7.3 稳定分析

条文说明

7.3.1 为了简化泵房稳定分析工作，可采取一个典型机组段（包括中间机组段、边机组段和安装间）或一个联段（几台机组共用一块底板，以底板两侧的永久变形缝为界，称为一个联段）作为计算单元。经工程实践检验，这样的简化是可行的。
7.3.2 执行本条规定应注意下列事项：
    （1）计算作用于泵房底板底部渗透压力的方法，主要根据地基类别确定。土基上可采用渗径系数法（亦称直线分布法）或阻力系数法。前者较为粗略，但计算方法简便，可供初步设计阶段以前泵房地下轮廓线布置时采用；后者较为精确，但计算方法较为复杂。我国南京水利科学研究院的研究人员对阻力系数法做了改进，提出了改进阻力系数法。该法既保持了阻力系数法的较高精确度，又使计算方法做了一定程度的简化，使用方便，实用价值大。因此，本标准规定对于土基上的泵房，宜采用改进阻力系数法。岩基渗流计算，因涉及基岩的性质，岩体构造、节理，裂隙的分布状况等，情况比较复杂。根据调查资料，作用在岩基上泵房底板底部的渗透压力均按进出口水位差作为全水头的三角形分布图形确定。因此，本标准规定对于岩基上的泵房，宜采用直线分布法。
    （2）计算作用于泵房侧面土压力的方法，主要根据泵房结构在土压力作用下可能产生的变形情况确定。土基上的泵房，在土压力作用下往往产生背离填土方向的变形，因此，可按主动土压力计算；岩基上的泵房，由于结构底部嵌固在基岩中，且因结构刚度较大，变形较小，因此可按静止土压力计算。土基上的岸墙、翼墙，由于这类结构比较容易出问题，为安全起见有时亦可按静止土压力计算。至于被动土压力，因其相应的变形量已超出一般挡土结构所允许的范围，故一般不予考虑。
    关于主动土压力的计算公式，当填土为砂性土时多采用库仑公式；当填土为黏性土时可采用朗肯公式，也可采用楔体试算法。考虑到库仑公式、朗肯公式或其他计算方法都有一定的假设条件和适用范围，因此本标准对具体的计算公式或方法不做硬性规定，设计人员可根据工程具体情况选用合适的计算公式或方法。对于静止土压力的计算，目前尚无精确的计算公式或方法，一般可采用主动土压力系数的1.25倍～1.5倍作为静止土压力系数。
    关于超载问题，当填土上有超载作用时可将超载换算为假想的填土高度，再代入计算公式中计算其土压力。
    （3）计算浪压力的公式很多。根据多年来的工程经验，普遍认为莆田试验站公式考虑的影响因素全面，适用范围广，计算精度高，对深水域或浅水域均适用，已可以满足各类泵站浪压力的计算要求，其他公式应用较少。
    关于风速值的采用，过去多采用当地实测风速值或由当地实测风力级别查莆福氏风力表确定风速值，但国家现行有关标准（如《水闸设计规范》SL265等）均推荐在设计条件下采用当地气象台站重现期50年一遇的年最大风速，校核运用水位或地震情况下采用当地气象台站年最大风速的多年平均值。
    关于吹程的采用，参照有关资料规定，当对岸最远水面距离不超过建筑物前沿水面宽度5倍时，可采用建筑物至对岸的实际距离；当对岸最远水面距离超过建筑物前沿水面宽度5倍时，可采用建筑物前沿水面宽度的5倍作为有效吹程。这样的规定比较符合工程实际情况。
    至于风浪的持续作用时间，是指保证风浪充分形成所必需的最小风时。当采用莆田试验站公式时，风浪的持续作用时间可按莆田试验站公式的配套公式计算。
    （4）淤沙压力可按现行行业标准《水工建筑物荷载设计规范》SL744的规定进行计算。
7.3.3 泵房在施工、运用和检修过程中，各种作用荷载的大小、分布及机遇情况是经常变化的，因此应根据泵房不同的工作条件和情况进行荷载组合。荷载组合的原则是考虑各种荷载出现的概率，将实际可能同时作用的各种荷载进行组合。由于地震荷载的瞬时性与校核运用水位同时遭遇的概率极少，因此地震荷载不应与校核运用水位组合。
    表7.3.3规定了计算泵房稳定时的荷载组合。根据调查资料，这样的规定符合我国泵站工程实际情况。完建情况一般控制地基承载力的计算，故应作为基本荷载组合；而施工情况和检修情况均具有短期性的特点，故可作为特殊荷载组合；至于地震情况，出现的概率很少，而且是瞬时性的，则更应作为特殊荷载组合。
7.3.4 泵房的抗滑稳定安全系数是保证泵房安全运行的一个重要指标，其最小值通常是控制在设计运用情况下、校核运用情况下或设计运用水位时遭遇地震的情况下。
