二級壩泵站主廠房混凝土整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

高 峰，李清華，李玉瑩，王永強(qiáng)

(山東省水利勘測設(shè)計院，山東濟(jì)南 250014)

二級壩泵站主廠房混凝土整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

高 峰，李清華，李玉瑩，王永強(qiáng)

(山東省水利勘測設(shè)計院，山東濟(jì)南 250014)

為了解決深埋于地下的大型泵站主廠房采用分縫結(jié)構(gòu)存在的側(cè)向穩(wěn)定和縫內(nèi)止水滲漏問題，南水北調(diào)東線一期工程二級壩泵站主廠房結(jié)構(gòu)采用了不分縫的整體結(jié)構(gòu)。對分縫方案和整體結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了有限元分析計算，并對整體結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了底板溫度應(yīng)力分析計算，計算結(jié)果表明:整體結(jié)構(gòu)方案具有受力合理、應(yīng)力水平低、結(jié)構(gòu)沉降均勻且較小、側(cè)向穩(wěn)定能自身平衡、工程投資較省等優(yōu)點(diǎn)。二級壩泵站主廠房主體結(jié)構(gòu)完工后經(jīng)歷了兩個完整冬季，底板未發(fā)現(xiàn)可見混凝土裂縫，其他部位未見有害貫穿性裂縫。

整體結(jié)構(gòu);分縫結(jié)構(gòu);溫度應(yīng)力;混凝土;應(yīng)力水平;沉降;二級壩泵站;南水北調(diào)東線工程

南水北調(diào)東線工程基本任務(wù)是從長江下游調(diào)水，向黃淮海平原東部和山東半島補(bǔ)充水源，與南水北調(diào)中線、西線工程一起，共同解決我國北方地區(qū)水資源緊缺問題。東平湖是東線工程最高點(diǎn)，第一期工程從長江至東平湖設(shè)13個調(diào)水梯級共34座泵站，其中新建21座泵站。對東線工程而言，泵站工程建設(shè)的好壞決定了南水北調(diào)東線工程的成敗，對泵站結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、安全性、耐久性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行研究意義重大。

GB/T 50265—2010《泵站設(shè)計規(guī)范》規(guī)定土基上伸縮縫間距不宜大于30 m、巖基上間距不宜大于20 m，因此我國大型泵站大多采用分縫的結(jié)構(gòu)方案。在后期運(yùn)行中發(fā)現(xiàn)伸縮縫往往成為這些泵站漏水的主要通道，且難以進(jìn)行維修堵漏，成為影響泵站正常運(yùn)行的重要問題［1-2］。對于深埋于地下的大型泵站主廠房采用分縫方案還存在以下主要問題:①兩側(cè)結(jié)構(gòu)均有一側(cè)臨空，結(jié)構(gòu)側(cè)向穩(wěn)定問題難以解決;②結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平較高，應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯;③地基沉降不均勻。

隨著混凝土材料和裂縫控制技術(shù)研究的發(fā)展及人們對混凝土裂縫產(chǎn)生機(jī)理認(rèn)識的加深，混凝土材料性能和施工管理水平逐步提高，各類建筑物(構(gòu)筑物)的伸縮縫間距越來越大，盡量少設(shè)縫或不設(shè)縫成為混凝土結(jié)構(gòu)的一種發(fā)展趨勢，一批超長超大混凝土結(jié)構(gòu)陸續(xù)建成，取得很好的效果［3-10］。各類成功的工程實(shí)踐，為泵站主廠房混凝土結(jié)構(gòu)的無縫設(shè)計提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，但到目前為止，大型泵站鮮見整體結(jié)構(gòu)設(shè)計的工程實(shí)例，更缺乏系統(tǒng)、全面的設(shè)計研究。

