某海外工程超深循泵房结构设计

钟润辉，蒋小元，王振宇，高 玲

(华东电力设计院有限公司，上海 200063)

1 概述

随着国家“一带一路”建设的提出，越来越多的中国企业开始承接海外工程项目。另一方面，对于电力行业来说，由于受国内政策导向的影响，积极发展海外工程也成为大势所趋。

但海外工程所处环境与国内大不相同，除了政策和规范上的差别以外，往往还会受到文化、宗教环境、劳动力资源、原材料供应等诸多问题的影响。在工程方案设计阶段常常会出现由于某一特殊情况而导致整体方案发生颠覆性变化的情况，因此在整个项目推进过程中需要全面、多方位地考虑当地的实际情况，尽量避免此类情况的发生。

本文以土耳其某燃煤电厂的循环水泵房为例，介绍了海外工程循泵房设计的不同之处，对将来类似工程有一定参考价值。

2 工程概况

土耳其某燃煤机组工程，厂址紧靠地中海，厂址地貌单元主要为丘陵，地形复杂，地势变化大，部分区域高差在50～60 m左右。循环水采用直流冷却供水系统，冷却水源为海水，取自地中海。

典型的土层分布如下：

层1：表土，层厚0.5～2 m，性质均匀。

层2：泥灰岩，层顶埋深0.5～2 m，其上部为中等风化～微风化，夹有黏土岩和砂岩；下部为新鲜岩石，岩体质量好，岩体完整。

层3：黏土岩，层顶埋深3～25 m，上部为中等风化～强风化，岩体较破碎～破碎；下部为新鲜岩石，微风化。

层4：砂岩，一般可见于表土下，上部为中等风化～强风化；下部为新鲜岩石，岩体质量好，岩体完整。

层5：泥岩，此层的揭露深度为1～12 m和7～30 m，中等风化～强风化，岩体较破碎～破碎，岩体质量差～较差。

根据收集的资料，场地地表动峰值加速度为0.4 g，场地位于第一度地震区。

3 布置方案调整

本工程原设计中，循环水泵房采用岸边式取水泵房，结合近岸明渠引水方案，将循泵房设置于厂址东侧的海岸边回填区，回填区标高5 m，循泵房深度15 m，以国内大量工程经验来看，此方案较为经济合理。

后由于总平面布置根据土耳其相关部门的要求进行了调整、海域回填场地发生变化及海龟产卵地的保护等诸多不可调和原因，总平面布置中临海侧变化较大，循泵房的位置从临海回填区调整至山坡上，所在区域室外地坪标高为26 m。

4 结构方案

4.1 工程难点

布置方案的变化直接导致循泵房埋深增加了21 m，从常规的岸边式泵房变为山区复杂岩层下超大埋深直流循环水泵房，加上工程厂址位于9度高烈度区，因此本工程循泵房的设计及施工难度较大。

泵房运行层标高基本不变，仍采用2.5 m，自运行层至地面采用钢筋混凝土箱型结构。与常规方案相比，本方案将会面临以下几个难点：

(1) 大跨度超深泵房的侧壁及底板所受水土压力将十分巨大，如何合理选择结构形式将是一大难点。

(2) 本地区地震加速度达到0.4 g，地震情况下周围土体对泵房会产生较大的水平地震力，尽管地下结构整体性较好，但跨度较大板的自由边仍有可能会由于位移过大而发生破坏。如何合理地解决超深地下结构抗震也是下一步工作的重点。

(3) 近40 m的基坑开挖对施工来说也是一大挑战。

(4) 此外，地下运转层的通风、大型设备的安装检修等均是需要重点考虑的问题。

4.2 结构计算

经初步计算，本工程地质条件下，侧壁最大的水土压力可达到300 kPa，除此以外还应考虑地震工况下外部土体及内部动水压力对结构的作用。在上述荷载作用下，大跨度的侧板受力将十分巨大，常规简化模型计算结果无法满足工程需要，需要采用有限元模型进行整体计算。

循泵房下部平面尺寸47.5 m×57.35 m，平面布置见图1，场地标高26 m，运行层在地面以下，标高2.5 m，流道底标高－9.5 m，泵房深度达到了36 m，为解决结构受力问题，必须设置到顶隔墙作为竖向支座。最理想的方案是尽可能多地增加到顶隔墙的数量，并设置水平结构层，尽量减小单块板的跨度。

但由于工艺管道及空间布置要求，无法将所有隔墙伸至地面，也无法设置水平结构层。因此综合考虑工艺要求、结构受力以及经济性后，决定采用一道纵隔墙两道横隔墙到顶的方式，见图2、图3，以此减小2.5 m层以上超深侧壁的跨度。采用此方案后，最大跨侧板尺寸仍达到了23 m×35.9 m，按以上荷载对结构进行初步计算，确定侧壁及底板厚度约2～2.5 m，与原方案相比，地下工程混凝土工程量增加了近48000 m3。由于运行层落深，还需要设置竖向通行升降梯以及楼梯以满足运行检修要求，同时设置竖向风机，以解决底层通风问题。

图1 泵房平面布置图

图2 泵房剖面图1

图3 泵房剖面图2

采用有限元模型对循泵房下部结构进行建模计算，建立的整体模型见图4，侧壁及底板采用三维板单元进行模拟，网格划分后板单元共84215个，节点数共82875个。外部土层作用采用土弹簧加水土压力的方式，其中土弹簧只抗压不抗拉，与实际情况相符。计算结果见图5～图8，由计算结果可看到，位移最大部位与板跨有关，板最大挠度发生在泵房间侧板及进水前池端板，两处跨度分别为22 m及23 m。同样的，板的受力方面也是这两处最不利，其中进水前池处由于在运行层处为敞开式结构，没有运行层顶板对其的支撑作用，因此板两侧弯矩达到了4400 kN. m，底部弯矩达到了4220 kN. m(图中运行层处侧壁弯矩上下颜色不同是由于单元建立是板单元局部坐标系定义不同所致，对结算结果无影响)。

图4 整体有限元模型

图5 X方向位移

图6 Y方向位移

图7 X方向弯矩

图8 Y方向弯矩

5 结语

海外工程与国内工程不同，往往在外部条件未完备的情况下就需要进行方案设计，而又由于政策及环境上的差异，在实施过程中会出现各种不可预见的复杂问题，导致工程方案的反复修改。

对本工程而言，显然原方案的设计更为合理，但由于政策、环境等不可抗的原因，致使设计人员不得不采用投资更大、结构形式更复杂、施工难度更高的方案。

对此类复杂地层条件下深埋式的泵房结构，建议采用有限元模型进行整体计算，并且根据工程实际情况应尽可能合理地设置水平及纵向贯通式隔墙，以减小侧壁跨度。经有限元计算，本工程泵房进水前池端板受力最不利，此处无运行层顶板的支撑作用，侧壁两侧弯矩达到了4400 kN. m，底部弯矩达到了4220 kN. m，同样位移也是此处最大。建议类似工程运行层尽量延伸至各板边或者加设水平腰梁的方式以减小结构受力变形。

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