某海外工程超深循泵房結構設計

鐘潤輝，蔣小元，王振宇，高 玲

(華東電力設計院有限公司，上海 200063)

1 概述

隨著國家“一帶一路”建設的提出，越來越多的中國企業開始承接海外工程項目。另一方面，對于電力行業來說，由于受國內政策導向的影響，積極發展海外工程也成為大勢所趨。

但海外工程所處環境與國內大不相同，除了政策和規范上的差別以外，往往還會受到文化、宗教環境、勞動力資源、原材料供應等諸多問題的影響。在工程方案設計階段常常會出現由于某一特殊情況而導致整體方案發生顛覆性變化的情況，因此在整個項目推進過程中需要全面、多方位地考慮當地的實際情況，盡量避免此類情況的發生。

本文以土耳其某燃煤電廠的循環水泵房為例，介紹了海外工程循泵房設計的不同之處，對將來類似工程有一定參考價值。

2 工程概況

土耳其某燃煤機組工程，廠址緊靠地中海，廠址地貌單元主要為丘陵，地形復雜，地勢變化大，部分區域高差在50～60 m左右。循環水采用直流冷卻供水系統，冷卻水源為海水，取自地中海。

典型的土層分布如下：

層1：表土，層厚0.5～2 m，性質均勻。

層2：泥灰巖，層頂埋深0.5～2 m，其上部為中等風化～微風化，夾有黏土巖和砂巖；下部為新鮮巖石，巖體質量好，巖體完整。

層3：黏土巖，層頂埋深3～25 m，上部為中等風化～強風化，巖體較破碎～破碎；下部為新鮮巖石，微風化。

層4：砂巖，一般可見于表土下，上部為中等風化～強風化；下部為新鮮巖石，巖體質量好，巖體完整。

層5：泥巖，此層的揭露深度為1～12 m和7～30 m，中等風化～強風化，巖體較破碎～破碎，巖體質量差～較差。

根據收集的資料，場地地表動峰值加速度為0.4 g，場地位于第一度地震區。

3 布置方案調整

本工程原設計中，循環水泵房采用岸邊式取水泵房，結合近岸明渠引水方案，將循泵房設置于廠址東側的海岸邊回填區，回填區標高5 m，循泵房深度15 m，以國內大量工程經驗來看，此方案較為經濟合理。

后由于總平面布置根據土耳其相關部門的要求進行了調整、海域回填場地發生變化及海龜產卵地的保護等諸多不可調和原因，總平面布置中臨海側變化較大，循泵房的位置從臨?；靥顓^調整至山坡上，所在區域室外地坪標高為26 m。

4 結構方案

4.1 工程難點

布置方案的變化直接導致循泵房埋深增加了21 m，從常規的岸邊式泵房變為山區復雜巖層下超大埋深直流循環水泵房，加上工程廠址位于9度高烈度區，因此本工程循泵房的設計及施工難度較大。

泵房運行層標高基本不變，仍采用2.5 m，自運行層至地面采用鋼筋混凝土箱型結構。與常規方案相比，本方案將會面臨以下幾個難點：

(1) 大跨度超深泵房的側壁及底板所受水土壓力將十分巨大，如何合理選擇結構形式將是一大難點。

(2) 本地區地震加速度達到0.4 g，地震情況下周圍土體對泵房會產生較大的水平地震力，盡管地下結構整體性較好，但跨度較大板的自由邊仍有可能會由于位移過大而發生破壞。如何合理地解決超深地下結構抗震也是下一步工作的重點。

(3) 近40 m的基坑開挖對施工來說也是一大挑戰。

(4) 此外，地下運轉層的通風、大型設備的安裝檢修等均是需要重點考慮的問題。

4.2 結構計算

經初步計算，本工程地質條件下，側壁最大的水土壓力可達到300 kPa，除此以外還應考慮地震工況下外部土體及內部動水壓力對結構的作用。在上述荷載作用下，大跨度的側板受力將十分巨大，常規簡化模型計算結果無法滿足工程需要，需要采用有限元模型進行整體計算。

循泵房下部平面尺寸47.5 m×57.35 m，平面布置見圖1，場地標高26 m，運行層在地面以下，標高2.5 m，流道底標高－9.5 m，泵房深度達到了36 m，為解決結構受力問題，必須設置到頂隔墻作為豎向支座。最理想的方案是盡可能多地增加到頂隔墻的數量，并設置水平結構層，盡量減小單塊板的跨度。

但由于工藝管道及空間布置要求，無法將所有隔墻伸至地面，也無法設置水平結構層。因此綜合考慮工藝要求、結構受力以及經濟性后，決定采用一道縱隔墻兩道橫隔墻到頂的方式，見圖2、圖3，以此減小2.5 m層以上超深側壁的跨度。采用此方案后，最大跨側板尺寸仍達到了23 m×35.9 m，按以上荷載對結構進行初步計算，確定側壁及底板厚度約2～2.5 m，與原方案相比，地下工程混凝土工程量增加了近48000 m3。由于運行層落深，還需要設置豎向通行升降梯以及樓梯以滿足運行檢修要求，同時設置豎向風機，以解決底層通風問題。

圖1 泵房平面布置圖

圖2 泵房剖面圖1

圖3 泵房剖面圖2

采用有限元模型對循泵房下部結構進行建模計算，建立的整體模型見圖4，側壁及底板采用三維板單元進行模擬，網格劃分后板單元共84215個，節點數共82875個。外部土層作用采用土彈簧加水土壓力的方式，其中土彈簧只抗壓不抗拉，與實際情況相符。計算結果見圖5～圖8，由計算結果可看到，位移最大部位與板跨有關，板最大撓度發生在泵房間側板及進水前池端板，兩處跨度分別為22 m及23 m。同樣的，板的受力方面也是這兩處最不利，其中進水前池處由于在運行層處為敞開式結構，沒有運行層頂板對其的支撐作用，因此板兩側彎矩達到了4400 kN. m，底部彎矩達到了4220 kN. m(圖中運行層處側壁彎矩上下顏色不同是由于單元建立是板單元局部坐標系定義不同所致，對結算結果無影響)。

圖4 整體有限元模型

圖5 X方向位移

圖6 Y方向位移

圖7 X方向彎矩

圖8 Y方向彎矩

5 結語

海外工程與國內工程不同，往往在外部條件未完備的情況下就需要進行方案設計，而又由于政策及環境上的差異，在實施過程中會出現各種不可預見的復雜問題，導致工程方案的反復修改。

對本工程而言，顯然原方案的設計更為合理，但由于政策、環境等不可抗的原因，致使設計人員不得不采用投資更大、結構形式更復雜、施工難度更高的方案。

對此類復雜地層條件下深埋式的泵房結構，建議采用有限元模型進行整體計算，并且根據工程實際情況應盡可能合理地設置水平及縱向貫通式隔墻，以減小側壁跨度。經有限元計算，本工程泵房進水前池端板受力最不利，此處無運行層頂板的支撐作用，側壁兩側彎矩達到了4400 kN. m，底部彎矩達到了4220 kN. m，同樣位移也是此處最大。建議類似工程運行層盡量延伸至各板邊或者加設水平腰梁的方式以減小結構受力變形。

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