荷載轉移法在中小型泵站加固工程中的應用

(1.湖北省水利水電規劃勘測設計院，湖北 武漢 430064；2.湖北省水利廳，湖北 武漢 430070)

湖北省平原湖區存在數量眾多的中小型灌排泵站，各泵站規模不大。由于歷史原因，大部分泵站屬于邊勘測、邊設計、邊施工的“三邊”工程，均存在建設標準偏低、泵站下部結構破損裂縫等問題，大部分為三類泵站。由于受規劃批復建設資金額度的限制，大部分泵站很難做到全部拆除重建，此類泵站主要存在主泵房下部結構砌石或混凝土碳化裂縫、基礎沉降變形、部分結構強度與配筋不滿足規范要求等問題。由于泵站屬于“三邊”工程，建設資料歸檔不夠規范，加之年代久遠，使得大部分泵站原設計資料、竣工資料嚴重不全，這給加固設計增加了許多難度。

本次研究的重點和出發點是：利用有限的資金，克服由于原始資料的缺失給復核計算和加固設計增加的難度；研究泵站加固方法、荷載分配及布置，尋找簡單、可靠、經濟的加固方法；為省內外同類工程的加固提供借鑒；對主泵房下部結構采用荷載轉移方法進行加固，在盡量不破壞原有結構的前提下，達到除險加固、泵站安全運行的目的。

1 荷載轉移法

1.1 荷載轉移加固法以及主要特點

荷載轉移法，即通過改變原有泵房下部結構的受力條件，轉移本該由加固部位承受的荷載至泵房周圍可靠部位，減小原結構承受的外部荷載、減小其內力，達到加固改造的目的；或通過新增下部結構構件來承擔原結構承擔的荷載，使原結構不再受力，將荷載轉移至新設計的結構，達到加固改造的目的。

荷載轉移方法的主要特點是不破壞原有結構、減小原結構承受的荷載或取消結構承受的荷載，轉移原荷載至原結構周圍部位或新建的結構部位。由于減小或取消了原結構承受的外部荷載，原結構可以達到滿足設計要求的結構強度和配筋要求。

1.2 中小型泵站的結構特點

湖北省內江漢平原的中小型泵站絕大多數為揚程較低的立式軸流泵，泵站規模小，主泵房下部結構邊墻多為圬工結構，水泵梁、電機梁擱置于邊墻上，主泵房基礎多未進行處理。

受當時建設標準較低的限制及運行時間久遠的影響，邊墻圬工材料表層大部分已風化，砂漿脫落。電機大梁及水泵梁配筋量偏小，存在裂縫、露筋現象，加之機組運行震動的影響，大梁與邊墻支撐部位松動，造成機組運行時震動加劇，影響泵站安全運行。

此類泵站的結構受力特點主要為上部結構的垂直荷載通過主泵房墻體由下部邊墻承擔，電機及水泵梁承擔機組和水泵的動荷載，并將動荷載通過電機、水泵大梁傳遞至四周邊墻。主泵房下部結構自重及土重承擔四周土體的水平荷載，以保證主泵房的抗滑穩定。

1.3 荷載轉移加固法與其他結構加固方法的比較

目前建筑物的結構加固方法較多，主要有拆除重建、粘鋼加固、粘碳纖維加固等，拆除重建方法可按現行的規程、規范重新設計，其結構可靠、安全系數較高，但投資較大。

粘鋼和粘碳纖維加固方法基本一致，即通過在原結構外表面粘貼高強介質，達到結構補強的加固目的。兩種方法施工較為簡單，但須在原結構外表面進行鑿毛、鉆孔等處理，加固效果受施工工藝水平、原結構尺寸大小、原結構破損程度等條件限制，在原結構尺寸較大、配筋量與設計配筋量差距不大、破損程度不大的情況下，一般可以達到安全加固的目的。但該方法須在原結構上進行鑿毛、鉆孔，在施工時極易對原結構產生程度不等的破壞，嚴重時將造成原結構施工期間即報廢，從而影響泵站的安全運行。

荷載轉移方法之一是在原電機梁、水泵梁側面或下部重新澆筑大梁，新建大梁兩端與在原邊墻上外幫的鋼筋混凝土邊墻連接，原電機、水泵大梁廢棄或與新建大梁澆筑在一起，更新后的水泵、電機螺栓設置于新建大梁上，原電機、水泵大梁不再承受外部荷載，即原荷載轉移至新建大梁上。

荷載轉移方法之二是在原電機層上重新澆筑電機層，原邊墻墻頂四周增設地基圈梁，主泵房上部荷載不再由原電機層承擔，新老電機層間空隙布置為電纜層，邊墻垂直荷載增加，水平荷載不變，更利于邊墻抗滑穩定。

與拆除重建、粘鋼、粘碳纖維方法相比，荷載轉移法安全可靠、施工簡單、投資不大，同時可以配合主體建筑物的加固(如電機層抬高重建等)一并實施，不但可不破壞原有結構，同時還可通過轉移荷載，減少或取消下部結構梁系承受的荷載，從而達到加固除險的目的。

