江西省星子浮船式取水泵站土建结构受力分析

张海吉 程冬伟

(上海市水利工程设计研究院有限公司,上海 200063)

浮船式取水泵站在我国于1915年在汉口首次采用,与固定式取水泵站相比较,其特点是适应性广、灵活性大,能随水位涨落而升降,能适应多种取水口条件,基建费用低,施工简便、工期较短等。但早期的浮船取水缺点也明显,其操作管理较麻烦,随着水位的涨落需要拆换接头、移动船位等;供水安全性较差,浮船漂浮于江河中,受风浪、漂木等影响较大;早期的浮船取水接头有胶管接头、球形接头、套筒接头等,接头、填料易损坏、老化,易漏水,维修需断水,使用寿命有限等。

近阶段,由于有专业厂家开发研究,新材料的应用及制造技术的提升等,浮船取水安全性有较大提高,特别是转接头的漏损、老化、维修等问题有较好的解决方案,使运营管理较方便,设备使用寿命也有效延长,摇臂杆和浮船泵站由设备方一体化研发制造,采用成套设备,由设备方专业安装,施工便捷快速,施工周期大大缩短,造价在一定条件下相比固定式泵站较低,使用灵活、广泛,在江河湖甚至海上都有较好的应用。

浮船泵站的船体、锚链、摇臂杆等设计方法有相关文献[1,2]做过简要介绍,现阶段浮船、摇臂杆、锚链等钢构件一般可由设备厂方一体化成套开发,相关的岸边支承墩、系缆墩等土建结构由设计院设计,土建结构设计没有专项的相关设计规范,给排水结构设计手册等相关文献也没有设计案例可供参考,土建结构设计时有一定困扰,本工程设计中,经结构类型的分析研究,对比浮码头的结构型式,发现其结构相似之处,相关荷载及受力情况有类似之处,经参考相关文献,采用浮码头的理论,结合港口工程中相关设计规范,对其进行土建结构受力分析,使结构设计有据可依,保证结构的安全合理。

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

1 工程概况

江西省星子县润泉供水工程取水头部总设计规模8万m3/d,包括廖南水厂2万m3/d和星子县第二水厂6万m3/d,取水头部地处星子县(现为庐山市)廖花镇鄱阳湖湖漫滩上,取鄱阳湖地表水为水源,工程现场已建成1公里左右长的引水渠,从主航道往岸边方向引水,引水渠底宽50 m,底标高-1.00m,引水渠靠岸边侧按1：2.5坡比修坡至标高15m,坡顶至岸边山体的距离约90m,此段湖漫滩标高15.00m～18.00m,鄱阳湖设计洪水位20.95m,设计常水位12.80m,设计枯水位4.77m,设计水流速1.0m/s,鄱阳湖水面辽阔,夏季盛行偏南风,冬季盛行偏北风,多年平均风速3.8m/s,风压0.3MPa,最大风力可达11级,风高浪险。

2 工程方案

本工程由某给排水成套设备有限公司提供技术支持,由其提供一体化的、符合工艺及电气设计要求的成套浮船式取水泵站设备,主要包括浮船、水泵、真空系统、阀门、摇臂接头、摇臂输水管、配电系统、自动控制系统、锚链锚固系统、进出水管、配套的消防系统、生活污水处理系统等。其设备特点：浮船在水位涨落时自动升降,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,能连续供水,无需更换接头;浮船稳定性高,满足三仓进水泵站不沉的理念;摇臂接头密封可靠,转动灵活,接头检修无需停机;可采用PLC全自动控制及手动控制,浮船及岸上均可操作控制,水泵启停操作简单,运行安全可靠等。其设备构造型式有万向摇臂杆式、转向摇臂杆式、多级浮动式、多级移动式等。根据本工程的场地条件及建设方的要求,本工程采用万向摇臂杆式浮船泵站方案,其示意图见图1和图2。

