江西省星子浮船式取水泵站土建結(jié)構(gòu)受力分析

張海吉 程冬偉

(上海市水利工程設(shè)計(jì)研究院有限公司,上海 200063)

浮船式取水泵站在我國于1915年在漢口首次采用,與固定式取水泵站相比較,其特點(diǎn)是適應(yīng)性廣、靈活性大,能隨水位漲落而升降,能適應(yīng)多種取水口條件,基建費(fèi)用低,施工簡便、工期較短等。但早期的浮船取水缺點(diǎn)也明顯,其操作管理較麻煩,隨著水位的漲落需要拆換接頭、移動(dòng)船位等;供水安全性較差,浮船漂浮于江河中,受風(fēng)浪、漂木等影響較大;早期的浮船取水接頭有膠管接頭、球形接頭、套筒接頭等,接頭、填料易損壞、老化,易漏水,維修需斷水,使用壽命有限等。

近階段,由于有專業(yè)廠家開發(fā)研究,新材料的應(yīng)用及制造技術(shù)的提升等,浮船取水安全性有較大提高,特別是轉(zhuǎn)接頭的漏損、老化、維修等問題有較好的解決方案,使運(yùn)營管理較方便,設(shè)備使用壽命也有效延長,搖臂桿和浮船泵站由設(shè)備方一體化研發(fā)制造,采用成套設(shè)備,由設(shè)備方專業(yè)安裝,施工便捷快速,施工周期大大縮短,造價(jià)在一定條件下相比固定式泵站較低,使用靈活、廣泛,在江河湖甚至海上都有較好的應(yīng)用。

浮船泵站的船體、錨鏈、搖臂桿等設(shè)計(jì)方法有相關(guān)文獻(xiàn)[1,2]做過簡要介紹,現(xiàn)階段浮船、搖臂桿、錨鏈等鋼構(gòu)件一般可由設(shè)備廠方一體化成套開發(fā),相關(guān)的岸邊支承墩、系纜墩等土建結(jié)構(gòu)由設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì),土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)沒有專項(xiàng)的相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范,給排水結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊等相關(guān)文獻(xiàn)也沒有設(shè)計(jì)案例可供參考,土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)有一定困擾,本工程設(shè)計(jì)中,經(jīng)結(jié)構(gòu)類型的分析研究,對比浮碼頭的結(jié)構(gòu)型式,發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)相似之處,相關(guān)荷載及受力情況有類似之處,經(jīng)參考相關(guān)文獻(xiàn),采用浮碼頭的理論,結(jié)合港口工程中相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范,對其進(jìn)行土建結(jié)構(gòu)受力分析,使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有據(jù)可依,保證結(jié)構(gòu)的安全合理。

圖1 浮船式取水泵站平面示意圖Fig.1 plane sketch of pontoon pumping station

1 工程概況

江西省星子縣潤泉供水工程取水頭部總設(shè)計(jì)規(guī)模8萬m3/d,包括廖南水廠2萬m3/d和星子縣第二水廠6萬m3/d,取水頭部地處星子縣(現(xiàn)為廬山市)廖花鎮(zhèn)鄱陽湖湖漫灘上,取鄱陽湖地表水為水源,工程現(xiàn)場已建成1公里左右長的引水渠,從主航道往岸邊方向引水,引水渠底寬50 m,底標(biāo)高-1.00m,引水渠靠岸邊側(cè)按1：2.5坡比修坡至標(biāo)高15m,坡頂至岸邊山體的距離約90m,此段湖漫灘標(biāo)高15.00m～18.00m,鄱陽湖設(shè)計(jì)洪水位20.95m,設(shè)計(jì)常水位12.80m,設(shè)計(jì)枯水位4.77m,設(shè)計(jì)水流速1.0m/s,鄱陽湖水面遼闊,夏季盛行偏南風(fēng),冬季盛行偏北風(fēng),多年平均風(fēng)速3.8m/s,風(fēng)壓0.3MPa,最大風(fēng)力可達(dá)11級,風(fēng)高浪險(xiǎn)。

