圆形取水泵站设计

赖 晗

(贵阳铝镁设计研究院有限公司，贵州贵阳550081)

0 引 言

遵义氧化铝厂取水泵站由贵阳铝镁设计研究院设计，泵站位于贵州省遵义市尚稽镇乌江边，建筑面积656 m2，取水能力为4×104m3/d，是用于工业生产及生活用水的江边取水构筑物。泵站自上而下分为2个部分，见图1。上部为配电室，主要的配电设备及控制设备安装于此;下部为取水泵房，主要用于完成取水工作及放置抽水泵等设备。

1 结构体系

整个构筑物为圆筒型，总高68．9 m，其中配电室为15．1 m，泵房为 53．8 m。构筑物 ±0．000 m相当于绝对标高642．000 m。泵房底板悬挑2 m，埋置于地下的部分约为12．8 m。洪水位时，整个泵站的 -2．000 m以下部分均淹没于水中。±0．000 m以上为配电室，采用钢筋混凝土框架结构。±0．000 m以下为泵房，采用钢筋混凝土筒体结构。下部泵房自重，刚度较大，可作为上部框架结构的嵌固点，且有利于抗浮、抗滑及抗倾覆设计，使整个结构受力均匀，避免局部应力集中。下部的钢筋混凝土筒体分为5段，内直径均为20 m，外直径自下而上分别为 24．4 m、23．8 m、23．2 m、22．6 m、22．0 m。上部配电室共2层，第1层层高为9．0 m，第2层层高为6．1 m。上部框架结构采用PKPM计算程序进行计算，下部钢筋混凝土筒体采用手工计算。

2 设计的基本条件

工程的结构设计基准期为50年，结构安全等级为二级，建筑抗震设防类别为丙类建筑，抗震设防烈度＜6度，建筑物场地类别为Ⅱ类。

图1 结构剖面示意图Fig.1 Sturcture cross-section diagram

3 结构设计要点

3.1 防水

(1)该工程为江边取水构筑物，设计洪水位时，筒体-2．000 m以下部分均淹没于水中，底部受较大水压力。整个筒体均需要考虑防水，防水高度设置于±0．000 m。

(2)抗渗等级的选择。水压力值及结构壁厚度是确定防水混凝土抗渗等级的主要依据。设计抗渗等级一般应根据最大计算水压头(即最高地下水位高于地面的距离)与混凝土壁厚度的比值(水力梯度)确定。抗渗等级的选择见表1。该工程泵房水压头与底层壁厚的比值为:48．3/2．2=22．0。依据表1的原则，抗渗等级取S12。同时亦可根据表1先选择抗渗等级，然后确定合适的壁厚。该工程的防水设防要求为二级，即不允许漏水，结构表面有少量的湿渍(GB50108-201，地下工程防水技术规范)。根据防水要求，结构采用防水混凝土及防水卷材，施工缝处采用中埋式止水带及遇水膨胀止水条。防水混凝土抗渗效果根据试验确定。

表1 抗渗等级表Tab.1 Anti-leakage rating

3.2 抗浮

该工程泵房尺寸较大，水位较高，抗浮是该设计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、嵌固抗浮及锚固抗浮。由于该泵房地基为基岩，采用抗拔桩锚固抗浮施工较困难，且不经济，而泵房位于河床边，四周的岩层较碎，嵌固抗浮不能满足要求，故采用自重抗浮和配重抗浮相结合的方式，同时采用毛石砼原位灌浆，但在计算抗浮时不考虑其嵌固作用。此种方式同时可提高构筑物本身抗滑、抗倾覆能力，且安全可靠。为满足抗浮要求，在筒内填筑3．6 m厚毛石砼，筒外设置悬挑环板附加9．3 m毛石砼外配重，起到嵌固的有益作用，对泵房的整体稳定有利。抗浮计算公式:

式中:∑G——抗浮力，结构自重(不包括设备、使用及安装荷重)与配重之和;

F——水浮力;