取水浮船放置于引水渠内,浮船艏艉抛锚系留(6副锚链),两端再增设系留缆索与岸边两侧固定系缆墩系留,浮船中间用摇臂杆与岸边支承墩连接,摇臂杆两端为万向球形铰接头,搁置球形铰接头的平台标高21.00m,摇臂杆长度45m,上下转角范围20°、左右转角180°,以满足枯水位到洪水位的取水需求,摇臂杆兼起输水管、人行栈桥和固定浮船的撑杆作用。岸边支承墩与湖岸边道路采用3跨人行钢栈桥连接,以满足工作人员日常交通要求。

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

图3 浮码头结构示意图Fig. 3 Sketch map of Floating Wharf Structure

3 结构类型分析

根据《斜坡码头及浮码头设计与施工规范》,浮码头结构示意图[3]见图3、趸船系留方式示意图[3]见图4。

对比浮船式取水泵站示意图图1和图2,两者结构型式类似,均由浮船、系留锚缆、引桥、支承墩、系缆墩等构成,所处的工作环境也类似,均用于江河湖海等,使用功能上有所差异,一个用作码头,供行人、货物等上岸,对引桥的坡度、宽度等要求较高,一个主要用于取水,人行交通仅为辅助功能,对满足通行功能的引桥坡度、宽度等要求可适当放宽,因功能不同,两者的荷载取值有所差异。本设计采用浮码头的理论,采用港口工程中的相关规范,结合取水浮船的功能特点,进行土建结构受力分析。

根据前述本工程设计方案,取水浮船固定体系由抛锚于水底的锚链系统、固定于岸边系缆边墩的缆索和固定于岸边支承墩的摇臂杆组成。锚缆系留为柔性固定,允许浮船以岸边支承墩为球心、在结构允许位移内做球面运动,固定于岸边支承墩的摇臂杆为铰接固定,保证浮船与岸边支承墩的直线距离不变,摇臂杆两端为球形铰接头,在允许转角范围内,摇臂杆仅传递轴力,浮船在锚缆系留作用下、在允许位移范围内,或者在锚缆失效(移船松缆或断缆事故)情况下,其固定主要依靠连接岸边支承墩的摇臂杆,故岸边支撑墩为关键结构构件。考虑最不利工况条件下,不考虑系留锚缆的受力作用,对岸边支承墩的受力情况进行分析。

4 荷载分析(岸边支承墩)

4.1 竖向荷载

自重：支承墩结构自重,据实计算。

万向铰接头、摇臂杆自重,由设备方提供。

输水管内水重,按实计算。

人行钢栈桥自重,按实计算。

雪荷载,按港口工程荷载规范取值计算。

人群荷载,按港口工程荷载规范取值计算。

摇臂杆两端为万向铰接头,分别固定在浮船和岸边支承墩上,摇臂杆上的竖向荷载按两端铰接考虑作用在两端支座上。

4.2 风荷载[4]

作用在岸边支承墩及摇臂杆上的风荷载标准值按式(1)计算：

式(1)中,μs为风荷载体型系数,μz为风压高度变化系数,W0为基本风压,各参数按《港口工程荷载规范》取值,计算时按摇臂杆的顺向和垂向、取两个方向构件的投影面积分别计算。

作用在浮船上的风荷载按式(2)、式(3)计算：

式(2)、式(3)中,Fxw,Fyw分别为作用在浮船上的计算风压力的横向和纵向分力;Axw,Ayw分别为船体水面以上横向和纵向受风面积,根据设备方提供的参数取值;Vx,Vy分别为设计风速的横向和纵向分量,根据气象资料取值;ζ1为风压不均匀折减系数,ζ2为风压高度变化修正系数,根据《港口工程荷载规范》取值。作用在浮船上的风荷载通过摇臂杆轴向传递到岸边支承墩。

4.3 水流力[4]

作用在岸边支承墩上的水流力标准值按式(4)计算：

式(4)中,Cw为水流阻力系数,ρ为水的密度,根据《港口工程荷载规范》取值;V为水流设计流速,根据水文资料取值;A为计算构件在与流向垂直平面上的投影面积,根据构件尺寸按实计算,计算时按摇臂杆的顺向和垂向、取两个方向构件的投影面积分别计算。

