泵站出水池的抗浮設(shè)計(jì)

魯航線 ，張東巖 ，高家增 ，胡大衛(wèi) ，王旭陽(yáng)

（1.四川大學(xué)水利水電學(xué)院，四川成都 610065；2.天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津市 300051）

1 問(wèn)題的提出

在給排水構(gòu)筑物的設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)的抗浮計(jì)算是一項(xiàng)重要內(nèi)容。按照《給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50069-2002）第5.2.3條，構(gòu)筑物的抗浮穩(wěn)定性抗力系數(shù)Ks為1.05。一些構(gòu)筑物由于地下水位較高而使得單純依靠結(jié)構(gòu)自重常常不能滿足抗浮的要求，這時(shí)就需要采取一定的措施。

1.1 工程簡(jiǎn)介

某排澇泵站位于北方沿海地區(qū)，泵站設(shè)計(jì)流量為40 m3/s，具有強(qiáng)排、自流、引水、蓄水及聯(lián)通等多種功能，是一座多功能的跨河樞紐泵站。泵站主體包括進(jìn)水、泵房、出水、自流等部分。泵房整體布置見(jiàn)圖1。

泵站設(shè)計(jì)地面標(biāo)高為5.00 m，最深處底板底標(biāo)高為-3.90 m。整體平面尺寸為51.95 m×43.23 m，由于縱橫向均大于30 m的地下混凝土水池長(zhǎng)度上限。因此，設(shè)計(jì)對(duì)泵房主體橫縱向各設(shè)一道伸縮縫，將泵房分為四部分，其中進(jìn)水及泵房沿軸線分為兩部分，出水池沿軸線分為兩部分（見(jiàn)圖2）。分割完后前后兩部分尺寸（因泵站為對(duì)稱形式，前后兩部分均對(duì)稱）分別為28.28 m×21.6 m和23.67 m×16.2 m。

1.2 抗浮計(jì)算

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，該泵站所在場(chǎng)地地下水位標(biāo)高在勘察期間為1.17～2.00 m，年變化幅度為1.0 m，由于泵站建成后進(jìn)水河道最高水位為2.0 m，考慮一定的水力坡降，抗浮計(jì)算水位取為2.5 m。據(jù)此水位對(duì)泵站四部分分別進(jìn)行抗浮計(jì)算，經(jīng)過(guò)計(jì)算，前面兩部分抗浮安全系數(shù)為1.20，后面兩部分抗浮安全系數(shù)為0.68。上述前面兩部分可以滿足大于1.05的抗浮要求，而后兩部分即泵站出水池部分顯然不滿足抗浮安全系數(shù)的要求，必須采取輔助的抗浮措施。

2 給排水構(gòu)筑物常用的的抗浮方式

在泵站、污水處理廠等給排水構(gòu)筑物中一般經(jīng)常采用的構(gòu)筑物抗浮措施有配重抗?。òㄔ诘装迳吓渲亍⒃诘装逑屡渲匾约凹雍竦装宓龋?、加大底板飛邊、錨固抗浮、降水抗浮等形式。

2.1 配重抗浮

混凝土的特點(diǎn)就是自重較大，但這個(gè)特點(diǎn)正好有利于地下或半地下構(gòu)筑物的抗浮，一般構(gòu)筑物的抗浮主要依靠其結(jié)構(gòu)自身的重量。由于混凝土的比重為22～25 kN/m3，大于地下水的10 kN/m3，因此，當(dāng)水池不滿足抗浮要求時(shí)可以將底板的混凝土量增加，利用混凝土與地下水的比重差來(lái)達(dá)到抗浮穩(wěn)定的要求。

