二级坝泵站主厂房混凝土整体结构设计.pdf

第 3 3卷第 2期 Vo 1 ． 3 3 No ． 2 水 利 水 电 科 技 进 展 Ad v a n c e s i n S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f W a t e r R e s o u r c e s 2 0 1 3年 3月 Ma r ．2 01 3 D O I 1 0 ． 3 8 8 0 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 6 7 6 4 7 ． 2 0 1 3 ． 0 2 ． 0 1 1 二级坝泵站主厂房混凝土整体结构设计 高 峰 ， 李清华， 李玉莹， 王永强 山东省水利勘测设计院， 山东 济南2 5 0 0 1 4 摘要 为了解决深埋于地下的大型泵站主厂房采用分缝结构存在的侧向稳定和缝 内止水渗漏问题 ， 南水北调 东线一期工程二级坝泵站主厂房结构采用了不分缝的整体结构。对分缝方案和整体结构 方案进行 了有限元分析计算， 并对整体结构方案进行 了底板 温度应力分析计算， 计算结果表 明 整 体结构方案具有受力合理、 应力水平低、 结构沉降均匀且较小、 侧向稳定能自身平衡、 工程投资较省 等优点。二级坝泵站主厂房主体结构完工后 经历 了两个完整冬季 ， 底板未发现可见混凝土裂缝 ， 其 他部位未见有害贯穿性裂缝。 关键词 整体结构； 分缝结构； 温度应力 ； 混凝土； 应力水平； 沉降； 二级坝泵站 ； 南水北调东线工程 中图分类号 T V 6 7 5 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 6 7 6 4 7 2 0 1 3 0 2 0 0 5 卜 0 4 Ov e r a l l s t r u c t u r a l d e s i g n o f c o n c r e t e f o r p o w e r h o u s e o f E r j i b a P u mp i n g S t a ti o n／ ／ G A O F e n g ， L I Q i n g h u a ， L I Y u y i n g ， WA N G Y o n g q i a n g S h a n d o n g Wa t e r C o n s e r v a n c y S u r v e y a n d D e s i g n I n s t i t u t e ， J i n a n 2 5 0 0 1 4 ，C h i n a Ab s t r a c t T o s o l v e t h e p r o b l e m o f l a t e r a l s t a b i l i t y a n d s e ali n g l e a k a g e o f t h e p o w e r h o u s e o f d e e p，b u ri e d，l a r g e p u mp i n g s t a t i o n s w i t h a p a rt i n g s t r u c t u r e ，t h e p o w e r h o u s e o f t h e E r j i b a P u m p i n g S t a t i o n o f t h e E a s t e rn R o u t e P r o j e e t o f S o u t h - t o No a h W a t e r Di v e r s i o n a d o p t s t h e o v e r a l l s t ruc t u r e w i t h o u t t h e p a rt i n g s t ruc t u r e ． T h e s c h e me s o f t h e p a r t i n g s t ruc t u r e a n d o v e r all s t ru c t u r e we r e a n aly z e d a n d c a l c u l a t e d b y me a n s o f t h e fi n i t e e l e me n t me t h o d ．Th e t e mp e r a t u r e s t r e s s o n t h e b o t t o m p l a t e f o r t h e l a t t e r s c h e me wa s a n a l y z e d ．T h e c alc u l a t e d r e s u h s s h o w t h a t t h e s c h e me o f t h e o v e r a l l s t ruc t u r e h as a d v a n t a g e s s u c h a s a r a t i o n al f o r c e 。a l o w s t r e s s l e v e 1 ．