引黄济临供水工程一级泵站圆形筒体支护结构计算分析

王维娟,长 全,王开喜

(1.甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司,兰州 730000;2.甘肃省临夏州水务水电局深沟水库管理所，甘肃 临夏 731100)

1 工程概况

引黄济临供水工程一级泵站位于刘家峡库区，泵站主厂房置于开挖后的山体平台1 739.00 m高程之下，以此作为厂区地坪，泵站主厂房基础置于基岩之上，主厂房建基面高程1 711.85 m，自1 739.00 m至建基高程高差27.15 m。主厂房为内径25.0 m的圆形结构，采用C25钢筋混凝土衬砌，衬砌厚度2.0 m，开挖直径29.0 m。根据地质条件，高程1 739.00～1 725.00 m之间为含砾粉质黏土，下部含砾并夹有少量泥岩孤石，土体稍密，上部土体较干，下部稍湿～湿，土体渗透系数4.39×10-4～3.2×10-5，透水性为弱透水。下部基岩为新近系泥岩夹砂岩，岩体透水率为3.69～4.92 Lu，属弱透水。一级泵站平面布置见图1。

2 一级泵站圆形筒体井壁支护计算

按C30钢筋混凝土和C30素混凝土结构分别进行计算。

2.1 按照钢筋混凝土支护进行计算

2.1.1 土层段井壁所受径向荷载计算

表面土层厚14.0 m，天然密度1.43～1.76 g/cm3，凝聚力10～15 kPa，内摩擦角17°～19°，按照静止土压力计算：

P0=K0γZ

(1)

式中：P0为静止土压力,MPa；K0为静止土压力系数，砂土K0=0.34～0.45，黏性土K0=0.5～0.7；γ为填土重度，γ=16 kN/cm3；Z为计算点深度，Z=14.0 m。

经计算：P0=181.44 kPa 。

2.1.2 井塔(架)基础对井壁影响计算

井塔架基础置于天然地基上，最大侧向压应力出现在基础底以下h=L-A/2处，井塔(架)基础引起的侧向压力分布见图2。

图1 一级泵站平面布置图

图2 井塔(架)基础引起的侧向压力分布图

按照带形基础计算：

(2)

(3)

Q=4200 MPa

(4)

式中：Pmax为基础对井壁产生的最大侧向压力计算值,MPa；Q为基础上部结构总重力(包括基础自重力)计算值,MPa;An为岩土层水平荷载系数，取0.53;φ为土层的内摩擦角，(°);L为基础中心至井壁外缘距离,m;A为带形或环形基础宽度，A=2 m；B为带形或环形基础长度，B=33 m。

经计算：

Pmax=63.6 kPa

1 m深处静止土压力：P1=12.96 kPa；

1 m深处静止土压力和井塔(架)共同作用对井壁的侧向压力：

P=12.96+63.6=76.56 kPa

由于土石分界1 725.00 m处静止土压力181.44 kPa 大于1 m深处静止土压力和井塔(架)共同作用对井壁的侧向压力76.56 kPa，因此土层段井壁所受侧向压力按181.44 kPa计算。

2.1.3 土层和岩层分界处井壁厚度及配筋计算

单位高度井壁圆环截面上的轴向力:

N=RwP

(5)

式中：Rw为井壁外半径,Rw=15.5 m；N为单位高度井壁圆环截面上的轴向力计算值。

经计算:N=2 812.32 kN/m 。

钢筋混凝土井壁圆环截面承载力：

N≤0.9φ(tfc+Asfy′)

式中：φ为钢筋混凝土轴心受压构件稳定系数，根据表1选取；As为每米井壁截面配置钢筋面积,m2；fc为混凝土抗压强度设计值，fc=14.3 N/mm2；fy′为钢筋抗压强度设计值，fy′=300 N/mm2；t为拟定的井壁厚度,m。

经计算，As应大于4 933.91 mm2。

井壁厚度最小为0.65 m，选用10Ø28@190，面积为6 158 mm2；配筋率0.95%>0.4%，满足要求。

表1 钢筋混凝土轴心受压构件稳定系数φ表

注：L0=1.814r0。其中,L0为构件计算长度;r0为计算处井壁中心半径，拟定井壁厚为0.65 m。

2.1.4 基岩段最底端井壁厚度及配筋计算

土层以下为砂质泥岩，其天然密度1.95～2.10 g/cm3，天然状态下,单轴抗压强度为1.1～1.3 MPa，凝聚力145～196 kPa，内摩擦角19.8°～21.6°，弹性模量0.21～0.23，泊松比0.29～0.32。

