基于抗滑稳定计算的泵站优化设计

基于抗滑稳定计算的泵站优化设计

摘要：根据某泵站抗滑稳定计算结果，分析研究泵站后填土压力对稳定计算的影响，提出空箱减载的优化设计方案，并介绍了计算方法及相应措施。

关键词：泵站；抗滑稳定；土压力；空箱减载

1 概况

某泵站为4级建筑物，泵房内安装三台水泵机组，“一”字型布置，中心间距为4.5m，泵下游侧设排水廊道和排水设备。根据设备的安装、检修和维护等要求，泵房总长度为21.50m，宽度为19.00m。泵房下层采用整体浇筑钢筋混凝土挡墙结构，底板厚度为2.0m，下游及两侧挡墙采用变截面结构，高程1009.85m 以上厚度为1.2m，以下厚度为2.0m。电机层及水泵层楼板均采用现浇钢筋混凝土结构，电机四周设置纵横梁。

水泵层底板高程为1002.50m，电机层底板高程为1009.50m，泵站厂坪高程为1012.75m。检修间布设在泵房的右端，检修间平台高程为1012.90m。检修间下设一层工作平台，工作平台高程同电机层，为1009.50m。在检修间上游侧设楼梯间。为方便设备安装检修，设2台5t电动单梁起重机，吊车跨度为8m。泵房排架柱采用钢筋混凝土柱。

2 抗滑稳定及基底应力计算

2.1抗滑稳定计算公式

土基上的泵室沿基础底面的抗滑稳定，采用以下公式计算[1]：

(1)

式中：为抗滑稳定安全系数；为基础底面与地基土之间的摩擦系数，取0.35；为作用在泵室上的全部竖向荷载，；为作用在泵室上的全部水平荷载，。

2.2基底应力计算公式

基底应力是泵站基础底面作用于地基表面接触处的压力，采用以下公式计算[1]：

(2)

式中：为泵站的基底最大应力，为泵站的基底最小应力，；为作用在泵站上的全部竖向和水平向荷载对基础底面形心轴的力矩，；为泵站基底面对于该底面形心轴的截面矩，。

平均基底应力[1]：(3)

基底应力不均匀系数[1]：(4)

本泵站地基属于粉质粘土，允许地基承载力，在各种荷载组合工况下，基底应力稳定计算应满足且。对于不均匀系数，基本组合时≤2.0，特殊组合时≤2.50。

泵站的稳定计算时，以整个泵站段作为研究对象，取泵站底板上游段最低点（高程999.50m）为计算原点[2]。因为要计算各个部位的重力和力臂（型心点位置），为计算方便，建立三维模型进行计算，三维模型见图1。

图1 泵站计算模型图

2.3荷载计算及组合

作用于泵房的主要荷载有自重、静水压力、扬压力（包括浮托力、渗透压力）、风压力、浪压力、冰压力、地震荷载等，各工况荷载及其组合详见下表1。

表1泵房稳定计算工况及荷载组合表

计算工况上游

水位

(m) 下游

水位

(m) 荷载组合

自重静水

压力扬压力土压力冰压力浪压力风压力地震

荷载

基本组合完建期无水无水√√

设计运用期 1005.54 1005.54 √√√√√√

冰冻期1010.53 1008.93 √√√√√√

特殊组合校核洪水期 1011.06 1009.16 √√√√√√设计+地震

（顺水流）1005.54 1005.54 √√√√√√√

设计+地震

（逆水流）1005.54 1005.54 √√√√√√√

2.4计算结果及分析

根据以上计算内容，泵室基底应力计算、稳定计算结果结果见表2。

表2泵室稳定及基底应力计算结果

荷载组合计算工况指标计算结果规范要求结论

基本

组合1完建期Pmax 236.01kPa 1.20 满足

2设计运用期Pmax 217.85 kPa 1.20 满足

3冰冻期Pmax 163.61 kPa 1.20 满足

特殊

组合1 4校核洪水期Pmax 143.16 kPa 1.05 满足

特殊

组合2 5设计+地震

（顺水流）Pmax 195.59 kPa 1.0 满足

6设计+地震

（逆水流）Pmax 280.74 kPa 1.0 满足

由计算结果可知，6种工况下，最大基底应力出现在地震期，大于允许地基承载力的1.2倍，平均基底应力在6种工况下均大于允许地基承载力，不符合规范要求，需要对泵站地基进行打桩处理。抗滑稳定安全系数在6种工况下都满足规范要求。在设计运用期、冰冻期、校核洪水期、地震情况（逆水流）时，不均

匀系数均大于规范要求数值，特别是地震情况（逆水流）时=17，远远大于规范要求的数值。对于泵站这类墙后高填土建筑物，墙后的土压力是造成不均系数过大的重要因素，因为过大的土压力造成泵站合力点位置远离泵站底板的型心点位置，并且向上游侧偏离，造成上游侧基底应力过大，下游侧基底应力过小，从而不均匀系数过大而不满足规范要求。

3优化设计

3.1 基础旋喷桩处理增加地基承载力

该泵站地基主要持力层为粉质粘土、细砂，其天然地基承载力特征值建议值为135kPa。经计算，地震期工况和完建期的上部荷载传至底板最大应力为280.74kPa，平均应力为188.76kpa，天然地基承载力不满足要求。本建筑场地抗震设防烈度为8度，且存在液化现象。因此，需要进行地基处理以提高天然地基承载力，并消除或减轻地震液化的影响。为提高地基承载力和满足施工降水需要，泵站底板下采用旋喷桩整体加固土体[3]，桩径1.0m，桩距0.7m，桩长6.0m。经计算，旋喷桩整体加固土体后，复合地基承载力特征值，大于可满足要求。

3.2 空箱减载设计减少侧向土压力

对于高填土建筑物，为了减少泵站后的侧向土压力，可以在泵站下游侧设置空箱式建筑物来减少土压力对泵站的影响[4]，相当于在泵站后建一个挡土墙来减载。如果为了减少土压力而在泵站后修建一个空箱式挡土墙或者薄壁式挡土墙，会大大增加泵站的建设费用，并且挡土墙在泵站运用过程中不起任何作用。为了节省投资，在泵站后修建类似空箱式的阀门井，利用阀门井的自身稳定来抵消一部分侧向土压力，从而减小不均匀系数。

阀门井长13.50m，宽7m，埋设地面下2.9m，通过一直径为0.8m圆形进人口进入阀门井中，阀门井四周壁厚1.2m，底板厚1m，详见三维图2。重新计算泵室基底应力、抗滑稳定结果见表3。

图1 优化后泵站计算模型图

表3优化设计后泵室稳定及基底应力计算结果

荷载组合计算工况指标计算结果规范要求结论

基本

组合1完建期Pmax 225.53 kPa 旋喷桩处理满足

(Pmax＋Pmin)/2 193.27 kPa 旋喷桩处理满足