u n i f o 1“1 1 1 and s ma l l s e t t l e me n t ，l a t e r al s t a b i l i t y a n d s e I f - b a l a n c e ，a n d e c o n o mi c al p r o j e c t i n v e s t m e n t ．T h p o w e r h o u s e o f t h e E r j i b a P u mp i n g S t a t i o n h a s u n d e r g o n e t w o c o m p e t e w i n t e r s a f t e r t h e c o mp l e t i o n o f t h e ma i n s t ru c t u r e，a n d n e i t h e r v i s i b l e c o n c r e t e c r a c k s o n t h e b o t t o m p l a t e n o r h a r mf u l p e n e t r a t e d c r a c k s o n o t h e r l o c a t i o n s h a v e be e n f o un d． Ke y w o r d s o v e r al l s t ruc t u r e ；p a r t i n g s t ruc t u r e ；t e m p e r a t u r e s t r e s s ；c o n c r e t e ；s t r e s s l e v e l ；s e t t l e m e n t ； E r j i b a p u m p i n g s t a t i o n ； E a s t e m R o u t e P r o j e c t o f S o u t h t o N o r t h Wa t e r D i v e r s i o n 南水北调东线工程基本任务 是从长江下游 调 水 ， 向黄淮海平原东部和山东半岛补充水源 ， 与南水 北调中线 、 西线工程一起 ， 共同解决我国北方地 区水 资源紧缺问题。东平湖是东线工程最高点， 第一期 工程从长江 至东平湖设 l 3个调水梯级共 3 4座 泵 站 ， 其 中新建 2 l座泵站。对东线工程而言 ， 泵站工 程建设的好坏决定了南 水北调东线工程的成败 ， 对 泵站结构稳定性 、 安全性 、 耐久性和经济性进行研究 意义重大。 G B ／ T 5 0 2 6 5 --2 0 1 0 泵站设计规范 规定土基 上伸缩缝间距不宜大于 3 0 IT I 、 岩基上间距不宜大于 2 0 n l ， 因此我国大型泵站大多采用分缝的结构方案。 在后期运行中发现伸缩缝往往成为这些泵站漏水的 主要通道 ， 且难 以进行维修堵漏 ， 成为影响泵站正常 运行的重要 问题 。对于深埋于地下的大型泵站 主厂房采用分缝方案还存在 以下主要 问题 ①两侧 结构均有一侧 临空 ， 结构侧 向稳定 问题难 以解 决； ②结构应力水平较高， 应力集中现象明显； ③地基沉 降不均匀。 随着混凝土材料和裂缝控制技术研究的发展及 人们对 昆 凝土裂缝产生机理认识 的加深， 混凝土材料 性能和施工管理水平逐步提高， 各类建筑物 构筑物 的伸缩缝间距越来越大 ， 尽量少设缝或不设缝成为混 凝土结构的一种发展趋势， 一批超长超大混凝土结构 陆续建成， 取得很好的效果 。各类成功的工程实 践， 为泵站主厂房混凝土结构的无缝设计提供了宝贵 的经验， 但到目前为止， 大型泵站鲜见整体结构设计 的工程实例， 更缺乏系统 、 全面的设计研究 。 作者简介 高峰 1 9 6 9 一 ， 男， 山东菏泽人， 教授级高级工程师， 硕士， 主要从事水工结构研究。E ． m a i l 8 6 9 5 6 3 2 6 1 6 3 ． c o rn 水利水电科技进展 ， 2 0 1 3， 3 3 2 T e l 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E m a i l j z h h u ． e d u ． c a h t t p ／ ／ k k b ． h h u ． e d u ． c a 5l 1 方案设计 南水北调东线一期工程二级坝泵站枢纽工程位 于山东省微山县欢城镇境 内， 是南水北调东线工程 的第 1 0级抽水梯级泵站 ， 也是山东境 内的关键性控 制工程。工程规模为大 1 型， 泵站等别为 I 等。 装机 5台套后置式灯泡贯流泵 1台备用 ， 设计输 水流量为 1 2 5 m ／ s ， 设计 净扬程 3 ． 2 1 m， 单 机流量 3 1 ． 5 m ／ s ， 单机功率 1 6 5 0 k W。多年平均设计装机 利用时间43 6 4 h 。 泵站采用块基型 ， 共分为 4层 ， 地上 1层 ， 地下 3层 。地上 1层 由排架 和屋顶大梁组成 ； 地下 1层 布置变频器等电器设备 ， 地下 2层布设油泵、 机旁箱 等设 备 ， 地下 3层为 流道水泵层 。主厂房底 板厚 1 ． 6 0 m 局部厚达4 ． 