    根据目前国家现行有关标准的规定，分别按土基和岩基列出公式（7.3.4-2）和公式（7.3.4-3），以便于设计中采用。
    在泵站初步设计阶段，计算泵房的抗滑稳定安全系数较多地采用公式（7.3.4-1），因为采用该公式计算简便，但f值的取用比较困难。f值可按试验资料确定；当无试验资料时，可按本标准附录A表A.0.1、表A.0.3规定值采用。表A.0.1、表A.0.3是参照现行行业标准《水闸设计规范》SL265制定的。公式（7.3.4-2）是根据现场混凝土板的抗滑试验资料进行分析研究后提出来的。抗滑试验结果表明，混凝土板的抗滑能力不仅和基底面与地基土之间的摩擦角φ ₀值有关，而且和基底面与地基土之间的黏结力C ₀值有关，因此，对于黏性土地基上的泵房抗滑稳定安全系数的计算，采用公式（7.3.4-2）显然是比较合理的。
    采用公式（7.3.4-2）计算时，公式中的φ ₀、C ₀值可根据室内抗剪试验资料按本标准附录A表A.0.2的规定采用。经工程实验检验，其计算成果能够比较真实地反映工程的实际运用情况。本标准附录A表A.0.2是根据现场混凝土板的抗滑试验资料与室内抗剪试验资料进行对比分析后制定的，该表所列数据与SL265的规定相同。
    采用公式（7.3.4-3）计算时，公式中的f＇值和C＇值可根据室内抗剪断试验资料、工程实践经验及本标准附录A表A.0.3所列值综合确定。
    由于f值或φ ₀、C ₀值的取用，对泵房结构设计是否安全、经济、合理关系极大，取用时应十分慎重。如取用值偏大，则泵房结构在实际运用中将偏于不安全，甚至可能出现滑动的危险；反之，如取用值偏小，则必然会导致工程上的浪费。现将我国部分泵站泵房抗滑稳定计算成果列于表3。     由表3可知，4号泵站灌溉工况下的K _c值偏小，该泵站建在粉质壤土地基上。如f值取用0.4，即可满足规定的K _c计算值大于允许值的要求。5号、9号、10号泵站K _c值亦均偏小，其中5号、10号泵站建在黏土地基上，9号泵站建在壤土地基上，如f值均取用0.35，即均可满足规定的K _c计算值大于允许值的要求。但是，建在淤泥质黏土地基上的6号泵站，f值取用0.30略偏大，如改用0.25，则K _c计算值小于允许值，不能满足规定的要求。修建在中粉质壤土地基上的8号泵站，f值取用0.45明显偏大，如改用0.40，则K _c计算值大于允许值，仍能满足规定的要求；如改用0.35，则K _c计算值小于允许值，就不能满足规定的要求了。
    当泵房受双向水平力荷载作用时（如边机组段），应核算其沿合力方向的抗滑稳定性。在双向水平力荷载作用下，泵房抗滑稳定安全系数值会降低，有时不能满足抗滑稳定要求，这时需要依靠中联机组段的对顶作用以增加边机组段侧向稳定（在正常设计条件下，利用中联机组段对顶的措施一般是不允许的，因为这样做失去了在边联与中联机组段之间设变形缝的作用）。对顶块结构，应进行专门的论证和设计计算。
7.3.5 本条为强制性条文，必须严格执行。
    抗滑稳定安全系数允许值是一个涉及建筑物安全与经济的极为重要的指标，表7.3.5所列抗滑稳定安全系数允许值与国家现行有关标准的规定是基本一致的。必须指出，表7.3.5规定的抗滑稳定安全系数允许值应与表中规定的适用公式配套使用，不能将表7.3.5中的规定值用于检验不适用公式的计算成果。还必须指出，对于土基，表7.3.5中的规定值对公式（7.3.4-1）和公式（7.3.4-2）均适用，因为当计算指标f值和φ ₀、C ₀值取用合理时，按公式（7.3.4-1）和公式（7.3.4-2）的计算结果大体上是相当的。
7.3.7 泵房的抗浮稳定安全系数也是保证泵房安全运行的一个重要指标，其最小值通常是控制在检修情况下或校核运用情况下。公式（7.3.7）是计算泵房抗浮稳定安全系数的唯一公式。
7.3.8 本条为强制性条文，必须严格执行。
    抗浮稳定安全系数允许值的确定，以泵房不浮起为原则。为留有一定的安全储备，本标准规定不分泵站级别和地基类别，基本荷载组合下为1.10，特殊荷载组合下为1.05。
7.3.9、7.3.10 泵房基础底面应力大小及分布状况也是保证泵房安全运行的一个重要指标，其最大平均值通常是控制在完建情况下，不均匀系数的最大值通常是控制在校核运用情况下或设计运用水位时遭遇地震的情况下。公式（7.3.9-1）或公式（7.3.9-2）是偏心受压公式，由于泵房结构刚度比较大，泵房基础底面应力可近似地认为呈直线分布，因此泵房基础底面应力可按偏心受压公式进行计算。目前我国普遍就采用这两个公式计算。
