非洲某站场工程位于撒哈拉沙漠北部,建有6座大型联体水池,采用双池并联对称布局,每座水池由两个单元池和一个中间阀室组成,结构形式独特。水池底板卧地,主体位于地上,采用有盖结构,在池顶检修通道入口处设置小屋。单池长×宽×高为24m×18m×7.5m,最高液位5.5m,最低液位0.3m,容量2000m3。内部设有减淤导流墙,左侧单元池顶部建有饮用水塔一个。阀室平面尺寸 26 m×11 m,底板相对水池下凹3 m,室内安装管道、阀门、梁式吊车和检修平台等。
工程现场位于炎热干燥的撒哈拉沙漠地区,自然条件恶劣,季节最大温差平均 35℃,昼夜最大温差15℃,年最大降雨量仅200mm。地表覆盖薄层细砂,地下是强风化或中风化岩石,局部存在密实粗砂和砾砂,揭露深度100m以内未见地下水。根据地质勘察报告,将6座水池的地基分为四类,其中基床系数取值参见文献。阀室地基为中风化岩。
联体水池作为大型水工构筑物,其结构形式属于典型混合结构,主体结构包含钢筋混凝土水池和阀室框架结构两大体系,通过空间变形协同和耦合效应结合在一起,因此在进行结构分析时可以将其视为两个空间子系统,分别对其受力特点进行分析,并着重研究其相互间的影响和作用。杭州那泰有限元分析公司主要对基础底板、水池侧壁、阀室墙体、池盖和阀室屋盖的设计方案进行有限元分析。
根据工艺管道和设备安装要求,阀室和水池底板高差3m,阀室底部埋地。水池仅底板埋地,埋0.6m,底板受温度作用影响不显著。因此,将水池与阀室底板连接起来,形成缓冲池整体筏板基础#阀室出水端墙外凸5m,来水端墙内凹3m,考虑施工方便,把阀室底板延伸至与水池外侧池壁平齐。
由水池地基分类可知,单元池底板的地基土层大多为基岩,根据CRCS 138:2002第 7.1.3 条,露天环境下岩基水池最大伸缩缝间距为15m;与水池尺寸比较可知,单元池短边可不设置伸缩缝,长边应设一道伸缩缝;根据该规范第 7.1.4 条,伸缩缝应贯通,但执行该规定的难度较大,主要体现在以下方面:(1)池体相对位移引起的管道附加应力无法准确估算,因此与伸缩缝两侧池体相连的同一管道中必须设置柔性接头,需要修改管道设计。(2)由于水池底板埋地且埋深仅 0.6m,周围土层无法为伸缩缝两侧池体提供足够推力。(3)导流墙$池壁和顶板均要设缝,总长度约100m,一旦防水失效容易引起大量渗漏。因此,采取在结构计算时考虑温度作用、在施工时使用混凝土添加剂等减小混凝土收缩的措施,单元池长边不设伸缩缝,符合规范第 7.1.3 条。
气象报告显示,阀室内外空气最大温差10℃,阀室内空气与池内水体最大温差 5℃,因此阀室外墙与池壁之间应设置温度缝,防止墙体与池壁连接部位开裂;阀室入水和出水端墙的墙根与筏板基础相连,顶部与屋盖相连,给墙体提供足够支撑以增加稳定性。
将导流墙顶部与顶盖相连,仅保留竖直墙端为自由边。导流墙作为屋顶梁板的支撑,可显著减小梁板跨度。导流墙将屋面板分隔为等边双向板格,顶盖内部由墙体支撑,不单独设柱,节省了空间。水池顶梁支撑于池壁顶端,梁端池壁在集中力作用下容易开裂,因此在池壁顶部设置构造圈梁,与池壁同宽,圈梁的设置同时提高了顶盖的整体刚度。
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