某取水泵站工程沉井結(jié)構(gòu)設計與分析

李玉磊

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司,上海市 200092）

某取水泵站工程沉井結(jié)構(gòu)設計與分析

李玉磊

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司,上海市 200092）

以某取水泵站沉井為例，結(jié)合工程地質(zhì)、沉井結(jié)構(gòu)特點以及周邊環(huán)境情況，闡述了沉井結(jié)構(gòu)設計要點和采取的施工環(huán)境保護措施，對類似工程具有一定的借鑒意義。

沉井結(jié)構(gòu)；下沉穩(wěn)定性；抗浮驗算；結(jié)構(gòu)設計

0 引言

沉井是一種在地面制作、通過取除井內(nèi)土體的方法使之沉到地下某一深度的井體結(jié)構(gòu)。沉井施工方法是構(gòu)筑物或深基礎工程特殊而重要的施工方法。在給排水工程中，沉井結(jié)構(gòu)經(jīng)常用于泵房、頂管井以及底板較深結(jié)構(gòu)規(guī)則的池體[1]。

沉井結(jié)構(gòu)有著眾多優(yōu)點，可以減少基坑土方的開挖量，不需要設置基坑支護；同時，沉井結(jié)構(gòu)可以作為構(gòu)筑物永久受力結(jié)構(gòu)。對于地下水豐富的地質(zhì)情況，不排水下沉的施工方法可以解決降水困難的問題，也可以減少降水對周邊環(huán)境的影響。

本文結(jié)合實際工程特點，著重介紹大型沉井的合理化結(jié)構(gòu)設計分析、沉井周邊環(huán)境保護措施等。

1 工程概況

某工程位于江蘇省連云港市薔薇河河道北岸，新建取水泵站規(guī)模為70萬t/d，主要包括吸水井、輸入泵房、取水頭部以及其他附屬構(gòu)筑物。該工程抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.10 g，抗震設防烈度為乙類，按8度采取抗震措施；設計地震分組為第三組，場地為Ⅲ類，特征周期為0.65 s。地基基礎設計等級為乙級。

該工程吸水井采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，沉井施工方式。結(jié)構(gòu)平面尺寸為17.5 m×42.4 m；現(xiàn)狀地坪標高為3.00 m（黃海85高程），底板頂標高為-8.90 m。

沉井平面、剖面如圖1、圖2所示。

圖1 沉井平面結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)該工程的地質(zhì)勘察報告，擬建場地為海積平原地貌單元。在干濕交替作用條件下，地下水對混凝土結(jié)構(gòu)具有微腐蝕性，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具中腐蝕性。

擬建構(gòu)筑物處地質(zhì)土層描述見表1。其中：（2）層黏土層為軟塑態(tài)；（3）層淤泥層為流塑態(tài)，且承載力特征值為60 kPa和40 kPa，屬于軟弱土層；（8）層粉砂層為透水層。

3 沉井結(jié)構(gòu)設計

該工程沉井設計及施工過程存在以下難點：

（1）沉井結(jié)構(gòu)尺寸大，長度達到42.4 m，且長寬比大于2。合理地進行結(jié)構(gòu)分隔，增強結(jié)構(gòu)整體性，對于結(jié)構(gòu)受力計算和施工沉井下沉穩(wěn)定性有著重要影響。沉井結(jié)構(gòu)布置亦應滿足原水管道頂管施工需求，即作為頂管工作井的需求。

（2）沉井施工地質(zhì)環(huán)境較為復雜，需要穿越（3）層淤泥質(zhì)軟弱土層，如處理不妥，可能出現(xiàn)沉井下沉過快甚至突沉的情況；同時，淤泥質(zhì)土開挖時，容易造成土體涌入，引起周邊地面沉降增加情況。在穿越（8）層粉砂透水層時，刃腳底部開挖可能引起局部土體塌陷，且不易于降水。

圖2 沉井剖面結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

表1 土層參數(shù)表

（3）沉井位于擬建泵房周邊存在擬建輸水泵房，兩者之間最小距離僅為10 m，小于沉井下沉深度，位于沉井施工沉降影響范圍內(nèi)。合理設計施工工序和環(huán)境保護措施可以減少沉井施工過程中對周邊環(huán)境的影響。

針對以上工程特點，本文著重闡述結(jié)構(gòu)合理化設計、下沉計算以及環(huán)境保護措施等方面。

3.1 結(jié)構(gòu)設計基本原則

（1）結(jié)構(gòu)尺寸的確定：吸水井結(jié)構(gòu)尺寸根據(jù)工藝專業(yè)功能確定最小凈尺寸；同時，結(jié)構(gòu)尺寸應滿足頂管施工最小尺寸要求。

（2）沉井隔墻分隔原則：沉井長度、寬度均較大，且長寬比超過2，為保證沉井具有足夠的強度及剛度，長度方向設置3道隔墻、寬度方向設置1道隔墻。為保證頂管施工空間要求，寬度方向的隔墻設置便于頂管機通過的洞口，洞口采取加固措施。

（3）沉井壁板、隔板的厚度根據(jù)沉井設計整體穩(wěn)定系數(shù)以及結(jié)構(gòu)受力、裂縫控制等要求確定。

（4）混凝土等級為C40、P8（S8），鋼筋等級為HRB400。

3.2 沉井下沉穩(wěn)定性驗算

根據(jù)《給水排水工鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)設計規(guī)程》（CECS 137：2015），沉井下沉系數(shù)應滿足下列公式要求[2]：

式中：kst為下沉系數(shù)；Gik為沉井自重標準值；Ffw，k為浮托力標準值；Ffk為井壁摩阻力標注值。

經(jīng)計算，Gik=63 455 kN，F(xiàn)fw，k=0 kPa（排水下沉），F(xiàn)fk=21 941 kPa，kst=2.89＞1.2。