配重抗浮一般有三種方法：一是在底板上部采用低等級(jí)混凝土壓重；二是采用較厚的鋼筋混凝土底板；三是在底板下部采用低等級(jí)混凝土掛重。前兩種方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單可靠，當(dāng)構(gòu)筑物的自身重度與浮力相差不大時(shí)，應(yīng)盡量采用配重抗浮，對(duì)工程造價(jià)的影響小,投產(chǎn)后亦沒(méi)有管理成本。但構(gòu)筑物的自身重度與浮力相差較大時(shí)，本方法將會(huì)增加工程量使土建造價(jià)提高，原因是配重部分要扣除浮力，導(dǎo)致配重部分的厚度增大；較大的埋深也將增加挖方量和排水費(fèi)用，同時(shí)也會(huì)增大基底壓力，引起較大的地基變形。如采用底板上設(shè)低等級(jí)混凝土壓重的方法，將會(huì)使壁板的計(jì)算長(zhǎng)度H加大，而壁板根部的彎矩值與H是平方關(guān)系,這樣會(huì)使壁板根部的彎矩值增長(zhǎng)較快，彎矩值較大時(shí)，板厚和配筋也會(huì)相應(yīng)增大；如采用較厚的鋼筋混凝土底板的方法，其工程量與設(shè)低等級(jí)混凝土壓重相差不多，壁板的彎矩值雖小，但底板的鋼筋用量會(huì)有些許增加；如采用底板下設(shè)混凝土掛重的方法，壁板的彎矩值小，底板的鋼筋用量也不會(huì)增加，但底板和掛重部分混凝土須用鋼筋連接，施工比較麻煩，當(dāng)?shù)叵滤畬?duì)鋼筋和混凝土具有侵蝕性時(shí)，設(shè)混凝土掛重的方法須謹(jǐn)慎。

2.2 加大底板飛邊

增加結(jié)構(gòu)的重量除了配重外，還可以采用加大底板飛邊，依靠飛邊上的土重來(lái)提高整體對(duì)地基的荷載來(lái)達(dá)到抗浮要求。

2.3 錨固抗浮

所謂錨固抗浮，顧名思義，就是采用錨固的方法將水池錨固于地基上來(lái)抗浮，錨固措施有抗拔樁和錨桿?？拱螛独脴兜膫?cè)摩阻力和自身重量來(lái)抵抗浮力，樁型可采用樹根樁、灌注樁或預(yù)制樁?？拱螛妒┕ぽ^簡(jiǎn)單，耐久性較好；錨桿抗浮是利用在底板下土層中設(shè)錨桿來(lái)錨固池體。錨桿抗浮有三個(gè)問(wèn)題需要注意：一是受力問(wèn)題，當(dāng)構(gòu)筑物內(nèi)無(wú)水時(shí)，錨桿處于受拉狀態(tài)，當(dāng)構(gòu)筑物滿水時(shí)，錨桿又處于受壓狀態(tài)，錨桿的底端類似于樁端，錨桿在反復(fù)拉壓狀態(tài)下的工作性能有待進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究；二是施工問(wèn)題，錨桿的施工需有專門的機(jī)械，施工前要進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)，較細(xì)的錨桿在施工時(shí)有一定的難度，如何控制鋼筋偏移，如何使灌漿飽滿、如何避免斷桿等都是施工難題，尤其是錨桿較長(zhǎng)時(shí)，不如配重抗浮來(lái)得簡(jiǎn)便；三是適用性，當(dāng)?shù)叵滤畬?duì)鋼筋有侵蝕性時(shí)，細(xì)錨桿的耐久性問(wèn)題不易解決，這將在一定程度上限制其適用性。

2.4 降水抗浮

除了利用增加結(jié)構(gòu)重量及向下拉力來(lái)達(dá)到抗浮要求外，還可以采用降低地下水的方法。具體做法是在構(gòu)筑物底板下設(shè)反濾層，在構(gòu)筑物周圍設(shè)降水井，降水井和反濾層間用盲溝相連，當(dāng)構(gòu)筑物因檢修設(shè)備而需要放空時(shí)，可在降水井內(nèi)抽水使地下水位降至安全水位，從而保證構(gòu)筑物的穩(wěn)定。降水抗浮的優(yōu)點(diǎn)是工程造價(jià)低，缺點(diǎn)是管理較麻煩，每次檢修均需要抽水。