作用在浮船上的水流力标准值按式(5)、式(6)计算：

式(5)、式(6)中,Fxsc,Fxmc分别为水流对船首横向分力和船尾横向分力;ρ为水的密度,Cxsc,Cxmc分别为水流对船首横向分力系数和船尾横向分力系数,根据《港口工程荷载规范》取值;V为水流设计流速,根据水文资料取值;B为浮船吃水线以下的横向投影面积,根据设备方提供的参数取值。作用在浮船上的水流力通过摇臂杆轴向传递到岸边支承墩。

4.4 波浪力[5]

根据《港口工程荷载规范》所述,系泊船舶在横浪作用下的力影响因素较多,问题比较复杂,直到目前为止尚无可靠的理论计算方法,但其又是大型码头设计中重要的船舶荷载之一,设计中必须加以考虑,一般均应通过数学模型计算或物理模型试验确定。本工程虽为中小型浮船,但因系泊位置风浪较大,应考虑波浪力的作用,本工程中浮船的波浪力根据《海港工程设计手册》中第六章浮码头相关公式计算。

作用在浮船上的总波浪力按式(7)计算：

图4 趸船系留方式示意图Fig. 4 Sketch map of pontoon mooring system

式(7)中,H为波高,L为波长,T为波浪周期,根据水文气象资料取值;B为浮船宽度,M为浮船质量,根据设备方提供的参数取值;C1为岸边支承墩的水平变位系数,C2为摇臂杆的水平变位系数。作用在浮船上的波浪力通过摇臂杆轴向传递到岸边支承墩。

4.5 管内水压力

岸边支承墩上输水管垂直方向90°弯头向下,弯头处向上推力P及其水平和垂直方向分力标准值1P、2P按式(8)、式(9)、式(10)计算：

式(8)、式(9)、式(10)中,α为弯头夹角,dn为管道公称直径,Fwd,k为设计管道内水压力。1P、2P均考虑作用在岸边支承墩上。

4.6 扭转力矩

因万向转接头有摩擦力矩,浮船在风浪作用下颠簸时,万向转接头会产生扭矩,扭矩传递到岸边支承墩,扭矩值根据设备方提供的参数确定。

4.7 地震荷载

根据抗震规范取值。

5 工况及荷载组合

根据本工程设计方案,结合摇臂杆位置,考虑3种工况条件：

(1)摇臂杆处于水平状态;(2)浮船处于最高水位,摇臂杆向上夹角α;(3)浮船处于最低水位,摇臂杆向下夹角β。

工况1条件下,考虑竖向荷载、风荷载、水流力、波浪力、管内水压力、扭转力矩和地震荷载共同作用,岸边支承墩受最大水平力作用,采用专业结构设计软件按框架结构进行整体受力计算;工况2条件下,考虑前述7种荷载共同作用,岸边支承墩受最大竖向向下力作用,采用专业结构软件进行桩基竖向承载力计算;工况3条件下,考虑前述7种荷载共同作用,岸边支承墩受最大竖向向上力作用,采用专业结构计算软件进行桩基抗拔承载力计算;根据前述计算结果进行结构配筋计算,各工况荷载组合值系数根据荷载规范取值。

6 结语

对于浮船式取水泵站,采用浮码头的结构设计理论,考虑周全的荷载及不利的荷载组合作用进行结构计算,使其结构设计有据可依,保证了结构的安全合理,为类似工程结构设计提供经验参考。目前江西省星子县润泉供水工程浮船式取水泵站已经建成投产,运营情况良好,后续将对岸边支承墩持续监测一段时间,观测结构的位移情况,与理论计算数据比较,累积相关工程设计经验。

[1] 牛富敏,许人,王兰涛,等.移动式取水泵站工程[M].郑州：黄河水利出版社,2001.

[2] 上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司.给水排水设计手册第9册专用机械[M].第三版.北京：中国建筑工业出版社,2012.

[3] 中华人民共和国行业标准JTJ 294-98斜坡码头及浮码头设计与施工规范[S].

[4] 中华人民共和国行业标准JTS 144-1-2010港口工程荷载规范[S].

[5] 交通部第一航务工程勘察设计院.海港工程设计手册[M].北京：人民交通出版社,2001.