基岩段井壁所受径向荷载:

P=(γ1h1+γ2h2+…+γnhn)An

(6)

式中:h1,h2,…,hn分别为各岩层厚度，m；γ1,γ2,…,γn分别为各岩层重力密度，MN/m3；An为基岩层水平荷载系数，取0.48 。

经计算，受径向荷载计算值P=322.06 kPa、N=4 991.87 kN/m 。当井壁厚度最小为0.78 m时所需钢筋截面面积为6 840 mm2；实际配筋选用12Ø28@146，钢筋截面面积为7 389.6 mm2，配筋率ρ=0.95%>0.4%，满足要求。

通过上述计算可知，对于土层段，钢筋混凝土井壁厚度最小应为0.65 m；对于岩层段，钢筋混凝土井壁厚度最小应为0.78 m。

2.2 按素混凝土支护形式进行计算

素混凝土井壁圆环截面承载力：

N≤0.85φ1tfc

(7)

式中：φ1为素混凝土构件稳定系数，根据表2选取；N为单位高度井壁圆环截面上的轴向力计算值。

表2 素混凝土构件稳定系数φ1表

2.2.1 土层和岩层分界处井壁厚度计算

拟定井壁厚度为t，采用计算土层和岩层分界处井壁圆环截面承载力的计算方式可知，土层与岩层分界处井壁厚度最小值为0.9 m。

0.85φ1tfc=4813.0 kN/m>N=2812.32 kN/m(单位高度井壁圆环截面上的轴向力计算值)。

2.2.2 基岩段最底端井壁厚度计算

拟定井壁厚度为t，采用计算基岩最底端井壁圆环截面承载力的计算方式可知，井壁厚度最小值为0.97 m。

0.85φ1tfc=5541.47 kN/m>N=4991.87 kN/m(单位高度井壁圆环截面上的轴向力计算值)。

2.2.3 井壁纵向承载力计算

井壁纵向承载力：

Qz，k≤fcA0+fyAz

(8)

式中：Az为竖向钢筋横截面积,m2；A0为计算截面井壁横截面面积,m2。

(1) 土层和岩层分界处井壁纵向配筋计算

取单宽计算井壁自重及井塔重量Qz，k=927.5 kN；

则：Az=(Qz，k-fcA0)/fy=-27 891<0，即纵向无需配筋。

(2) 基岩段最底端井壁纵向配筋计算

取单宽计算井壁自重及井塔重量Qz，k=1 226.5 kN；

则:Az=(Qz，k-fcA0)/fy=-26 895<0，即纵向无需配筋。

说明：由于土层和岩石分界处井壁厚度为0.9 m，基岩段壁厚度为0.97 m，由于两者井壁厚度的不同，故两者的单宽计算井壁自重及井塔重量不一样。

2.2.4 井壁环向稳定性验算

根据上述计算，本工程圆形筒体井壁厚度最小1 m。

2.3 圆形筒体井壁支护结构确定

根据上述计算，并考虑施工中不确定因素，主厂房施工支护井壁采用C30钢筋混凝土结构，自1 739.00 m至1 711.85 m高程，总高度27.15 m，顶部设置1.5 m×1.5 m(宽×高)锁口梁，其下为16层钢筋混凝土支护井壁，每层断面尺寸1.0 m×1.5 m(宽×高)；底部为一层断面尺寸1.0 m×1.65 m(宽×高)钢筋混凝土支护井壁。每层支护井壁环向配置12Ø28@146双层钢筋，环向钢筋之间采用Ø8@400箍筋。

3 结 语

引黄济临供水工程一级泵站的施工是整个工程施工的难点，实际施工过程中对圆形筒体井壁采用钢筋混凝土结构形式进行支护，取得了很好的效果。工程于2015年5月开工建设，于2016年10月完成主干试通水运行，一级泵站设计流量为1.95 m3/s，布设4台机组(3用1备)。由于临夏新水厂还未建成，目前仅对临夏老水厂供水，该水厂处理能力运行一台泵即可满足，故从开始运行至今仅单泵运行，流量为0.65 m3/s，泵站单泵运行期最长达70余d，运行情况良好。