2 0 m 。在进水流道前设检修门 一 道 ， 出水流道后设有作 为泵站 出口断流 的油压启 闭机控制 的快速闸 门和作为保 护 的备用事故检修 门。基础位于第⑦层壤土夹礓石层， 其修正后承载 力特征值为 1 8 7 k P a ， 地基条件较好 。 主厂房在初步设计 时采用常规的分缝方案 ， 如 图 1所示 。垂直水流向分为 2块 右侧 3个泵组为 一 联 ， 左侧 2个泵组加上安装间为一联 ， 中间设 1条 伸缩缝 ， 2块长均为 2 8 ． 3 0m， 总长 5 6 ． 6 0m。顺水流 向主厂房与快速闸f - J l q 设 1条伸缩缝 ， 主厂房和快速 闸门的长度分别 为 3 4 ． 0 0 m和 9 ． 8 0 m。底板分为 4 块 ， 最大块 2 8 ． 3 0 m 3 4 ． 0 0 m， 最小块2 8 ． 3 0 m 9 ． 8 0 m。 图 1 分 缝方案平面布置 单位 m 工程施工图设计阶段 ， 在充分调研 和分析计算 的基础上， 提出整体结构方案 取消顺水流向和垂直 水流向的伸缩缝 ， 泵站主厂房结构形成一个整体， 顺 水流向长4 1 ． 8 0 m， 垂直水流向长5 5 ． 9 8 m， 详见图2 。 2 分缝方案和整体结构方案比较 为 比较两种方案的优缺点 ， 对分缝方案和整体 结构方案进行 了分析计算。 靠 r 二 口 二 二 j ] ] l l 一厂 1 I - ] ’ I h l 嚼 醋 E __ 百 图 2 整体 结构方案平面布置 单位 m 2 ． 1 内力与沉降计算分析 采用通用有限元程序， 对两个方案进行 了内力 和沉降计算。 计算 中采用参数 如下 地基 土 的弹性模 量 为 4 0 M P a ； 回填土湿密度 1 ． 9 4 c m 3 ， 饱和密度20 4 e m 3 ； 混凝土强度等级 C 3 0 ， 弹性模量 3 0 G P a ， 泊松比0 ． 2 ， 密度 2 ． 5 5 g ／ c m ； 水泵荷载按泵的装机图选取。 计算工况选施工完建 泵房 内外均无水 和正 常运 行 泵 站进 水 池 水 位 3 0 ． 8 9 m， 出水 池 水 位 3 4 ． 1 0 m 两种工况 。计算模型除主厂房外 ， 地基底 板 向下取 2 5 m， 泵房前后左右除去开挖回填部分各 取3 0 m， 地基底部加三向约束， 四周加水平约束。 选用右手坐标系 ， 坐标取顺水流方 向， Y坐标 竖直向上 ， z 坐标垂直水流方向。 分缝方案选择三机一联的 2 8 ． 3 0 m 3 4 ． 0 0 m块 作为计算单元 ， 计算模型见图 3 ， 整体结构方案计算 模型见图4 。计算结果见表 1 和表 2 。 图3 分缝方案计算模型 图4 整体结构方案计算模型 5 2 水利水 电科技进展 ， 2 0 1 3 ， 3 3 2 T e l 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E ma i l j z h h u ． e d u ． c n h t t p ／ ／ k k b ． h h u ． e d u ． c n 表 1 分缝方案主厂房的应力和位移 三机一联 表 2 整体结构方案主厂房的应 力和位移 经综合分析可知 ， 整体结构方案与分缝结构方 案相 比， 具有以下优势 a ．整体结构方案受力合理、 均匀。整体结构方 案最大应力 拉应力 3 ． 8 0 MP a ， 远小 于分缝方案最 大应力 拉应力 l 6 ． 2 9 MP a 。 b ．整体结构方案沉降均匀， 沉降量小， 沉降差 小 ， 对工程运行 和设备耐久性有利。整体结构方案 最大竖向位移 7 4 m m， 最小 5 4 mm， 两者 比值为 1 ． 3 7 ， 沉降差 2 0 m i l l 。分缝结构方案最大竖向位移 1 3 1 m m， 最小9 0 m m， 两者比值为 1 ． 4 6 ， 沉降差4 1 m m 。 c ．整体结构方案平均地基应力水平低 ， 施工完 建 期 最 大 地 基 应 力 1 7 7 k P a ， 小 于 分 缝 方 案 的 2 1 3 k P a ， 天然地基承载力满足要求 。 d ．整体结构方案两侧土压力相互平衡 ， 与分缝 方案相比， 不存在主厂房侧向稳定问题， 无需专门的 处理措施 ， 降低 了工程造价。 e ．整体结构方案由于中间不设缝 ， 不会发生止 水漏水等难 以处理的问题 ； 取消中间止水 ， 减少了施 工工序 ， 施工难度有所降低 。 f -由于取消了伸缩缝 ， 整体结构方案的抗震性 能优于分缝方案的抗震性能。 2 ． 2 经济比较 泵站主厂房分缝方案与整体结构方案的投资比 较见表 3 ， 表中项 目为两方案相 同项 目以外的差 异 项 对 比。 表 3 分缝方案与整体结构方案投资对比 两侧边墙后 回填水 泥土 2 7 6 9 7 2 7 6 ． 9 7 两侧边墙后回填普通土 1 0 6 0 4 1 2 ． 7 2 3 6 7 9 6 4 4 ． 1 6 地 基 处 理 土 方 开 挖 6 5 4 1 7 ． 8 5 地基 处理 回填 水 泥 土 5 0 3 6 5 0 ． 3 6 缝墩混凝土 l 4 4 1 2 ． 