2 工程方案

本工程由某給排水成套設(shè)備有限公司提供技術(shù)支持,由其提供一體化的、符合工藝及電氣設(shè)計(jì)要求的成套浮船式取水泵站設(shè)備,主要包括浮船、水泵、真空系統(tǒng)、閥門、搖臂接頭、搖臂輸水管、配電系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)、錨鏈錨固系統(tǒng)、進(jìn)出水管、配套的消防系統(tǒng)、生活污水處理系統(tǒng)等。其設(shè)備特點(diǎn)：浮船在水位漲落時(shí)自動(dòng)升降,水泵吸水口保持在水面以下1-2 m位置,取出的水泥沙含量低,污物少,能連續(xù)供水,無需更換接頭;浮船穩(wěn)定性高,滿足三倉進(jìn)水泵站不沉的理念;搖臂接頭密封可靠,轉(zhuǎn)動(dòng)靈活,接頭檢修無需停機(jī);可采用PLC全自動(dòng)控制及手動(dòng)控制,浮船及岸上均可操作控制,水泵啟停操作簡單,運(yùn)行安全可靠等。其設(shè)備構(gòu)造型式有萬向搖臂桿式、轉(zhuǎn)向搖臂桿式、多級浮動(dòng)式、多級移動(dòng)式等。根據(jù)本工程的場地條件及建設(shè)方的要求,本工程采用萬向搖臂桿式浮船泵站方案,其示意圖見圖1和圖2。

取水浮船放置于引水渠內(nèi),浮船艏艉拋錨系留(6副錨鏈),兩端再增設(shè)系留纜索與岸邊兩側(cè)固定系纜墩系留,浮船中間用搖臂桿與岸邊支承墩連接,搖臂桿兩端為萬向球形鉸接頭,擱置球形鉸接頭的平臺標(biāo)高21.00m,搖臂桿長度45m,上下轉(zhuǎn)角范圍20°、左右轉(zhuǎn)角180°,以滿足枯水位到洪水位的取水需求,搖臂桿兼起輸水管、人行棧橋和固定浮船的撐桿作用。岸邊支承墩與湖岸邊道路采用3跨人行鋼棧橋連接,以滿足工作人員日常交通要求。

圖2 浮船式取水泵站立面示意圖Fig. 2 elevation diagram of pontoon pumping station

圖3 浮碼頭結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Sketch map of Floating Wharf Structure

3 結(jié)構(gòu)類型分析

根據(jù)《斜坡碼頭及浮碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》,浮碼頭結(jié)構(gòu)示意圖[3]見圖3、躉船系留方式示意圖[3]見圖4。

對比浮船式取水泵站示意圖圖1和圖2,兩者結(jié)構(gòu)型式類似,均由浮船、系留錨纜、引橋、支承墩、系纜墩等構(gòu)成,所處的工作環(huán)境也類似,均用于江河湖海等,使用功能上有所差異,一個(gè)用作碼頭,供行人、貨物等上岸,對引橋的坡度、寬度等要求較高,一個(gè)主要用于取水,人行交通僅為輔助功能,對滿足通行功能的引橋坡度、寬度等要求可適當(dāng)放寬,因功能不同,兩者的荷載取值有所差異。本設(shè)計(jì)采用浮碼頭的理論,采用港口工程中的相關(guān)規(guī)范,結(jié)合取水浮船的功能特點(diǎn),進(jìn)行土建結(jié)構(gòu)受力分析。

根據(jù)前述本工程設(shè)計(jì)方案,取水浮船固定體系由拋錨于水底的錨鏈系統(tǒng)、固定于岸邊系纜邊墩的纜索和固定于岸邊支承墩的搖臂桿組成。錨纜系留為柔性固定,允許浮船以岸邊支承墩為球心、在結(jié)構(gòu)允許位移內(nèi)做球面運(yùn)動(dòng),固定于岸邊支承墩的搖臂桿為鉸接固定,保證浮船與岸邊支承墩的直線距離不變,搖臂桿兩端為球形鉸接頭,在允許轉(zhuǎn)角范圍內(nèi),搖臂桿僅傳遞軸力,浮船在錨纜系留作用下、在允許位移范圍內(nèi),或者在錨纜失效(移船松纜或斷纜事故)情況下,其固定主要依靠連接岸邊支承墩的搖臂桿,故岸邊支撐墩為關(guān)鍵結(jié)構(gòu)構(gòu)件?？紤]最不利工況條件下,不考慮系留錨纜的受力作用,對岸邊支承墩的受力情況進(jìn)行分析。

