鲁航线 ，张东岩 ，高家增 ，胡大卫 ，王旭阳

（1.四川大学水利水电学院，四川成都 610065；2.天津市市政工程设计研究院，天津市 300051）

1 问题的提出

在给排水构筑物的设计中结构的抗浮计算是一项重要内容。按照《给水排水工程构筑物结构设计规范》（GB50069-2002）第5.2.3条，构筑物的抗浮稳定性抗力系数Ks为1.05。一些构筑物由于地下水位较高而使得单纯依靠结构自重常常不能满足抗浮的要求，这时就需要采取一定的措施。

1.1 工程简介

某排涝泵站位于北方沿海地区，泵站设计流量为40 m3/s，具有强排、自流、引水、蓄水及联通等多种功能，是一座多功能的跨河枢纽泵站。泵站主体包括进水、泵房、出水、自流等部分。泵房整体布置见图1。

泵站设计地面标高为5.00 m，最深处底板底标高为-3.90 m。整体平面尺寸为51.95 m×43.23 m，由于纵横向均大于30 m的地下混凝土水池长度上限。因此，设计对泵房主体横纵向各设一道伸缩缝，将泵房分为四部分，其中进水及泵房沿轴线分为两部分，出水池沿轴线分为两部分（见图2）。分割完后前后两部分尺寸（因泵站为对称形式，前后两部分均对称）分别为28.28 m×21.6 m和23.67 m×16.2 m。

1.2 抗浮计算

根据地质报告，该泵站所在场地地下水位标高在勘察期间为1.17～2.00 m，年变化幅度为1.0 m，由于泵站建成后进水河道最高水位为2.0 m，考虑一定的水力坡降，抗浮计算水位取为2.5 m。据此水位对泵站四部分分别进行抗浮计算，经过计算，前面两部分抗浮安全系数为1.20，后面两部分抗浮安全系数为0.68。上述前面两部分可以满足大于1.05的抗浮要求，而后两部分即泵站出水池部分显然不满足抗浮安全系数的要求，必须采取辅助的抗浮措施。

2 给排水构筑物常用的的抗浮方式

在泵站、污水处理厂等给排水构筑物中一般经常采用的构筑物抗浮措施有配重抗浮（包括在底板上配重、在底板下配重以及加厚底板等）、加大底板飞边、锚固抗浮、降水抗浮等形式。

2.1 配重抗浮

混凝土的特点就是自重较大，但这个特点正好有利于地下或半地下构筑物的抗浮，一般构筑物的抗浮主要依靠其结构自身的重量。由于混凝土的比重为22～25 kN/m3，大于地下水的10 kN/m3，因此，当水池不满足抗浮要求时可以将底板的混凝土量增加，利用混凝土与地下水的比重差来达到抗浮稳定的要求。

配重抗浮一般有三种方法：一是在底板上部采用低等级混凝土压重；二是采用较厚的钢筋混凝土底板；三是在底板下部采用低等级混凝土挂重。前两种方法的优点是简单可靠，当构筑物的自身重度与浮力相差不大时，应尽量采用配重抗浮，对工程造价的影响小,投产后亦没有管理成本。但构筑物的自身重度与浮力相差较大时，本方法将会增加工程量使土建造价提高，原因是配重部分要扣除浮力，导致配重部分的厚度增大；较大的埋深也将增加挖方量和排水费用，同时也会增大基底压力，引起较大的地基变形。如采用底板上设低等级混凝土压重的方法，将会使壁板的计算长度H加大，而壁板根部的弯矩值与H是平方关系,这样会使壁板根部的弯矩值增长较快，弯矩值较大时，板厚和配筋也会相应增大；如采用较厚的钢筋混凝土底板的方法，其工程量与设低等级混凝土压重相差不多，壁板的弯矩值虽小，但底板的钢筋用量会有些许增加；如采用底板下设混凝土挂重的方法，壁板的弯矩值小，底板的钢筋用量也不会增加，但底板和挂重部分混凝土须用钢筋连接，施工比较麻烦，当地下水对钢筋和混凝土具有侵蚀性时，设混凝土挂重的方法须谨慎。