9 6 伸 缩 缝 侧 增 加 排 架4 3 6 ． 4 5 分缝方案总投资为 3 6 7 ． 3 1万元 ， 整体结构方案 水利水 电科技 进展 ， 2 0 1 3 ， 3 3 2 T e l 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 总投资为 4 4 ． 1 6万 元 ， 整体结 构方 案可 节 约投资 3 2 3 ． 1 5万元 。 根据以上分析可知 ， 从整体稳定 、 结构受力 、 地 基沉降 、 工程措施和工程投资方面来看 ， 整体结构设 计方案均优于分缝设计方案。 3 整体结构方案底板温度应力计算 整体结构方案底板混凝土方量大， 为验证整体 浇筑的可行性 ， 对底板的温度应力进行了计算。混 凝土设计指标 强度等级 C 3 0 ， 抗冻标号 F 1 5 0 ， 抗渗 标号 W8 。考虑不利 的施工气 象条件 ， 取泵站附近 实测冬季大幅降温资料 ， 温度 由 1 0 C降至 5 C。考 虑底板厚度的影响， 取 1 ． 6 0 m、 3 ． 0 0 I T I 和4 ． 0 0 n l 共 3 种板厚分别计算。在温度应力计算 中， 主要考虑基 础总降温差引起的外约束应力。总降温差偏于安全 的取水化热最高温升冷却至某时的环境温差 为偏 于安全， 计算中取 5 C ， 将总降温差分成台阶式降 温 步距 3 d 计算。计算结果见表 4 。 表 4 各种板厚的温度应 力 由表 4可见 ， 在温度应力作用下 ， 不同厚度的底 板均满足抗裂要求 ， 主厂房混凝 土整体结构设计是 合理可行的。 4 施工控制措施 根据工程混凝土特点 ， 在施工 中重点采取 了以 下措施 a ．确定合理的配合 比。目的是 降低水化热温 升 ， 适当延长凝结时间 ， 减小混凝土收缩。采取的措 施有 降低水泥用量， 掺加矿物掺和料； 使用缓凝型 高效减水剂 ； 控制好混凝土人模温度。 b ．掌握正确的施工方法。目的是防止离析 ， 尽 量减少塑性裂缝。采取的措施有 斜面分层浇筑； 避 免过振产生离析； 用木抹子多次搓面防止产生塑性 裂缝。 c ．严格执行保温保湿养 护制度。 目的是控制 混凝土 内表 温差 ， 防止在混 凝土早龄期发生 干缩 。 E m a i l h h u ． e d u ． h t tp ／ ／ k k b ． h h u ． e d u ． c n 5 3 - 采取的措施有 覆盖保温材料 ， 混凝土人模温度小于 3 2 ℃， 里表温差 小于 2 0 ℃， 每 天降温速 率小于 1 ． 5 C。在混凝土早龄期保持潮湿 ， 推迟干缩发生。 d ．认真测温 ， 随时监控混凝土 内温度。采取的 措施有 浇筑前在混凝土占据 的空间内布置测温点 ， 在凝结后 的整个养护期 内， 定时测定混凝土 内各部 位温度 ， 以确保控制在计划范围之 内。万一发生异 常情况 ， 可及时采取补救措施 。 e ．采用“ 跳仓法” 浇筑混凝土。在长度方 向划 分合适的仓段跳仓浇筑 。实践证明这是减少混凝土 有害裂缝的有效方法。 5 工程实施效 果 作为国内少有的整体结构大型泵站， 本工程的 设计 、 施工得到各级领导和各参建单位 的关心和支 持 ， 在工程开工建设前组织 了多次工程实施方案专 家论证会。在充分组织准备的基础上 ， 主厂房工程 于 2 0 0 9年 5月开始浇筑底板混凝土 ， 同年 8月浇筑 完流道层 ， 1 0月 主体结构封顶。现场实测表 明， 各 测点沉降值均匀且较小 1 7～ 3 0 m m 。 至今 ， 工程 已经历两个完整的多年未遇寒冷冬 季 ， 未发现贯穿性有害裂缝 ， 工程质量 良好 ， 达到了 预期 目标。 6 结语 大型泵站主厂房整体结构方案受力合理 ， 应力 水平低 ， 结构沉降均匀且较小 ， 侧 向稳定 能 自身平 衡 ， 不存在止水和抗震裂缝处 理问题 ， 工程投 资较 省。底板温度计算表明， 主厂房混凝土整体结构设 计是合理可行的。二级坝泵站主厂房主体结构完工 后经历了两个冬季的降温考验 ， 底板未发现可见混 凝土裂缝 ， 其他部位未见有害贯穿性裂缝。本工程 的设计经验可为相近工程的设计提供宝贵经验。 参考文献 [1]唐金平． 樊口泵站混凝土裂缝及沉降缝渗漏处理技术 [ J ] ． 长江科学院院报， 2 0 0 8 ， 2 5 6 1 1 0 1 1 2 ． T A N G J i n p i n g ． L e a k a g e p r o c e s s i n g t e c h n o l o g y o n c o n c r e t e c r a c k s s e t t l i n g s e a m s i n F a n k o u p u m p i n g s t a t i o n [ J ] ． J o u r n a l o f Y a n g t z e R i v e r S c i e n t i f i c R e s e a r c h I n s t i t u t e ， 2 0 0 8 ， 2 5 6 1 1 0 - 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