引黃濟臨供水工程一級泵站圓形筒體支護結(jié)構(gòu)計算分析

王維娟,長 全,王開喜

(1.甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責任公司,蘭州 730000;2.甘肅省臨夏州水務(wù)水電局深溝水庫管理所，甘肅 臨夏 731100)

1 工程概況

引黃濟臨供水工程一級泵站位于劉家峽庫區(qū)，泵站主廠房置于開挖后的山體平臺1 739.00 m高程之下，以此作為廠區(qū)地坪，泵站主廠房基礎(chǔ)置于基巖之上，主廠房建基面高程1 711.85 m，自1 739.00 m至建基高程高差27.15 m。主廠房為內(nèi)徑25.0 m的圓形結(jié)構(gòu)，采用C25鋼筋混凝土襯砌，襯砌厚度2.0 m，開挖直徑29.0 m。根據(jù)地質(zhì)條件，高程1 739.00～1 725.00 m之間為含礫粉質(zhì)黏土，下部含礫并夾有少量泥巖孤石，土體稍密，上部土體較干，下部稍濕～濕，土體滲透系數(shù)4.39×10-4～3.2×10-5，透水性為弱透水。下部基巖為新近系泥巖夾砂巖，巖體透水率為3.69～4.92 Lu，屬弱透水。一級泵站平面布置見圖1。

2 一級泵站圓形筒體井壁支護計算

按C30鋼筋混凝土和C30素混凝土結(jié)構(gòu)分別進行計算。

2.1 按照鋼筋混凝土支護進行計算

2.1.1 土層段井壁所受徑向荷載計算

表面土層厚14.0 m，天然密度1.43～1.76 g/cm3，凝聚力10～15 kPa，內(nèi)摩擦角17°～19°，按照靜止土壓力計算：

P0=K0γZ

(1)

式中：P0為靜止土壓力,MPa；K0為靜止土壓力系數(shù)，砂土K0=0.34～0.45，黏性土K0=0.5～0.7；γ為填土重度，γ=16 kN/cm3；Z為計算點深度，Z=14.0 m。

經(jīng)計算：P0=181.44 kPa 。

2.1.2 井塔(架)基礎(chǔ)對井壁影響計算

井塔架基礎(chǔ)置于天然地基上，最大側(cè)向壓應(yīng)力出現(xiàn)在基礎(chǔ)底以下h=L-A/2處，井塔(架)基礎(chǔ)引起的側(cè)向壓力分布見圖2。

圖1 一級泵站平面布置圖

圖2 井塔(架)基礎(chǔ)引起的側(cè)向壓力分布圖

按照帶形基礎(chǔ)計算：

(2)

(3)

Q=4200 MPa

(4)

式中：Pmax為基礎(chǔ)對井壁產(chǎn)生的最大側(cè)向壓力計算值,MPa；Q為基礎(chǔ)上部結(jié)構(gòu)總重力(包括基礎(chǔ)自重力)計算值,MPa;An為巖土層水平荷載系數(shù)，取0.53;φ為土層的內(nèi)摩擦角，(°);L為基礎(chǔ)中心至井壁外緣距離,m;A為帶形或環(huán)形基礎(chǔ)寬度，A=2 m；B為帶形或環(huán)形基礎(chǔ)長度，B=33 m。

經(jīng)計算：

Pmax=63.6 kPa

1 m深處靜止土壓力：P1=12.96 kPa；

1 m深處靜止土壓力和井塔(架)共同作用對井壁的側(cè)向壓力：

P=12.96+63.6=76.56 kPa

由于土石分界1 725.00 m處靜止土壓力181.44 kPa 大于1 m深處靜止土壓力和井塔(架)共同作用對井壁的側(cè)向壓力76.56 kPa，因此土層段井壁所受側(cè)向壓力按181.44 kPa計算。

2.1.3 土層和巖層分界處井壁厚度及配筋計算

單位高度井壁圓環(huán)截面上的軸向力:

N=RwP

(5)

式中：Rw為井壁外半徑,Rw=15.5 m；N為單位高度井壁圓環(huán)截面上的軸向力計算值。

經(jīng)計算:N=2 812.32 kN/m 。

鋼筋混凝土井壁圓環(huán)截面承載力：

N≤0.9φ(tfc+Asfy′)

式中：φ為鋼筋混凝土軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)，根據(jù)表1選取；As為每米井壁截面配置鋼筋面積,m2；fc為混凝土抗壓強度設(shè)計值，fc=14.3 N/mm2；fy′為鋼筋抗壓強度設(shè)計值，fy′=300 N/mm2；t為擬定的井壁厚度,m。

