10000m3氣柜基礎設計應用

吳嶠

（新地能源工程技術有限公司石家莊能源化工技術分公司天津設計部，天津 300022）

在化工行業(yè)建設中，大中型儲氣柜較多，氣柜基礎的設計施工是一個重要環(huán)節(jié)，尤其是在一些地形復雜的情況下，氣柜基礎的處理更重要[1]。儲存氣體的大型氣柜有高壓，低壓，濕式和干式等類型，根據儲量不同，小的選用濕式和低壓型，大的選用干式和高壓型[2]。常用以保證煤氣的正常生產和連續(xù)供應，具有混合氣體和平衡壓力的功能，是煤氣輸送工程中的重要設備。

儲存低壓氣體的容器，用于緩解供氣量和使用氣量間的不平衡，有濕式和干式之分，螺旋儲氣柜是一種使用較廣的濕式儲氣柜，他由水槽，鐘罩，塔節(jié)，水封，導軌，平臺，頂架，頂板，和氣體進出管線等組成。按柜內氣量的多少，壁板上的導軌和按在平臺上的導輪間作相對運動，使塔節(jié)旋轉著上升或下降，在一定范圍內改變氣柜的儲氣容積[2]。因此氣柜的基礎是否滿足地基承載力的要求，沉降是否滿足變形要求對氣柜的正常工作至關重要。

這里通過工程實例（某能源煤層氣有限公司投資的瓦斯氣集輸工程的氣柜基礎）介紹山區(qū)地形下氣柜環(huán)墻基礎的設計。

1 工程概況

本項目是瓦斯氣集輸工程，氣柜直徑為26.4m，高32.7m的容積為10000m3的濕式氣柜。

本項目建于山區(qū)，地貌區(qū)屬剝蝕侵蝕山地，以低山和丘陵為主，山頂起伏平緩，并有黃土覆蓋，溝谷發(fā)育，切割較為強烈。建設區(qū)域內河谷寬闊，谷底為大面積的河漫灘堆積物，一級階地呈緩坡位于河流兩岸，地形西高東低，最高和最低地形高差為480.08m。

項目建設區(qū)域屬東亞溫帶半濕潤地區(qū)，大陸性氣候顯著，四季分明，夏季溫暖多雨，春季多風少雨，冬季天氣寒冷，雨雪稀少，年平均氣溫10.2℃，最高氣溫37.3℃，最低氣溫-16.3℃。最大凍土深度為43 cm。

2 工程地質狀況

勘察資料表明，該場地地基土主要由全新（Q4）耕土，中更新統(tǒng)（Q2）粉質粘土，殘積土及二疊系（P）強～中風化泥巖等組成。各巖土層呈層狀產出。據巖土物理力學性質差異自上而下可劃分為①～⑤層，各層圖層分述如下。

2.1 ①號土層—耕土（Q4）：層厚 0.20～1.40m，平均厚度0.54m，黃褐色，稍濕，松散～稍密狀，含較多植物根系及少量煤屑，鈣核等，以黃褐色粉質粘土為主。此層土在場地西部大部分地段都存在，厚度差異不大，形成時間相對較早。

2.2 ②號土層—粉質粘土（Q2）：層厚0.60～3.00m，平均厚度2.75m。紅褐色，可塑～硬塑狀，含大量鈣核及白色鈣化物，韌性中高，干強底高，切面光滑。平均壓縮系數為0.221MPa-1，屬中壓縮性土。平均標貫基數10.1擊。該層土在場地大部分地段均有存在，局部地段缺失，厚度差異較大。

2.3 ③號土層—粉質粘土（Q2）：層厚0.80～7.70m，平均厚度2.75m。紅褐色，可塑～硬塑狀，含大量鐵錳黑斑及少量鐵錳結核，土質高度固結，局部成團塊狀，自然狀態(tài)不易成型，干強度高，切面光滑。平均壓縮系數為0.174 MPa-1，屬中偏低壓縮性土。平均標貫擊數16.0擊。該層土在場地大部分地段均有存在，但厚度差異較大。

2.4 ④號土層—殘積土（Q2）：層厚0.3～3.6m，平均厚度1.08m。黃綠色，強～中風化，為軟巖，水平層理，泥質膠結，含大量黃綠色泥巖碎屑，粗砂巖碎塊。該層土在場地均有存在，但厚度差異較大。

2.5 ⑤號土層—泥巖（P）：最大揭露厚度為10.6m。黃綠色，強～中風化，為軟巖，水平層理，泥質膠結，含少量次生礦物，較破碎，巖芯呈碎塊，短柱狀，最長取芯長約15cm，取芯率65%～70%左右，巖體基本質量等級為V級。根據巖土工程勘察報告該層泥巖飽和單軸抗壓強度為5.0MPa。

隨著工業(yè)發(fā)展，水資源的需求量逐漸增加，水資源對工業(yè)發(fā)展速度和規(guī)模的決定作用也越來越明顯。承德市工業(yè)增加值從1970年的1.09億元上升到2010年的394.3億元，是1970年的393倍。而2010年的水資源總量卻是1970年的40%，萬元工業(yè)增加值用水量僅是1970年的6%。

2.6 ⑥號土層—砂巖（P）：該層僅在三個勘探點中揭露，最大揭露厚度3.00m。青灰色～灰褐色，強～中等風化，為較硬巖，礦物成分以石英，長石為主，較完整，巖芯成短柱狀，最長取芯長約20cm，取芯率為75%，飽和單軸抗壓強度為25.0MPa。

3 基礎選型計算

項目概況：氣柜直徑：26400mm，氣柜荷載：水槽重：1200.99kN，鐘罩重：719.31 kN，保溫重 ：160 kN，配重：780.15 kN，塔節(jié)重：704.8 kN，塔節(jié)水封重：500 kN，梯子及平臺重：640.75 kN，操作重 ：53608.45 kN，設備凈重4189.8 kN。