2.2 加大底板飞边

增加结构的重量除了配重外，还可以采用加大底板飞边，依靠飞边上的土重来提高整体对地基的荷载来达到抗浮要求。

2.3 锚固抗浮

所谓锚固抗浮，顾名思义，就是采用锚固的方法将水池锚固于地基上来抗浮，锚固措施有抗拔桩和锚杆。抗拔桩利用桩的侧摩阻力和自身重量来抵抗浮力，桩型可采用树根桩、灌注桩或预制桩。抗拔桩施工较简单，耐久性较好；锚杆抗浮是利用在底板下土层中设锚杆来锚固池体。锚杆抗浮有三个问题需要注意：一是受力问题，当构筑物内无水时，锚杆处于受拉状态，当构筑物满水时，锚杆又处于受压状态，锚杆的底端类似于桩端，锚杆在反复拉压状态下的工作性能有待进一步的实验研究；二是施工问题，锚杆的施工需有专门的机械，施工前要进行试验，同时，较细的锚杆在施工时有一定的难度，如何控制钢筋偏移，如何使灌浆饱满、如何避免断杆等都是施工难题，尤其是锚杆较长时，不如配重抗浮来得简便；三是适用性，当地下水对钢筋有侵蚀性时，细锚杆的耐久性问题不易解决，这将在一定程度上限制其适用性。

2.4 降水抗浮

除了利用增加结构重量及向下拉力来达到抗浮要求外，还可以采用降低地下水的方法。具体做法是在构筑物底板下设反滤层，在构筑物周围设降水井，降水井和反滤层间用盲沟相连，当构筑物因检修设备而需要放空时，可在降水井内抽水使地下水位降至安全水位，从而保证构筑物的稳定。降水抗浮的优点是工程造价低，缺点是管理较麻烦，每次检修均需要抽水。

3 泵房出水池抗浮措施

由于配重抗浮和锚固抗浮对造价的影响较大，降水抗浮又会给管理维护带来麻烦，因此，在本泵站出水池的抗浮设计中，采用了一种单向止水的形式。当出水池放空时地下水可以渗入水池，达到抗浮安全的目的。具体做法是：在出水池底板安装一种球形止回阀（又称逆止阀），底板下设300厚级配碎石及土工布作为反滤层。球形止回阀主要有壳体、防护盖板、球体等三部分组成，球体与壳体内密封座构成一套完整的密封体系，利用球体在壳体内的不同位置实现止回阀的启、闭功能。运行时，当地下水位低于池内水位时，球体与壳体密封座紧密贴合，此时阀门处于密闭状态，阻隔池内水体与地下水的通道；当地下水位上升至高于池内水位时，球体在地下水压的作用下离开密封座，此时阀门处于开启状态，导通地下水与池内水，地下水便可经球体与壳体密封座之间的间隙流入池内，地下水压力和水量越大，球体与壳体密封座之间的间隙越大，流量也越大。当地下水与池内水位相持平时，球体回至密封座体位置，此时阀门处于密闭状态。

止回阀安装示意见图3。

出水池水位的降落速度取决于排出至河道的流量，在池内水位接近地下水位时，当排出流量较大时，流入池内的地下水的流速也较快，反之就较慢。根据实验结果，公称直径为100 mm的球形止回阀其流量与水头差的关系如图4所示。

根据图4曲线可近似地得出流量Q与水头差h的关系为：

根据实验结果，本止回阀的启动水位差为10cm，此时止回阀通过的流量为1 700 mL/s。经计算，出水池最大可以承受的内外水位差为1.5 m，则止回阀正常工作的水头差范围应为1.5 m以内。假设出水池排水流量保持均匀，则流入流量应为线性变化，因此可近似按照平均水头差即（0.1+1.5）/2=0.8 m来计算所需要的止回阀数量。

根据式（1），当水头差h=0.8 m时计算得Q=11 500（ml/s）。而出水池0.8 m水深范围的水量W为595 m3，假设这些水量需要在10 min内补充完毕，则需要的止回阀数量n为：

即布置86个止回阀即可以满足在10 min内将0.8 m深范围内充满以保证泵站出水池的安全。据此在出水池底板上布置86个止回阀，间距为3 m。

4 结语

采用单向止水的方法有效地解决了本工程出水池抗浮的问题，比采用配重抗浮和抗拔桩抗浮工程造价分别节约了约30万元和43万元。该止回阀采用球体作为密封件，球体受力状态好，变形小，球体表面积聚泥沙的机率小，在壳体内设有防尘槽，用于沉积泥沙，且球体与密封座无固定的接触点，磨损均匀，使用寿命长。由于结构相对简单，安装及维护方便，因此，可大量应用于类似工程的抗浮设计中。

该止回阀存在的主要问题是耐压能力较小，水池无法实现完全空池，因此这种止回阀不能用于有检修要求的水池。另外，由于该止回阀还不能保证完全密封，有可能会发生池内水体渗漏的现象，因此对于污水处理厂及给水厂，建议采用更安全的方式来解决抗浮问题。

[1]GB50069-2002,给水排水工程构筑物结构设计规范[S].

[2]吴铭,王金成,陈海燕.大型排水构筑物的抗浮设计[J].特种结构,2004(1).