1 方案設(shè)計

南水北調(diào)東線一期工程二級壩泵站樞紐工程位于山東省微山縣歡城鎮(zhèn)境內(nèi)，是南水北調(diào)東線工程的第10級抽水梯級泵站，也是山東境內(nèi)的關(guān)鍵性控制工程。工程規(guī)模為大(1)型，泵站等別為Ⅰ等。裝機(jī)5臺套后置式燈泡貫流泵(1臺備用)，設(shè)計輸水流量為125 m3/s，設(shè)計凈揚(yáng)程3.21 m，單機(jī)流量31.5 m3/s，單機(jī)功率1 650 kW。多年平均設(shè)計裝機(jī)利用時間4364 h。

泵站采用塊基型，共分為4層，地上1層，地下3層。地上1層由排架和屋頂大梁組成;地下1層布置變頻器等電器設(shè)備，地下2層布設(shè)油泵、機(jī)旁箱等設(shè)備，地下3層為流道水泵層。主廠房底板厚1.60m(局部厚達(dá)4.20m)。在進(jìn)水流道前設(shè)檢修門一道，出水流道后設(shè)有作為泵站出口斷流的油壓啟閉機(jī)控制的快速閘門和作為保護(hù)的備用事故檢修門?；A(chǔ)位于第⑦層壤土夾礓石層，其修正后承載力特征值為187 kPa，地基條件較好。

主廠房在初步設(shè)計時采用常規(guī)的分縫方案，如圖1所示。垂直水流向分為2塊:右側(cè)3個泵組為一聯(lián)，左側(cè)2個泵組加上安裝間為一聯(lián)，中間設(shè)1條伸縮縫，2塊長均為28.30 m，總長56.60 m。順?biāo)飨蛑鲝S房與快速閘門間設(shè)1條伸縮縫，主廠房和快速閘門的長度分別為34.00 m和9.80 m。底板分為4塊，最大塊28.30m×34.00 m，最小塊28.30 m×9.80 m。

圖1 分縫方案平面布置(單位:m)

工程施工圖設(shè)計階段，在充分調(diào)研和分析計算的基礎(chǔ)上，提出整體結(jié)構(gòu)方案:取消順?biāo)飨蚝痛怪彼飨虻纳炜s縫，泵站主廠房結(jié)構(gòu)形成一個整體，順?biāo)飨蜷L41.80m，垂直水流向長55.98m，詳見圖2。

2 分縫方案和整體結(jié)構(gòu)方案比較

為比較兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，對分縫方案和整體結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行了分析計算。

圖2 整體結(jié)構(gòu)方案平面布置(單位:m)

2.1 內(nèi)力與沉降計算分析

采用通用有限元程序，對兩個方案進(jìn)行了內(nèi)力和沉降計算。

計算中采用參數(shù)如下:地基土的彈性模量為40MPa;回填土濕密度1.94g/cm3，飽和密度2.04g/cm3;混凝土強(qiáng)度等級C30，彈性模量30GPa，泊松比0.2，密度2.55 g/cm3;水泵荷載按泵的裝機(jī)圖選取。

計算工況選施工完建(泵房內(nèi)外均無水)和正常運(yùn)行(泵站進(jìn)水池水位30.89 m，出水池水位34.10 m)兩種工況。計算模型除主廠房外，地基底板向下取25 m，泵房前后左右除去開挖回填部分各取30 m，地基底部加三向約束，四周加水平約束。

選用右手坐標(biāo)系，x坐標(biāo)取順?biāo)鞣较?，y坐標(biāo)豎直向上，z坐標(biāo)垂直水流方向。

分縫方案選擇三機(jī)一聯(lián)的28.30 m×34.00 m塊作為計算單元，計算模型見圖3，整體結(jié)構(gòu)方案計算模型見圖4。計算結(jié)果見表1和表2。

圖3 分縫方案計算模型

圖4 整體結(jié)構(gòu)方案計算模型

表1 分縫方案主廠房的應(yīng)力和位移(三機(jī)一聯(lián))