氣柜自重作用在基礎上考慮兩種工況：

一種是滿儲氣時鐘罩與各塔節(jié)都升起，通過氣壓使設備自重均勻作用在基礎上。水槽壁作用在環(huán)墻上，但也近似將其均勻分攤在整個基礎上；另一種工況是氣柜完全放空，各塔節(jié)與鐘罩都落在環(huán)墻上，只有計算環(huán)墻寬度時所用荷載是自重作用在環(huán)墻上的線荷載。

環(huán)墻的寬度應滿足設備對其構造上的要求，但同時也必須滿足底部地基承載力的要求，當環(huán)墻底部壓力大于同一標高中部基底壓力時，環(huán)墻可能產生大于氣柜底板中間基礎的沉降，而達不到“箍”的作用[5]。環(huán)墻基礎截面形式有矩形截面，倒T形截面，工字形截面和箱形截面。為了施工簡單方便首選矩形截面，根據《化工設備基礎設計規(guī)定》中的公式[5]：

計算出的寬度b為2.4m，斷面太大，不經濟，另外起不到應有的“箍”的作用，再次根據倒T形計算公式：

上部寬度取1700mm即滿足要求，材料在用量上比較經濟。

按構造配置箍筋與抗扭環(huán)向鋼筋（圖1）[3]，根據《SH/T3068——2007》中9.1.15條：

1）環(huán)向受力鋼筋的界面最小總配筋=1650*190*0.4%=12540mm2；2）豎向構造鋼筋的最小配筋=0.002*1650*1000=3300mm2（每側）。

4 氣柜基礎沉降計算

作用在基礎與地基上的垂直荷載，主要是通過氣壓傳下來的設備自重及水槽內的水重，它們均勻的分布在整個基底上。當軟弱地基處理或布樁時，應對整個基礎作用范圍進行，不能僅處理環(huán)梁部位，以防止槽底中心沉降過大，破壞槽體。

圖1 環(huán)墻基礎配筋圖

當氣柜均勻下沉過大時，會造成進出管道與水槽及閥門室池壁連接處破壞，不但影響生產，還會發(fā)生事故。氣柜對基礎偏沉比較敏感，當土層厚度均勻時計算不出基礎的偏沉值，擔當土層不均勻沉降引起的偏沉值對氣柜影響很大。

如果氣柜基礎偏沉，氣柜傾斜到一定程度時，導軌會在軌道上卡軌，塔節(jié)和鐘罩升降受阻；嚴重時導致水封槽密封失效。過大的地基變形將造成槽底鋼板開裂，大量漏水。某化工廠曾發(fā)生氣柜基礎偏沉，導輪卡軌，甚至導致氣柜爆炸的事故。因此，本標準限值基礎偏沉在0.2%以內，而控制偏沉最有效的辦法就是盡量減少絕對沉降量。

本工程地基承載力特征值fa=170kPa<200kPa，且土層厚度不均勻，應進行變形計算。

基本資料：環(huán)墻外徑：27.7m，環(huán)墻寬度：2.45m，周長：79.285m，環(huán)墻寬度：1.9m，基礎埋深d=1.5m，露出地面0.4m，地基承載力特征值fak=170kPa，R=13.8m，r/R=0，P0=Pk-γ*d=96.32kPa，ΔZ=1.3。

基礎中心處[6]ZK216（表1）。

表1

基礎邊緣處1[6]ZK212（表2）。

除強度要求外，氣柜基礎容許變形值為60cm，對基礎的徑向和環(huán)向不均勻沉降均有要求，根據我國現行相關規(guī)范規(guī)定，徑向不大于0.006Dt（Dt為氣柜底圈內直徑），沿罐同方向任意10m弧長內的沉降差不大于25mm。如果徑向不均勻沉降超過允許值，則阻礙鐘罩不能自由升降，影響使用，若環(huán)向沿周邊不均勻沉降超過允許值，則可導致柜底與壁板焊縫拉裂，發(fā)生事故[4]。

表2

直徑方向沉降差=16.9 mm，滿足要求。

基礎邊緣處1[6]ZK212（表3）。

通過計算基礎邊緣及中心處的沉降差為16.9mm<20mm，滿足規(guī)范要求。另外對環(huán)墻內的基礎做法嚴格按《化工設備基礎設計規(guī)范》5.0.10條的要求設計，鋼水槽底板下干鋪黃砂30mm，瀝青砂絕緣層100mm，中粗砂墊層300mm，下部全是分層夯實的砂石墊層，基礎中心應預先起拱。并在環(huán)墻基礎周邊約15m設置沉降觀測點，定期進行沉降觀測。

表3

為控制沉降可采用水槽充水預壓措施，注水預壓應緩慢進行，不得一次注滿，嚴格控制沉降速率的加荷速度。預壓后再陸續(xù)安裝水槽以上各塔節(jié)。

5 結束語

本工程已投入運行半年多，使用情況良好，基礎沉降僅為12mm，滿足使用要求，用戶也很滿意，為在山區(qū)不均勻地基上建造大型氣柜積累了寶貴經驗。

［1］應德平.氣柜基礎高差地形下的設計施工方法[J].四川化工，2009,06.

［2］李懋星.濕式氣柜的設計[J].化工設備與管道,2006,4.

［3］混凝土結構設計規(guī)范[P].GB 50010-2010.

［4］張菊芳.軟土天然地基土上充水預壓氣柜基礎設計實例及探討[J].江蘇建筑，2002（1）.

［5］化工設備基礎設計規(guī)范[S].HG/T20643-2012

［6］石油化工鋼儲罐地基與基礎設計規(guī)范[S].SH/T3068-2007.