下沉系數(shù)較大，沉井下沉過程中存在軟弱土層，應進一步驗算下沉穩(wěn)定系數(shù)，應滿足下列公式要求：

式中：kst,s為下沉穩(wěn)定系數(shù)；F’fw，k為驗算狀態(tài)下浮托力標準值；F’fk為驗算狀態(tài)下井壁摩阻力標注值；Rb為刃腳、隔墻下地基土的極限承載力之和。

沉井刃腳標高為-12.4 m，進入（8）層粉砂層約0.3 m，極限承載力值按上層土承載力特征值兩倍取值，即為320 kPa。

經(jīng)計算，Rb=56 612 kN，kst,s=0.81，符合下沉穩(wěn)定性要求。

由于下沉系數(shù)大于1.5，不另計算井壁豎向抗拉工況[3]。

3.3 沉井結(jié)構(gòu)計算

沉井結(jié)構(gòu)計算包括施工階段強度計算、使用階段強度和裂縫計算、地基承載力和抗浮驗算。

3.3.1 沉井壁板

沉井下沉至設計標高、底板還未澆筑前，沉井結(jié)構(gòu)處于受力最不利情況。從結(jié)構(gòu)設計合理性、經(jīng)濟性考慮，沉井沿豎向分為三段進行計算分析，即刃腳、池壁底部、池壁變厚處。限于篇幅，本文以池壁底部結(jié)構(gòu)計算為例，闡述其設計分析過程。

沉井井壁可以視為水平封閉框架，一般可采用公式法和彎矩分配法。該工程結(jié)構(gòu)體系較為復雜，采用理正結(jié)構(gòu)設計工具箱進行水平框架計算，構(gòu)件尺寸和荷載如圖3所示。

圖3 沉井水平框架計算簡圖

其中，該沉井段荷載由水土荷載和刃腳水平剪力組成。經(jīng)計算，兩部分荷載分別為142.9 kN和199.5 kN，故計算荷載取350 kN。彎矩計算結(jié)果如圖4所示。

圖4 沉井水平框架彎矩設計值

其中，角部最大彎矩設計值為4 066.6 kN·m，跨中最大彎矩設計值為2 170 kN·m。由于壁板厚度較大，考慮角部設計彎矩值進行折減，即

式中：ΔM為彎矩折減值；Q為角部邊緣剪力；b為壁板寬度。

經(jīng)計算，角度最大彎矩設計值為3 250 kN·m。

考慮沉井為永久工作井，且有滲水控制要求，故綜合考慮按照最大彎矩設計值計算強度配筋，按照最大彎矩標準值計算裂縫配筋，取兩者計算配筋較大值。該工程中，池壁底部水平框架角部配筋采用32@75，跨中配筋采用32@150。

3.3.2 沉井底板

沉井首節(jié)結(jié)構(gòu)制作時，應在底板處預留凹槽并預留插筋。底板澆筑完成后，底板可視為與壁板鉸接，按照雙向板進行強度及裂縫計算。底板荷載主要為浮托力或底板凈反力較大值。

經(jīng)計算，底板最大跨中彎矩設計值為840.5 kN·m，上層控制配筋為25@100。

3.3.3 地基承載力和抗浮驗算。

該工程中，沉井的地基反力值主要由四部分構(gòu)成，即沉井結(jié)構(gòu)自重、沉井頂板覆土重、沉井內(nèi)水重、沉井上部允許活荷載值。經(jīng)計算，地基反力值為250.6 kPa。沉井底板位于（7）層黏土層，經(jīng)計算，其修正后的承載力值為320 kPa＞250.6 kPa，故地基承載力滿足設計規(guī)范要求。

用于抗浮驗算的荷載值主要由兩部分構(gòu)成，即沉井結(jié)構(gòu)自重和頂板覆土重。經(jīng)計算，抗浮系數(shù)K=G/F=77 266/71 232=1.08＞1.05，故抗浮系數(shù)滿足設計規(guī)范要求。

3.4 沉井施工環(huán)境保護措施

目前，沉井施工已經(jīng)順利完成，施工工期約為6個月，周邊地面沉降最大僅為50 mm。事實表明，止水帷幕可以防止沉井下沉時大量土體的涌入，減少降水對周邊環(huán)境的影響；同時，泵房建造處地基土并未經(jīng)受擾動。

4 結(jié)論

沉井結(jié)構(gòu)因占地面積小、下沉施工工藝成熟、在采取合理保護措施后對周邊環(huán)境影響小等特點而得到廣泛的應用。尤其對于工程地質(zhì)條件較差，不利于采取支護措施的工程情況，沉井施工往往有著較好的經(jīng)濟性和周期性。

該工程對于軟土地質(zhì)條件的大體積沉井工程設計有一定參考價值。進一步總結(jié)如下：

（1）沉井平面尺寸較大，隔墻的合理設置至關重要，有利于結(jié)構(gòu)受力計算以及下沉的穩(wěn)定性。

（2）沉井周圍止水帷幕的設置可以很好地避免土體涌入，減少對周邊環(huán)境的影響。

[1]葛春暉.鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)設計施工手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2004.

[2]CECS137：2015，給水排水工程鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)設計規(guī)程[S].

[3]給水排水工程結(jié)構(gòu)設計手冊編委會.給水排水工程結(jié)構(gòu)設計手冊（第二版）[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2007.

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1009-7716（2017）09-0110-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.09.032

2017-06-12

李玉磊（1984-），男，黑龍江牡丹江人，工程師，從事市政工程結(jié)構(gòu)設計工作。