3 泵房出水池抗浮措施

由于配重抗浮和錨固抗浮對(duì)造價(jià)的影響較大，降水抗浮又會(huì)給管理維護(hù)帶來(lái)麻煩，因此，在本泵站出水池的抗浮設(shè)計(jì)中，采用了一種單向止水的形式。當(dāng)出水池放空時(shí)地下水可以滲入水池，達(dá)到抗浮安全的目的。具體做法是：在出水池底板安裝一種球形止回閥（又稱逆止閥），底板下設(shè)300厚級(jí)配碎石及土工布作為反濾層。球形止回閥主要有殼體、防護(hù)蓋板、球體等三部分組成，球體與殼體內(nèi)密封座構(gòu)成一套完整的密封體系，利用球體在殼體內(nèi)的不同位置實(shí)現(xiàn)止回閥的啟、閉功能。運(yùn)行時(shí)，當(dāng)?shù)叵滤坏陀诔貎?nèi)水位時(shí)，球體與殼體密封座緊密貼合，此時(shí)閥門處于密閉狀態(tài)，阻隔池內(nèi)水體與地下水的通道；當(dāng)?shù)叵滤簧仙粮哂诔貎?nèi)水位時(shí)，球體在地下水壓的作用下離開(kāi)密封座，此時(shí)閥門處于開(kāi)啟狀態(tài)，導(dǎo)通地下水與池內(nèi)水，地下水便可經(jīng)球體與殼體密封座之間的間隙流入池內(nèi)，地下水壓力和水量越大，球體與殼體密封座之間的間隙越大，流量也越大。當(dāng)?shù)叵滤c池內(nèi)水位相持平時(shí)，球體回至密封座體位置，此時(shí)閥門處于密閉狀態(tài)。

止回閥安裝示意見(jiàn)圖3。

出水池水位的降落速度取決于排出至河道的流量，在池內(nèi)水位接近地下水位時(shí)，當(dāng)排出流量較大時(shí)，流入池內(nèi)的地下水的流速也較快，反之就較慢。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，公稱直徑為100 mm的球形止回閥其流量與水頭差的關(guān)系如圖4所示。

根據(jù)圖4曲線可近似地得出流量Q與水頭差h的關(guān)系為：

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，本止回閥的啟動(dòng)水位差為10cm，此時(shí)止回閥通過(guò)的流量為1 700 mL/s。經(jīng)計(jì)算，出水池最大可以承受的內(nèi)外水位差為1.5 m，則止回閥正常工作的水頭差范圍應(yīng)為1.5 m以內(nèi)。假設(shè)出水池排水流量保持均勻，則流入流量應(yīng)為線性變化，因此可近似按照平均水頭差即（0.1+1.5）/2=0.8 m來(lái)計(jì)算所需要的止回閥數(shù)量。

根據(jù)式（1），當(dāng)水頭差h=0.8 m時(shí)計(jì)算得Q=11 500（ml/s）。而出水池0.8 m水深范圍的水量W為595 m3，假設(shè)這些水量需要在10 min內(nèi)補(bǔ)充完畢，則需要的止回閥數(shù)量n為：

即布置86個(gè)止回閥即可以滿足在10 min內(nèi)將0.8 m深范圍內(nèi)充滿以保證泵站出水池的安全。據(jù)此在出水池底板上布置86個(gè)止回閥，間距為3 m。

4 結(jié)語(yǔ)

采用單向止水的方法有效地解決了本工程出水池抗浮的問(wèn)題，比采用配重抗浮和抗拔樁抗浮工程造價(jià)分別節(jié)約了約30萬(wàn)元和43萬(wàn)元。該止回閥采用球體作為密封件，球體受力狀態(tài)好，變形小，球體表面積聚泥沙的機(jī)率小，在殼體內(nèi)設(shè)有防塵槽，用于沉積泥沙，且球體與密封座無(wú)固定的接觸點(diǎn)，磨損均勻，使用壽命長(zhǎng)。由于結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，安裝及維護(hù)方便，因此，可大量應(yīng)用于類似工程的抗浮設(shè)計(jì)中。

該止回閥存在的主要問(wèn)題是耐壓能力較小，水池?zé)o法實(shí)現(xiàn)完全空池，因此這種止回閥不能用于有檢修要求的水池。另外，由于該止回閥還不能保證完全密封，有可能會(huì)發(fā)生池內(nèi)水體滲漏的現(xiàn)象，因此對(duì)于污水處理廠及給水廠，建議采用更安全的方式來(lái)解決抗浮問(wèn)題。

[1]GB50069-2002,給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]吳銘,王金成,陳海燕.大型排水構(gòu)筑物的抗浮設(shè)計(jì)[J].特種結(jié)構(gòu),2004(1).