2 荷載轉移法的適應條件與特點

根據建筑物的結構特點、荷載轉移法的設計思路及荷載轉移的路徑，荷載轉移法的適應條件如下：

a.建筑物整體的抗滑穩定、地基應力、沉降變形均要滿足規范要求，或沉降變形基本穩定，后續沉降值滿足規范要求。

b.承受荷載轉移部位的整體沉降、地基應力、抗滑穩定要滿足規范要求，或轉移的荷載成為承受部位的有利荷載。如南跡湖站的四周擋墻承受了電機層及其上部荷載，其垂直向荷載增加，有利于自身的抗滑穩定。

3 荷載轉移法在實際工程中的應用

針對省內中小型排澇泵站的結構特點，結合荷載轉移法的研究設計思路，在南跡湖泵站更新改造工程中采用該方法進行了加固，取得了良好的加固效果。

3.1 南跡湖泵站下部結構的加固設計主要內容

南跡湖泵站裝機8×155kW，主泵房平面投影尺寸6.0m×26.0m，泵站位于長江干堤張北堤137K+150處，為堤后式泵站，濕式進水室，直管出流，拍門斷流。泵站主泵房位于堤內坡腳處，下部結構為排架柱結構，矩形進水流道，進水室三面為砌石結構，底板為整板混凝土底板。

3.2 存在的主要問題

南跡湖泵站建成運行已30多年，主要存在泵房高度偏小、電機層高程偏低、屋面破損漏水嚴重、下部排架結構破損嚴重等問題。主泵房建基面下持力層為碎石黏土層，地基承載力為250kPa。根據安全鑒定復核結果，主泵房的地基應力最大值為110kPa、抗滑穩定安全系數最小值為1.36，均滿足規范要求。但其下部結構排架柱的配筋不滿足要求，設計需要配筋為8φ18，實配為8φ16。

3.3 加固設計

加固設計的主要內容是在原電機層上新建電機層，原電機層不拆除。新建電機層的圈梁坐落在進水室三面擋墻及上游側大梁及墩墻頂部，原電機層板梁柱不再承受上部結構的荷載。

新建電機層圈梁梁高80cm，即電機層加高了80cm，梁寬40cm，電機層系梁高60cm、寬30cm。電機層及其上部荷載通過電機層板梁傳至進水室側墻及上游大梁，新、老電機層間的夾層可作為電纜通道，同時對下部排架柱進行表面抹環氧砂漿的混凝土防碳化處理，詳見圖1。

4 夏溝泵站下部結構的加固設計

夏溝泵站裝機4×155kW，主泵房平面投影尺寸6.0m×17.0m，泵站位于鄂州市梁子湖區東溝鎮長港河南岸，提排澇水入長港。泵房為堤身式，濕式進水室，直管出流，拍門斷流。

泵站主泵房上部結構為磚混結構，下部結構為排架柱結構，進水室三面為砌石結構，底板為整板混凝土底板，各進水室間設水泵梁與兩側墩墻連接。

4.1 存在的主要問題

泵站主泵房由于建成運行已達30多年，存在泵房墻身局部開裂、下部水泵梁裂縫嚴重等主要問題。根據安全鑒定復核結果，主泵房的地基承應力、抗滑穩定安全系數均滿足規范要求，但其下部水泵大梁的配筋量與混凝土強度不滿足要求，加之水泵大梁大部分斷裂，嚴重影響泵站安全運行，使得泵站棄用多年。

4.2 加固設計

夏溝泵站加固設計的主要內容是在原水泵梁下增設較大斷面尺寸的水泵梁，原水泵梁不拆除，在水泵梁兩側增設墩墻，用以支撐新水泵梁。

新建水泵梁梁高50cm，梁寬50cm，新增側墻墩墻厚30cm，中墩厚100cm，側墻與老墩墻間設錨桿，詳見圖2～圖3。

圖1 南跡湖泵站主泵房加固橫剖面

圖2 夏溝站主泵房下部結構加固設計 (尺寸單位：cm)

圖3 夏溝泵站主泵房橫剖面 (尺寸單位：cm)

5 結 語

荷載轉移法的應用較為廣泛，特別是對于中小型泵站，其應用有較為鮮明的特點：荷載轉移法以不對原結構產生新的破壞為條件，以荷載轉移為手段，以安全加固為目的，通過荷載轉移，減少原結構承受的荷載，使原有結構在減少內力的條件下滿足設計的配筋與強度要求，接受轉移荷載的部位將增加有利于穩定的荷載或增加有限的地基應力，新建承受荷載轉移的構件按現行規范進行設計，從而保證了原主泵房的安全可靠運行，在節省工程投資的同時達到安全加固改造的目的。

荷載轉移法在南跡湖泵站加固工程中首先進行了應用，并取得了良好的加固效果，在安全連續運行24h并通過機組啟動驗收后，將該方法大量應用于省內的王大圩泵站、夏溝站泵站等中小型泵站的加固改造工程中。

目前正在實施中的中部四省大中型泵站更新改造工程的泵站單站規模均較小，往往受規劃的單位千瓦投資額度限制，難以進行拆除重建。荷載轉移法對此類泵站的加固改造，不失為一種可靠、安全的方法。采用該方法進行泵站改造的基本原則是避免大拆大建，通過轉移原荷載至可靠建筑物結構上，在不破壞原有結構的前提下，減少其承受的不利荷載，達到可靠、安全地進行加固改造的目的。