縱向受風面積,根據設備方提供的參數取值;Vx,Vy分別為設計風速的橫向和縱向分量,根據氣象資料取值;ζ1為風壓不均勻折減系數,ζ2為風壓高度變化修正系數,根據《港口工程荷載規范》取值。作用在浮船上的風荷載通過搖臂桿軸向傳遞到岸邊支承墩。

4.3 水流力[4]

作用在岸邊支承墩上的水流力標準值按式(4)計算：

式(4)中,Cw為水流阻力系數,ρ為水的密度,根據《港口工程荷載規范》取值;V為水流設計流速,根據水文資料取值;A為計算構件在與流向垂直平面上的投影面積,根據構件尺寸按實計算,計算時按搖臂桿的順向和垂向、取兩個方向構件的投影面積分別計算。

作用在浮船上的水流力標準值按式(5)、式(6)計算：

式(5)、式(6)中,Fxsc,Fxmc分別為水流對船首橫向分力和船尾橫向分力;ρ為水的密度,Cxsc,Cxmc分別為水流對船首橫向分力系數和船尾橫向分力系數,根據《港口工程荷載規范》取值;V為水流設計流速,根據水文資料取值;B為浮船吃水線以下的橫向投影面積,根據設備方提供的參數取值。作用在浮船上的水流力通過搖臂桿軸向傳遞到岸邊支承墩。

4.4 波浪力[5]

根據《港口工程荷載規范》所述,系泊船舶在橫浪作用下的力影響因素較多,問題比較復雜,直到目前為止尚無可靠的理論計算方法,但其又是大型碼頭設計中重要的船舶荷載之一,設計中必須加以考慮,一般均應通過數學模型計算或物理模型試驗確定。本工程雖為中小型浮船,但因系泊位置風浪較大,應考慮波浪力的作用,本工程中浮船的波浪力根據《海港工程設計手冊》中第六章浮碼頭相關公式計算。

作用在浮船上的總波浪力按式(7)計算：

圖4 躉船系留方式示意圖Fig. 4 Sketch map of pontoon mooring system

式(7)中,H為波高,L為波長,T為波浪周期,根據水文氣象資料取值;B為浮船寬度,M為浮船質量,根據設備方提供的參數取值;C1為岸邊支承墩的水平變位系數,C2為搖臂桿的水平變位系數。作用在浮船上的波浪力通過搖臂桿軸向傳遞到岸邊支承墩。

4.5 管內水壓力

岸邊支承墩上輸水管垂直方向90°彎頭向下,彎頭處向上推力P及其水平和垂直方向分力標準值1P、2P按式(8)、式(9)、式(10)計算：

式(8)、式(9)、式(10)中,α為彎頭夾角,dn為管道公稱直徑,Fwd,k為設計管道內水壓力。1P、2P均考慮作用在岸邊支承墩上。

4.6 扭轉力矩

因萬向轉接頭有摩擦力矩,浮船在風浪作用下顛簸時,萬向轉接頭會產生扭矩,扭矩傳遞到岸邊支承墩,扭矩值根據設備方提供的參數確定。

4.7 地震荷載

根據抗震規范取值。

5 工況及荷載組合

根據本工程設計方案,結合搖臂桿位置,考慮3種工況條件：

(1)搖臂桿處于水平狀態;(2)浮船處于最高水位,搖臂桿向上夾角α;(3)浮船處于最低水位,搖臂桿向下夾角β。

工況1條件下,考慮豎向荷載、風荷載、水流力、波浪力、管內水壓力、扭轉力矩和地震荷載共同作用,岸邊支承墩受最大水平力作用,采用專業結構設計軟件按框架結構進行整體受力計算;工況2條件下,考慮前述7種荷載共同作用,岸邊支承墩受最大豎向向下力作用,采用專業結構軟件進行樁基豎向承載力計算;工況3條件下,考慮前述7種荷載共同作用,岸邊支承墩受最大豎向向上力作用,采用專業結構計算軟件進行樁基抗拔承載力計算;根據前述計算結果進行結構配筋計算,各工況荷載組合值系數根據荷載規范取值。

6 結語

對于浮船式取水泵站,采用浮碼頭的結構設計理論,考慮周全的荷載及不利的荷載組合作用進行結構計算,使其結構設計有據可依,保證了結構的安全合理,為類似工程結構設計提供經驗參考。目前江西省星子縣潤泉供水工程浮船式取水泵站已經建成投產,運營情況良好,后續將對岸邊支承墩持續監測一段時間,觀測結構的位移情況,與理論計算數據比較,累積相關工程設計經驗。

[1] 牛富敏,許人,王蘭濤,等.移動式取水泵站工程[M].鄭州：黃河水利出版社,2001.

[2] 上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司.給水排水設計手冊第9冊專用機械[M].第三版.北京：中國建筑工業出版社,2012.

[3] 中華人民共和國行業標準JTJ 294-98斜坡碼頭及浮碼頭設計與施工規范[S].

[4] 中華人民共和國行業標準JTS 144-1-2010港口工程荷載規范[S].

[5] 交通部第一航務工程勘察設計院.海港工程設計手冊[M].北京：人民交通出版社,2001.