4 荷載分析(岸邊支承墩)

4.1 豎向荷載

自重：支承墩結(jié)構(gòu)自重,據(jù)實(shí)計(jì)算。

萬向鉸接頭、搖臂桿自重,由設(shè)備方提供。

輸水管內(nèi)水重,按實(shí)計(jì)算。

人行鋼棧橋自重,按實(shí)計(jì)算。

雪荷載,按港口工程荷載規(guī)范取值計(jì)算。

人群荷載,按港口工程荷載規(guī)范取值計(jì)算。

搖臂桿兩端為萬向鉸接頭,分別固定在浮船和岸邊支承墩上,搖臂桿上的豎向荷載按兩端鉸接考慮作用在兩端支座上。

4.2 風(fēng)荷載[4]

作用在岸邊支承墩及搖臂桿上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值按式(1)計(jì)算：

式(1)中,μs為風(fēng)荷載體型系數(shù),μz為風(fēng)壓高度變化系數(shù),W0為基本風(fēng)壓,各參數(shù)按《港口工程荷載規(guī)范》取值,計(jì)算時(shí)按搖臂桿的順向和垂向、取兩個(gè)方向構(gòu)件的投影面積分別計(jì)算。

作用在浮船上的風(fēng)荷載按式(2)、式(3)計(jì)算：

式(2)、式(3)中,Fxw,Fyw分別為作用在浮船上的計(jì)算風(fēng)壓力的橫向和縱向分力;Axw,Ayw分別為船體水面以上橫向和縱向受風(fēng)面積,根據(jù)設(shè)備方提供的參數(shù)取值;Vx,Vy分別為設(shè)計(jì)風(fēng)速的橫向和縱向分量,根據(jù)氣象資料取值;ζ1為風(fēng)壓不均勻折減系數(shù),ζ2為風(fēng)壓高度變化修正系數(shù),根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》取值。作用在浮船上的風(fēng)荷載通過搖臂桿軸向傳遞到岸邊支承墩。

4.3 水流力[4]

作用在岸邊支承墩上的水流力標(biāo)準(zhǔn)值按式(4)計(jì)算：

式(4)中,Cw為水流阻力系數(shù),ρ為水的密度,根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》取值;V為水流設(shè)計(jì)流速,根據(jù)水文資料取值;A為計(jì)算構(gòu)件在與流向垂直平面上的投影面積,根據(jù)構(gòu)件尺寸按實(shí)計(jì)算,計(jì)算時(shí)按搖臂桿的順向和垂向、取兩個(gè)方向構(gòu)件的投影面積分別計(jì)算。

作用在浮船上的水流力標(biāo)準(zhǔn)值按式(5)、式(6)計(jì)算：

式(5)、式(6)中,Fxsc,Fxmc分別為水流對船首橫向分力和船尾橫向分力;ρ為水的密度,Cxsc,Cxmc分別為水流對船首橫向分力系數(shù)和船尾橫向分力系數(shù),根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》取值;V為水流設(shè)計(jì)流速,根據(jù)水文資料取值;B為浮船吃水線以下的橫向投影面積,根據(jù)設(shè)備方提供的參數(shù)取值。作用在浮船上的水流力通過搖臂桿軸向傳遞到岸邊支承墩。

4.4 波浪力[5]

根據(jù)《港口工程荷載規(guī)范》所述,系泊船舶在橫浪作用下的力影響因素較多,問題比較復(fù)雜,直到目前為止尚無可靠的理論計(jì)算方法,但其又是大型碼頭設(shè)計(jì)中重要的船舶荷載之一,設(shè)計(jì)中必須加以考慮,一般均應(yīng)通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算或物理模型試驗(yàn)確定。本工程雖為中小型浮船,但因系泊位置風(fēng)浪較大,應(yīng)考慮波浪力的作用,本工程中浮船的波浪力根據(jù)《海港工程設(shè)計(jì)手冊》中第六章浮碼頭相關(guān)公式計(jì)算。