經(jīng)計算，As應(yīng)大于4 933.91 mm2。

井壁厚度最小為0.65 m，選用10?28@190，面積為6 158 mm2；配筋率0.95%>0.4%，滿足要求。

表1 鋼筋混凝土軸心受壓構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)φ表

注：L0=1.814r0。其中,L0為構(gòu)件計算長度;r0為計算處井壁中心半徑，擬定井壁厚為0.65 m。

2.1.4 基巖段最底端井壁厚度及配筋計算

土層以下為砂質(zhì)泥巖，其天然密度1.95～2.10 g/cm3，天然狀態(tài)下,單軸抗壓強度為1.1～1.3 MPa，凝聚力145～196 kPa，內(nèi)摩擦角19.8°～21.6°，彈性模量0.21～0.23，泊松比0.29～0.32。

基巖段井壁所受徑向荷載:

P=(γ1h1+γ2h2+…+γnhn)An

(6)

式中:h1,h2,…,hn分別為各巖層厚度，m；γ1,γ2,…,γn分別為各巖層重力密度，MN/m3；An為基巖層水平荷載系數(shù)，取0.48 。

經(jīng)計算，受徑向荷載計算值P=322.06 kPa、N=4 991.87 kN/m 。當井壁厚度最小為0.78 m時所需鋼筋截面面積為6 840 mm2；實際配筋選用12?28@146，鋼筋截面面積為7 389.6 mm2，配筋率ρ=0.95%>0.4%，滿足要求。

通過上述計算可知，對于土層段，鋼筋混凝土井壁厚度最小應(yīng)為0.65 m；對于巖層段，鋼筋混凝土井壁厚度最小應(yīng)為0.78 m。

2.2 按素混凝土支護形式進行計算

素混凝土井壁圓環(huán)截面承載力：

N≤0.85φ1tfc

(7)

式中：φ1為素混凝土構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)，根據(jù)表2選取；N為單位高度井壁圓環(huán)截面上的軸向力計算值。

表2 素混凝土構(gòu)件穩(wěn)定系數(shù)φ1表

2.2.1 土層和巖層分界處井壁厚度計算

擬定井壁厚度為t，采用計算土層和巖層分界處井壁圓環(huán)截面承載力的計算方式可知，土層與巖層分界處井壁厚度最小值為0.9 m。

0.85φ1tfc=4813.0 kN/m>N=2812.32 kN/m(單位高度井壁圓環(huán)截面上的軸向力計算值)。

2.2.2 基巖段最底端井壁厚度計算

擬定井壁厚度為t，采用計算基巖最底端井壁圓環(huán)截面承載力的計算方式可知，井壁厚度最小值為0.97 m。

0.85φ1tfc=5541.47 kN/m>N=4991.87 kN/m(單位高度井壁圓環(huán)截面上的軸向力計算值)。

2.2.3 井壁縱向承載力計算

井壁縱向承載力：

Qz，k≤fcA0+fyAz

(8)

式中：Az為豎向鋼筋橫截面積,m2；A0為計算截面井壁橫截面面積,m2。

(1) 土層和巖層分界處井壁縱向配筋計算

取單寬計算井壁自重及井塔重量Qz，k=927.5 kN；

則：Az=(Qz，k-fcA0)/fy=-27 891<0，即縱向無需配筋。

(2) 基巖段最底端井壁縱向配筋計算

取單寬計算井壁自重及井塔重量Qz，k=1 226.5 kN；

則:Az=(Qz，k-fcA0)/fy=-26 895<0，即縱向無需配筋。

說明：由于土層和巖石分界處井壁厚度為0.9 m，基巖段壁厚度為0.97 m，由于兩者井壁厚度的不同，故兩者的單寬計算井壁自重及井塔重量不一樣。

2.2.4 井壁環(huán)向穩(wěn)定性驗算

根據(jù)上述計算，本工程圓形筒體井壁厚度最小1 m。

2.3 圓形筒體井壁支護結(jié)構(gòu)確定

根據(jù)上述計算，并考慮施工中不確定因素，主廠房施工支護井壁采用C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，自1 739.00 m至1 711.85 m高程，總高度27.15 m，頂部設(shè)置1.5 m×1.5 m(寬×高)鎖口梁，其下為16層鋼筋混凝土支護井壁，每層斷面尺寸1.0 m×1.5 m(寬×高)；底部為一層斷面尺寸1.0 m×1.65 m(寬×高)鋼筋混凝土支護井壁。每層支護井壁環(huán)向配置12?28@146雙層鋼筋，環(huán)向鋼筋之間采用?8@400箍筋。

3 結(jié) 語

引黃濟臨供水工程一級泵站的施工是整個工程施工的難點，實際施工過程中對圓形筒體井壁采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式進行支護，取得了很好的效果。工程于2015年5月開工建設(shè)，于2016年10月完成主干試通水運行，一級泵站設(shè)計流量為1.95 m3/s，布設(shè)4臺機組(3用1備)。由于臨夏新水廠還未建成，目前僅對臨夏老水廠供水，該水廠處理能力運行一臺泵即可滿足，故從開始運行至今僅單泵運行，流量為0.65 m3/s，泵站單泵運行期最長達70余d，運行情況良好。