某海外工程超深循泵房結(jié)構(gòu)設(shè)計

鐘潤輝，蔣小元，王振宇，高 玲

(華東電力設(shè)計院有限公司，上海 200063)

1 概述

隨著國家“一帶一路”建設(shè)的提出，越來越多的中國企業(yè)開始承接海外工程項目。另一方面，對于電力行業(yè)來說，由于受國內(nèi)政策導(dǎo)向的影響，積極發(fā)展海外工程也成為大勢所趨。

但海外工程所處環(huán)境與國內(nèi)大不相同，除了政策和規(guī)范上的差別以外，往往還會受到文化、宗教環(huán)境、勞動力資源、原材料供應(yīng)等諸多問題的影響。在工程方案設(shè)計階段常常會出現(xiàn)由于某一特殊情況而導(dǎo)致整體方案發(fā)生顛覆性變化的情況，因此在整個項目推進過程中需要全面、多方位地考慮當?shù)氐膶嶋H情況，盡量避免此類情況的發(fā)生。

本文以土耳其某燃煤電廠的循環(huán)水泵房為例，介紹了海外工程循泵房設(shè)計的不同之處，對將來類似工程有一定參考價值。

2 工程概況

土耳其某燃煤機組工程，廠址緊靠地中海，廠址地貌單元主要為丘陵，地形復(fù)雜，地勢變化大，部分區(qū)域高差在50～60 m左右。循環(huán)水采用直流冷卻供水系統(tǒng)，冷卻水源為海水，取自地中海。

典型的土層分布如下：

層1：表土，層厚0.5～2 m，性質(zhì)均勻。

層2：泥灰?guī)r，層頂埋深0.5～2 m，其上部為中等風(fēng)化～微風(fēng)化，夾有黏土巖和砂巖；下部為新鮮巖石，巖體質(zhì)量好，巖體完整。

層3：黏土巖，層頂埋深3～25 m，上部為中等風(fēng)化～強風(fēng)化，巖體較破碎～破碎；下部為新鮮巖石，微風(fēng)化。

層4：砂巖，一般可見于表土下，上部為中等風(fēng)化～強風(fēng)化；下部為新鮮巖石，巖體質(zhì)量好，巖體完整。

層5：泥巖，此層的揭露深度為1～12 m和7～30 m，中等風(fēng)化～強風(fēng)化，巖體較破碎～破碎，巖體質(zhì)量差～較差。

根據(jù)收集的資料，場地地表動峰值加速度為0.4 g，場地位于第一度地震區(qū)。

3 布置方案調(diào)整

本工程原設(shè)計中，循環(huán)水泵房采用岸邊式取水泵房，結(jié)合近岸明渠引水方案，將循泵房設(shè)置于廠址東側(cè)的海岸邊回填區(qū)，回填區(qū)標高5 m，循泵房深度15 m，以國內(nèi)大量工程經(jīng)驗來看，此方案較為經(jīng)濟合理。

后由于總平面布置根據(jù)土耳其相關(guān)部門的要求進行了調(diào)整、海域回填場地發(fā)生變化及海龜產(chǎn)卵地的保護等諸多不可調(diào)和原因，總平面布置中臨海側(cè)變化較大，循泵房的位置從臨?；靥顓^(qū)調(diào)整至山坡上，所在區(qū)域室外地坪標高為26 m。

4 結(jié)構(gòu)方案

4.1 工程難點

布置方案的變化直接導(dǎo)致循泵房埋深增加了21 m，從常規(guī)的岸邊式泵房變?yōu)樯絽^(qū)復(fù)雜巖層下超大埋深直流循環(huán)水泵房，加上工程廠址位于9度高烈度區(qū)，因此本工程循泵房的設(shè)計及施工難度較大。

泵房運行層標高基本不變，仍采用2.5 m，自運行層至地面采用鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)。與常規(guī)方案相比，本方案將會面臨以下幾個難點：

(1) 大跨度超深泵房的側(cè)壁及底板所受水土壓力將十分巨大，如何合理選擇結(jié)構(gòu)形式將是一大難點。

(2) 本地區(qū)地震加速度達到0.4 g，地震情況下周圍土體對泵房會產(chǎn)生較大的水平地震力，盡管地下結(jié)構(gòu)整體性較好，但跨度較大板的自由邊仍有可能會由于位移過大而發(fā)生破壞。如何合理地解決超深地下結(jié)構(gòu)抗震也是下一步工作的重點。

(3) 近40 m的基坑開挖對施工來說也是一大挑戰(zhàn)。

(4) 此外，地下運轉(zhuǎn)層的通風(fēng)、大型設(shè)備的安裝檢修等均是需要重點考慮的問題。

4.2 結(jié)構(gòu)計算

經(jīng)初步計算，本工程地質(zhì)條件下，側(cè)壁最大的水土壓力可達到300 kPa，除此以外還應(yīng)考慮地震工況下外部土體及內(nèi)部動水壓力對結(jié)構(gòu)的作用。在上述荷載作用下，大跨度的側(cè)板受力將十分巨大，常規(guī)簡化模型計算結(jié)果無法滿足工程需要，需要采用有限元模型進行整體計算。