Kf——抗浮安全系数，基本荷载组合下

为 1．10，特殊荷载组合下为 1．05(GB/T 50265-97泵站设计规范)。

3.3 抗滑、抗倾覆稳定计算

抗滑验算公式:

式中:Kh—抗滑安全系数，取1．3;

∑T—水平力总和，按土压力，水流力及风荷载等合力计算;

f——泵房底板对地基的磨擦系数，一般由试验确定，当无试验资料时，可按GB/T 50265-97泵站设计规范附录A采用。

水流力计算公式:

式中:P—水流力的合力;

V—取水泵房处最大垂线平均流速;

γ—水的容重;

g—重力加速度水流力系数，参照《给水排水工程结构设计手册》采用;

K——计算构件在与流向垂直的平面上的投影面积，应计算至最低冲刷线处。

抗倾覆验算公式:

式中:lb—(∑G-F)作用点至最大受力边缘点的距离;

∑Mq—有水平力引起的倾覆力矩总和(kN·m)。计算倾覆力矩时，力臂为水平力作用点至板下表面的距离;

Kq——抗倾覆安全系数，取 1．5。

3.4 泵房内力分析及计算

该工程泵房为平底钢筋混凝土筒体结构，采用变位法进行计算，圆形泵房受力条件好，结构简单，施工方便。泵房由柱壳及平底板组成，底板按受水的均布浮力进行计算。

(1)柱壳内力按最高水位-2．000 m设计，柱壳内直径为20 m，结构设计按如下目标进行:①在池外水压力及土压力作用下，强度满足设计要求。②在池外水压力及土压力作用下，裂缝满足设计要求。由计算的结果可得到整个柱壳的内力见图2。

图2 柱壳内力图Fig.2 Internal force diagram of cylidrical shell

由弯矩图可知，整个壳体的底部受力较大，并且沿柱壳之下而上变小，甚至弯矩发生突变，柱壳内部受拉。其底部的较大弯矩是由于底板的不平衡弯矩分配产生的。故底板的刚度对柱壳的弯矩有较大影响。若增加底板的刚度，设置内配重，可以减小底板弯矩，相应减小柱壳弯矩，保证整个结构受力均匀。

(2)该工程的泵房全高设置混凝土内隔墙，且隔墙的厚度较大，故对底板按隔墙分格采用按平均反力的力学模型进行计算，将底板分割成各种不同形状的板，分别将其折算为周边固定承受均布反力的矩形板计算。

4 结 语

贵州遵义氧化铝厂取水泵站，取水深度较深，体形较大，构造设计较多，且此类泵房较少设计，参考资料欠缺，给结构设计工作带来许多问题。通过对该项目的设计实践，有以下几点体会:

(1)筒壁厚度的确定按强度和抗渗等级2个因素进行考虑，而此类较深的圆形泵房抗渗等级往往是确定壁厚主要因素。

(2)泵房的主体防水及施工缝的防水措施需按照防水等级选择1种或多种进行设计。

(3)抗浮设计是工程的主要控制因素，采用配重、自重抗浮的方式较为合理，且经济安全。

(4)此类江边取水构筑物受水流冲击力，在底部采用一定的嵌固措施尤为重要。

(5)从柱壳的计算可看出此类圆形泵房仅在底部区域有较大的弯矩，往上弯矩逐渐变小，甚至产生突变，上部的配筋可按构造设置。

(6)底板计算时需要考虑隔墙的作用采用平均反力法计算较为合理。

(7)可在满足防水要求的情况下，将泵房设计为变阶式，不但满足建筑的造型要求，亦可降低造价。

［1］中华人民共和国建设部．GB 50010-2002混凝土结构设计规范［S］．北京:中国计划出版社，2002．

［2］中华人民共和国计划委员会．GBJ 108-87地下工程防水技术规范［S］．北京:中国计划出版社，2001．

［3］中华人民共和国建设部．GB/T 50265-97泵站设计规范［S］．北京:中国计划出版社，1997．

［4］建筑书店．给水排水工程结构设计手册［M］．北京:中国建筑工业出版社，1984．

［5］雍本．特种混凝土设计与施工［M］．北京:中国建筑工业出版社，2005．