摘 要：在泵房的结构设计中，抗浮设计往往成为制约结构设计的重要影响因素之一。本文以一送水泵房抗浮设计实例介绍了泵房抗浮设计的方法及思路。
关键词：泵房；抗浮设计；配重井
1.前言
泵房作为取水构筑物或送水构筑物，由于工艺处理水或净化水的需要，一般处于河边或江边，地下水位较高。因此当泵房平面尺寸较大，埋置深度较深时，抗浮问题往往成为泵房结构设计中的重要制约因素之一。目前我们常用的抗浮方式主要有自重抗浮、配重抗浮、嵌固抗浮及锚固抗浮等[1]。其中后两种方式主要用于泵房底板坐于基岩的情况下。本文以广州某城区第三水厂送水泵房的结构设计为例初步探讨抗浮设计方法的选择和使用。
2.工程概况
该送水泵房送水规模为10万m3/d，加压扬程为50m。送水泵房与吸水井、阀门井连为一体，平面尺寸为26.5m*20.5m。泵房高8.8米，埋深为6米，吸水井埋深7.5米，阀门井为5.3米，泵房的平面尺寸及剖面如图1所示。地质情况由上而下为素填土、粉细砂、中粗砂、粉质粘土、细中砂和全风化花岗岩。泵房及吸水井底板坐落于中粗砂层，由于该层地基承载力为160kPa，结构设计将该层作为持力层。采用天然地基，底板采用梁板式结构。经计算，上部结构自重为19362.8kN。根据抗浮设计水位同地面标高，泵房及吸水井的总浮力为37009.5kN。显然，该泵房结构自重抗浮不满足要求，需要进行抗浮设计。
图1 泵房平面图和I-I剖面图
3.抗浮设计方案对比与选择
3.1方案一 —— 配重抗浮
当不影响底部空间时，可在底板增加较厚的素混凝土作为配重。按照《给排水工程构筑物结构设计规范》（GB50069-2002）[2]规定的抗浮系数1.05，若采用配重抗浮，需要17646.7kN的配重。因此若在地板上增加素混凝土配重，则会使得泵房底板结构埋深更深，产生更大的浮力，需要更多的配重。当地下水位较高时，这种方案的抗浮效果较差。
3.2方案二 —— 悬挑底板上覆土+配重井
底板悬挑抗浮一般是指在泵房外底板挑出部分上的填土或砌体作为配重。在考虑该种土压力的抗浮作用时，只考虑了悬挑板以上部分的土重。而土的内摩擦角范围内的土压力和土颗粒间的剪切力虽对抗浮起到有利作用，但在计算时将该部分作用力作为安全储备而不考虑在抗浮力之内。该工程当底板悬挑1.5米时，所得的配重为17545.7kN，此时抗浮安全系数=0.997<1.05，仍不能满足抗浮要求，继续增大悬挑宽度将影响到临近原有建筑物，鉴于所需的抗浮力较小，因此本工程在泵房底板上不影响泵组工作和人员操作的空间内设置了配重井，配重井顶部为走道板，如图1所示。配重井提供的抗浮力为2122.7kN，此时 =1.06>1.05，满足抗浮要求。另外，配重井的设置，同时也增强了底板和侧壁的稳定性并减小了其配筋。如壁板扶壁柱的计算模式由原来承担梯形荷载转变为与配重井壁共同承担外水压力、土压力以及地面汽车荷载，如图2所示。考虑其共同受力的模式采用有限元计算的扶壁柱和侧壁配筋较原来减少1/4。因此，悬挑底板加配重井的方案可以有效解决只悬挑底板无法满足抗浮要求的问题。这种方法施工方便，无需增加结构底板埋深而导致增加基坑开挖深度和增大基坑平面尺寸。
图2 扶壁柱计算模式的变化图3 抗浮锚杆大样
3.3方案三——抗浮锚杆
抗浮锚杆是一种竖向受力构件, 是通过钢筋与注浆体之间, 注浆体与周边土体之间的摩阻力来提供抗拔力的。设计中确定抗浮锚杆截面积采用的抗力分项系数为1.6，而确定抗浮锚杆锚固长度采用的抗力分项系数为2.2，主要考虑岩体锚固力随岩体不同的分布情况变化，离散性大，因而取较大抗力系数，而钢筋强度则离散性较小，因而抗力系数取小值。抗浮锚杆截面积和长度分别由式、或[3]确定。式中：Kt、K为抗力系数；为抗浮锚杆轴向拉力设计值；为钢筋强度标准值；、为抗浮锚杆锚固段长度和钻孔直径，、为锚固段注浆体与地层间、注浆体与筋体间的粘结强度标准值，抗浮锚杆大样如图3所示。
3.4方案四——设置抗拔桩
在底板下施打钻孔灌注桩，利用桩与地基土之间的摩擦力提供抗浮力。这种桩同时兼有两种作用：一是作为结构的支承桩，即在水位较深时，作用在桩上的荷载是向下的，需按照群桩基础考虑，使其承受上部荷载；二是在丰水期，即地下水位较高时，浮力成为构筑物的主要外力，此时灌注桩受到向上的外力，需要起到抗浮的作用。灌注桩抗拔计算采用公式[4]和，式中各符号物理意义详见文献[4]。因此灌注桩的桩径、桩长、间距按以上两种工况根据现场水文地质情况进行设计。灌注桩的造价高，但因其同时兼有承载和抗拔两种作用，可提供的抗拔力较大，一般适用于地质条件差的超深泵房或水下泵房。
3.5方案比较
我们对以上四种方案进行了比较，如表1所示。通过计算可知本工程所需的抗拔力不大，地基土持力层为中砂层，地基承载力特征值达到160kPa，能满足承载力要求，同时，悬挑底板上覆土重以及结构自重已使抗浮安全系数接近于1，还需再增加的抗拔力较小，因此不再适合采用灌注桩或抗浮锚杆来达到抗拔的目的。另外，继续增大悬挑底板宽度或增大底板埋深对基坑开挖不利且影响临近原有配电房，因此本工程采用适当悬挑底板加配重井的抗浮方法既达到了抗浮的目的，同时也增强了壁板和底板的约束，减小了其原有配筋。
表1 抗浮方案对比
4.结语
通过该送水泵房的抗浮设计，可得到如下结论：
当构筑物平面尺寸不大，埋深不大，地下水位较低时，采用自重与配重抗浮比较经济，设计简单，施工方便。
构筑物平面尺寸较大，埋深较大，地基土质良好时，采用悬挑底板加设置配重井的方案能有效解决抗浮问题并增强底板和侧壁的约束，从而可减小其原有配筋。
构筑物平面尺寸大，埋深大，地基土质差或有液化地基时，采用抗浮锚杆或灌注桩抗浮能较好的解决泵房的抗浮问题。
参考文献
[1] 给水排水工程结构设计手册编委会. 给水排水工程结构设计手册（第2版）[M]. 中国建筑工业出版社社, 2007
[2]国家标准. 给排水工程构筑物结构设计规范(GB50069-2002)[S ]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2002
[3] 中国工程建设标准化协会.岩土锚杆技术规程(CECS 22:2005) [S ].北京: 中国计划出版社, 2005
[4] 行业标准.建筑桩基技术规范(JGJ94-2008)[S].北京：中国建筑工业出版社，2008