作用在浮船上的總波浪力按式(7)計(jì)算：

圖4 躉船系留方式示意圖Fig. 4 Sketch map of pontoon mooring system

式(7)中,H為波高,L為波長,T為波浪周期,根據(jù)水文氣象資料取值;B為浮船寬度,M為浮船質(zhì)量,根據(jù)設(shè)備方提供的參數(shù)取值;C1為岸邊支承墩的水平變位系數(shù),C2為搖臂桿的水平變位系數(shù)。作用在浮船上的波浪力通過搖臂桿軸向傳遞到岸邊支承墩。

4.5 管內(nèi)水壓力

岸邊支承墩上輸水管垂直方向90°彎頭向下,彎頭處向上推力P及其水平和垂直方向分力標(biāo)準(zhǔn)值1P、2P按式(8)、式(9)、式(10)計(jì)算：

式(8)、式(9)、式(10)中,α為彎頭夾角,dn為管道公稱直徑,Fwd,k為設(shè)計(jì)管道內(nèi)水壓力。1P、2P均考慮作用在岸邊支承墩上。

4.6 扭轉(zhuǎn)力矩

因萬向轉(zhuǎn)接頭有摩擦力矩,浮船在風(fēng)浪作用下顛簸時(shí),萬向轉(zhuǎn)接頭會(huì)產(chǎn)生扭矩,扭矩傳遞到岸邊支承墩,扭矩值根據(jù)設(shè)備方提供的參數(shù)確定。

4.7 地震荷載

根據(jù)抗震規(guī)范取值。

5 工況及荷載組合

根據(jù)本工程設(shè)計(jì)方案,結(jié)合搖臂桿位置,考慮3種工況條件：

(1)搖臂桿處于水平狀態(tài);(2)浮船處于最高水位,搖臂桿向上夾角α;(3)浮船處于最低水位,搖臂桿向下夾角β。

工況1條件下,考慮豎向荷載、風(fēng)荷載、水流力、波浪力、管內(nèi)水壓力、扭轉(zhuǎn)力矩和地震荷載共同作用,岸邊支承墩受最大水平力作用,采用專業(yè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件按框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體受力計(jì)算;工況2條件下,考慮前述7種荷載共同作用,岸邊支承墩受最大豎向向下力作用,采用專業(yè)結(jié)構(gòu)軟件進(jìn)行樁基豎向承載力計(jì)算;工況3條件下,考慮前述7種荷載共同作用,岸邊支承墩受最大豎向向上力作用,采用專業(yè)結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件進(jìn)行樁基抗拔承載力計(jì)算;根據(jù)前述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)配筋計(jì)算,各工況荷載組合值系數(shù)根據(jù)荷載規(guī)范取值。

6 結(jié)語

對于浮船式取水泵站,采用浮碼頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論,考慮周全的荷載及不利的荷載組合作用進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算,使其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有據(jù)可依,保證了結(jié)構(gòu)的安全合理,為類似工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)參考。目前江西省星子縣潤泉供水工程浮船式取水泵站已經(jīng)建成投產(chǎn),運(yùn)營情況良好,后續(xù)將對岸邊支承墩持續(xù)監(jiān)測一段時(shí)間,觀測結(jié)構(gòu)的位移情況,與理論計(jì)算數(shù)據(jù)比較,累積相關(guān)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

[1] 牛富敏,許人,王蘭濤,等.移動(dòng)式取水泵站工程[M].鄭州：黃河水利出版社,2001.

[2] 上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司.給水排水設(shè)計(jì)手冊第9冊專用機(jī)械[M].第三版.北京：中國建筑工業(yè)出版社,2012.

[3] 中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTJ 294-98斜坡碼頭及浮碼頭設(shè)計(jì)與施工規(guī)范[S].

[4] 中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTS 144-1-2010港口工程荷載規(guī)范[S].

[5] 交通部第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院.海港工程設(shè)計(jì)手冊[M].北京：人民交通出版社,2001.