循泵房下部平面尺寸47.5 m×57.35 m，平面布置見圖1，場地標高26 m，運行層在地面以下，標高2.5 m，流道底標高－9.5 m，泵房深度達到了36 m，為解決結(jié)構(gòu)受力問題，必須設(shè)置到頂隔墻作為豎向支座。最理想的方案是盡可能多地增加到頂隔墻的數(shù)量，并設(shè)置水平結(jié)構(gòu)層，盡量減小單塊板的跨度。

但由于工藝管道及空間布置要求，無法將所有隔墻伸至地面，也無法設(shè)置水平結(jié)構(gòu)層。因此綜合考慮工藝要求、結(jié)構(gòu)受力以及經(jīng)濟性后，決定采用一道縱隔墻兩道橫隔墻到頂?shù)姆绞?，見圖2、圖3，以此減小2.5 m層以上超深側(cè)壁的跨度。采用此方案后，最大跨側(cè)板尺寸仍達到了23 m×35.9 m，按以上荷載對結(jié)構(gòu)進行初步計算，確定側(cè)壁及底板厚度約2～2.5 m，與原方案相比，地下工程混凝土工程量增加了近48000 m3。由于運行層落深，還需要設(shè)置豎向通行升降梯以及樓梯以滿足運行檢修要求，同時設(shè)置豎向風(fēng)機，以解決底層通風(fēng)問題。

圖1 泵房平面布置圖

圖2 泵房剖面圖1

圖3 泵房剖面圖2

采用有限元模型對循泵房下部結(jié)構(gòu)進行建模計算，建立的整體模型見圖4，側(cè)壁及底板采用三維板單元進行模擬，網(wǎng)格劃分后板單元共84215個，節(jié)點數(shù)共82875個。外部土層作用采用土彈簧加水土壓力的方式，其中土彈簧只抗壓不抗拉，與實際情況相符。計算結(jié)果見圖5～圖8，由計算結(jié)果可看到，位移最大部位與板跨有關(guān)，板最大撓度發(fā)生在泵房間側(cè)板及進水前池端板，兩處跨度分別為22 m及23 m。同樣的，板的受力方面也是這兩處最不利，其中進水前池處由于在運行層處為敞開式結(jié)構(gòu)，沒有運行層頂板對其的支撐作用，因此板兩側(cè)彎矩達到了4400 kN. m，底部彎矩達到了4220 kN. m(圖中運行層處側(cè)壁彎矩上下顏色不同是由于單元建立是板單元局部坐標系定義不同所致，對結(jié)算結(jié)果無影響)。

圖4 整體有限元模型

圖5 X方向位移

圖6 Y方向位移

圖7 X方向彎矩

圖8 Y方向彎矩

5 結(jié)語

海外工程與國內(nèi)工程不同，往往在外部條件未完備的情況下就需要進行方案設(shè)計，而又由于政策及環(huán)境上的差異，在實施過程中會出現(xiàn)各種不可預(yù)見的復(fù)雜問題，導(dǎo)致工程方案的反復(fù)修改。

對本工程而言，顯然原方案的設(shè)計更為合理，但由于政策、環(huán)境等不可抗的原因，致使設(shè)計人員不得不采用投資更大、結(jié)構(gòu)形式更復(fù)雜、施工難度更高的方案。

對此類復(fù)雜地層條件下深埋式的泵房結(jié)構(gòu)，建議采用有限元模型進行整體計算，并且根據(jù)工程實際情況應(yīng)盡可能合理地設(shè)置水平及縱向貫通式隔墻，以減小側(cè)壁跨度。經(jīng)有限元計算，本工程泵房進水前池端板受力最不利，此處無運行層頂板的支撐作用，側(cè)壁兩側(cè)彎矩達到了4400 kN. m，底部彎矩達到了4220 kN. m，同樣位移也是此處最大。建議類似工程運行層盡量延伸至各板邊或者加設(shè)水平腰梁的方式以減小結(jié)構(gòu)受力變形。

參考文獻：

[1] 李愛民，等．中國電力設(shè)計標準與國際標準和國外標準比較研究[M]．北京：中國電力規(guī)劃設(shè)計協(xié)會，2015．

[2] TS 500, FEBRUARY 2000, REQUIREMENTS FOR DESIGN AND CONSTRUCTION OF REINFORCED CONCRETE STRUCTURES[S]．

[3] DL/T 5339—2006，火力發(fā)電廠水工設(shè)計規(guī)范[S]．

[4] 黃文賀．大中型火力發(fā)電廠循環(huán)水泵房結(jié)構(gòu)計算模型優(yōu)化研究[D]．廣西：廣西大學(xué)，2012．

[5] 陳衛(wèi)忠，等．地下工程抗震分析方法及性能評價研究進展[J]．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2017，36(2)．

[6] 白廣斌，趙杰，汪宇．地下結(jié)構(gòu)工程抗震分析方法綜述[J]．防災(zāi)減災(zāi)學(xué)報，2012，28(1).

[7] 裴強，薛志成．某核電站循環(huán)水泵房結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析[J]．世界地震工程，2011，27(3).