    土基上的泵房稳定应在各种计算情况下地基不致发生剪切破坏而失去稳定。因此，在各种计算情况下（一般控制在完建情况下），要求泵房平均基底应力不大于地基允许承载力，最大基底应力不大于地基允许承载力的1.2倍。对于岩基上的泵房，显然是不难满足上述要求的；而对于土基上的泵房，特别是修建在软土地基上的泵房，要满足上述要求，有时需要通过对地基进行人工处理才能达到。因此，如果不能满足在各种情况下，泵房平均基底应力不大于地基允许承载力，最大基底应力不大于地基允许承载力的1.2倍的要求，地基就将因发生剪切破坏而失去稳定。
    为了减少和防止由于泵房基础底部应力分布不均匀导致基础过大的不均匀沉降，从而避免产生泵房结构倾斜甚至断裂的严重事故，本标准规定土基上泵房基础底面应力不均匀系数（即泵房基础底面应力计算最大值与最小值的比值）不应大于本标准表7.3.10的规定值。表7.3.10规定的不均匀系数允许值与现行行业标准《水闸设计规范》SL265的规定值是一致的。岩基上泵房基础底面应力的不均匀系数可不受控制。但是，为了避免基础底面基岩之间脱开，要求在非地震情况下基础底面边缘的最小应力不小于零，即基础底面不出现拉应力；在地震情况下基础底面边缘的最小应力不应小于-100kPa，即允许基础底面出现不小于-100kPa的拉应力。现将我国部分泵房基础底面应力及其不均匀系数的计算成果列于表4。     表4可知，2号、6号、7号泵站均建在淤泥质黏土地基上，其中6号泵站泵房基础底面应力平均值达211kPa，最大值高达276kPa，是淤泥质黏土地基所不能承受的，而不均匀系数为1.89，超过了表7.3.10的规定值，该泵站泵房在施工过程中的最大沉降值超过了500mm，沉降差达250mm～350mm，被迫停工达半年之久，影响了工程进度，因而未能及时发挥工程效益；2号泵站泵房边块基础底面应力平均值达221kPa，最大值高达270kPa，7号泵站泵房左块基础底面应力平均值达200kPa，最大值高达245kPa，都是淤泥质黏土地基所不能承受的，但这两座泵站泵房边块和左块基础底面压应力不均匀系数分别为1.57和1.59，稍大于表7.3.10的规定值，加之施工程序安排比较适当，因而施工过程中均未发现什么问题。这就说明在设计中严格控制泵房基础底面应力及其不均匀系数和在施工中适当安排好施工程序，是十分重要的。3号、8号泵站均建在中粉质壤土地基上，其中3号泵站泵房在检修工况下和8号泵站泵房在排水工况下的基础底面应力不均匀系数分别达3.49和3.76，大大超过了表7.3.10的规定值，但因基础底面应力的平均值仅为91kPa～92kPa，最大值均为143kPa，是中粉质壤土地基所能够承受的，因而在泵站运行过程中未发生什么问题。
    满足了表7.3.10的规定，根本就不存在泵房结构发生倾覆的问题。至于表7.3.10的规定值，主要是根据控制泵房基础底面不产生过大的不均匀沉降，即控制泵房结构的竖向轴线（中垂线）不产生过大倾斜的要求确定的，这正是土基上建筑物的一个很显著的特点。而岩基上建筑物一般不存在由于地基不均匀沉降导致的不良后果，因此对不均匀系数可不控制。
    关于“在地震情况下，泵房地基持力层允许承载力可适当提高”，可参考现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB50011，天然地基基础抗震验算时，应采用地震作用效应标准组合，且地基抗震承载力应取地基承载力特征值乘以地基抗震承载力调整系数计算。
    地基抗震承载力应按下列公式计算： 式中：f _aE——调整后的地基抗震承载力；
          ξ _a——地基抗震承载力调整系数，应按表5采用；
          f _a——深宽修正后的地基承载力特征值，应按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》GB50007采用。 注：表中f _ak为地基承载力特征值。
    本标准表7.3.10中将土质地基分为松软、中等坚实、坚实三个等级。在实际工程中，可按地基土的分类，根据其孔隙比、相对密度及标准贯入击数等，按现行国家标准《岩土工程勘察规范》GB50021的要求来划分。