表2 整體結(jié)構(gòu)方案主廠房的應(yīng)力和位移

經(jīng)綜合分析可知，整體結(jié)構(gòu)方案與分縫結(jié)構(gòu)方案相比，具有以下優(yōu)勢:

a.整體結(jié)構(gòu)方案受力合理、均勻。整體結(jié)構(gòu)方案最大應(yīng)力(拉應(yīng)力)3.80 MPa，遠(yuǎn)小于分縫方案最大應(yīng)力(拉應(yīng)力)16.29 MPa。

b.整體結(jié)構(gòu)方案沉降均勻，沉降量小，沉降差小，對工程運(yùn)行和設(shè)備耐久性有利。整體結(jié)構(gòu)方案最大豎向位移74 mm，最小54 mm，兩者比值為1.37，沉降差20mm。分縫結(jié)構(gòu)方案最大豎向位移131 mm，最小90mm，兩者比值為1.46，沉降差41mm。

c.整體結(jié)構(gòu)方案平均地基應(yīng)力水平低，施工完建期最大地基應(yīng)力177 kPa，小于分縫方案的213 kPa，天然地基承載力滿足要求。

d.整體結(jié)構(gòu)方案兩側(cè)土壓力相互平衡，與分縫方案相比，不存在主廠房側(cè)向穩(wěn)定問題，無需專門的處理措施，降低了工程造價。

e.整體結(jié)構(gòu)方案由于中間不設(shè)縫，不會發(fā)生止水漏水等難以處理的問題;取消中間止水，減少了施工工序，施工難度有所降低。

f.由于取消了伸縮縫，整體結(jié)構(gòu)方案的抗震性能優(yōu)于分縫方案的抗震性能。

2.2 經(jīng)濟(jì)比較

泵站主廠房分縫方案與整體結(jié)構(gòu)方案的投資比較見表3，表中項目為兩方案相同項目以外的差異項對比。

表3 分縫方案與整體結(jié)構(gòu)方案投資對比

分縫方案總投資為367.31萬元，整體結(jié)構(gòu)方案總投資為44.16萬元，整體結(jié)構(gòu)方案可節(jié)約投資323.15萬元。

根據(jù)以上分析可知，從整體穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)受力、地基沉降、工程措施和工程投資方面來看，整體結(jié)構(gòu)設(shè)計方案均優(yōu)于分縫設(shè)計方案。

3 整體結(jié)構(gòu)方案底板溫度應(yīng)力計算

整體結(jié)構(gòu)方案底板混凝土方量大，為驗(yàn)證整體澆筑的可行性，對底板的溫度應(yīng)力進(jìn)行了計算?；炷猎O(shè)計指標(biāo):強(qiáng)度等級C30，抗凍標(biāo)號F150，抗?jié)B標(biāo)號W8?？紤]不利的施工氣象條件，取泵站附近實(shí)測冬季大幅降溫資料，溫度由10℃降至5℃?？紤]底板厚度的影響，取1.60m、3.00m和4.00m共3種板厚分別計算。在溫度應(yīng)力計算中，主要考慮基礎(chǔ)總降溫差引起的外約束應(yīng)力?？偨禍夭钇诎踩娜∷療嶙罡邷厣鋮s至某時的環(huán)境溫差(為偏于安全，計算中取5℃)，將總降溫差分成臺階式降溫(步距3 d)計算。計算結(jié)果見表4。

表4 各種板厚的溫度應(yīng)力

由表4可見，在溫度應(yīng)力作用下，不同厚度的底板均滿足抗裂要求，主廠房混凝土整體結(jié)構(gòu)設(shè)計是合理可行的。

4 施工控制措施

根據(jù)工程混凝土特點(diǎn)，在施工中重點(diǎn)采取了以下措施:

a.確定合理的配合比。目的是降低水化熱溫升，適當(dāng)延長凝結(jié)時間，減小混凝土收縮。采取的措施有:降低水泥用量，摻加礦物摻和料;使用緩凝型高效減水劑;控制好混凝土入模溫度。

b.掌握正確的施工方法。目的是防止離析，盡量減少塑性裂縫。采取的措施有:斜面分層澆筑;避免過振產(chǎn)生離析;用木抹子多次搓面防止產(chǎn)生塑性裂縫。

c.嚴(yán)格執(zhí)行保溫保濕養(yǎng)護(hù)制度。目的是控制混凝土內(nèi)表溫差，防止在混凝土早齡期發(fā)生干縮。采取的措施有:覆蓋保溫材料，混凝土入模溫度小于32℃，里表溫差小于 20℃，每天降溫速率小于1.5℃。在混凝土早齡期保持潮濕，推遲干縮發(fā)生。

d.認(rèn)真測溫，隨時監(jiān)控混凝土內(nèi)溫度。采取的措施有:澆筑前在混凝土占據(jù)的空間內(nèi)布置測溫點(diǎn)，在凝結(jié)后的整個養(yǎng)護(hù)期內(nèi)，定時測定混凝土內(nèi)各部位溫度，以確保控制在計劃范圍之內(nèi)。萬一發(fā)生異常情況，可及時采取補(bǔ)救措施。

e.采用“跳倉法”澆筑混凝土。在長度方向劃分合適的倉段跳倉澆筑。實(shí)踐證明這是減少混凝土有害裂縫的有效方法。

5 工程實(shí)施效果

作為國內(nèi)少有的整體結(jié)構(gòu)大型泵站，本工程的設(shè)計、施工得到各級領(lǐng)導(dǎo)和各參建單位的關(guān)心和支持，在工程開工建設(shè)前組織了多次工程實(shí)施方案專家論證會。在充分組織準(zhǔn)備的基礎(chǔ)上，主廠房工程于2009年5月開始澆筑底板混凝土，同年8月澆筑完流道層，10月主體結(jié)構(gòu)封頂。現(xiàn)場實(shí)測表明，各測點(diǎn)沉降值均勻且較小(17～30 mm)。

至今，工程已經(jīng)歷兩個完整的多年未遇寒冷冬季，未發(fā)現(xiàn)貫穿性有害裂縫，工程質(zhì)量良好，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

6 結(jié)語

大型泵站主廠房整體結(jié)構(gòu)方案受力合理，應(yīng)力水平低，結(jié)構(gòu)沉降均勻且較小，側(cè)向穩(wěn)定能自身平衡，不存在止水和抗震裂縫處理問題，工程投資較省。底板溫度計算表明，主廠房混凝土整體結(jié)構(gòu)設(shè)計是合理可行的。二級壩泵站主廠房主體結(jié)構(gòu)完工后經(jīng)歷了兩個冬季的降溫考驗(yàn)，底板未發(fā)現(xiàn)可見混凝土裂縫，其他部位未見有害貫穿性裂縫。本工程的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)可為相近工程的設(shè)計提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。

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Overall structural design of concrete for power house of Erjiba Pumping Station

GAO Feng，LI Qinghua，LI Yuying，WANG Yongqiang(Shandong Water Conservancy Survey and Design Institute，Jinan250014，China)

To solve the problem of lateral stability and sealing leakage of the power house of deep，buried，large pumping stations with a parting structure，the power house of the Erjiba Pumping Station of the Eastern Route Project of South-to-North Water Diversion adopts the overall structure without the parting structure.The schemes of the parting structure and overall structure were analyzed and calculated by means of the finite element method.The temperature stress on the bottom plate for the latter scheme was analyzed.The calculated results show that the scheme of the overall structure has advantages such as a rational force，a low stress level，uniform and small settlement，lateral stability and self-balance，and economical project investment.The power house of the Erjiba Pumping Station has undergone two compete winters after the completion of the main structure，and neither visible concrete cracks on the bottom plate nor harmful penetrated cracks on other locations have been found.

overall structure;parting structure;temperature stress;concrete;stress level;settlement;Erjiba pumping station;Eastern Route Project of South-to-North Water Diversion

TV675

A

1006-7647(2013)02-0051-04

10.3880/j.issn.1006-7647.2013.02.011

高峰(1969—)，男，山東菏澤人，教授級高級工程師，碩士，主要從事水工結(jié)構(gòu)研究。E-mail:86956326@163.com

2012-05-30 編輯:熊水斌)