某大型鄰堤取水泵房結(jié)構(gòu)選型分析

趙永全 宣鋒

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司 200092)

引言

常規(guī)取水泵房有兩種結(jié)構(gòu)形式，分別為基坑支護(hù)開挖和沉井方式。如果采用基坑支護(hù)大開挖后澆筑泵房下部結(jié)構(gòu)主體的支護(hù)方式，存在支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)交叉作業(yè)，以及拆換圍護(hù)結(jié)構(gòu)支撐等情況，施工相互影響較大；如果采用沉井方式，較大的平面尺寸或較大的平面長寬比將帶來下沉穩(wěn)定性難以控制、地面沉陷較大等問題。

因此在取水泵房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，針對工程情況和特點(diǎn)，有針對性地選擇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，是設(shè)計(jì)人員不可避免的重要問題。本文結(jié)合鄰近堤壩場地位置的取水泵房工程案例，給出取水泵房設(shè)計(jì)選型的思路以及注意問題。

1 工程概況

1.1 工程基本情況

擬建取水泵房規(guī)模60 萬m3/d，自順德水道(藤溪段)水源保護(hù)區(qū)處取水，經(jīng)箱涵穿越堤壩進(jìn)入取水泵站加壓后輸送至樂從、龍江水廠，取水泵房位于順德水道北側(cè)大堤外，現(xiàn)狀為魚塘，取水泵房周邊道路標(biāo)高為3.05m～3.20m，魚塘底標(biāo)高約0.00m，取水泵站設(shè)計(jì)地坪標(biāo)高為3.50m。

取水泵房南側(cè)為順德水道堤壩，泵房側(cè)墻距離堤腳線38m；泵房東側(cè)村道對面為藤溪自來水廠，泵房西側(cè)村道對面為魚塘，泵房北側(cè)為本項(xiàng)目泵站其他建筑。平面布置見圖1。

根據(jù)工藝專業(yè)取水及配泵要求，泵房平面凈尺寸62.84m×31.74m，由南側(cè)靠近堤壩側(cè)進(jìn)水室和水泵泵房兩部分組成，水泵泵房側(cè)上部為框架結(jié)構(gòu)。進(jìn)水室頂板標(biāo)高最高8.30m，局部頂板標(biāo)高3.75m 位置承受向上內(nèi)水壓力，底板面標(biāo)高-6.75m，施工完成后泵房底板面埋深10.25m，自現(xiàn)狀地坪標(biāo)高基坑開挖深度7.95m，基坑底標(biāo)高-7.95m。見圖2。

圖1 取水泵站平面布置Fig.1 General Layout of intake pumping station

圖2 泵房結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Diagram of the intake pumping house

1.2 工程地質(zhì)條件

泵房范圍內(nèi)土層地勘報(bào)告資料顯示：①層素填土以粘性土、粗細(xì)砂粒等填成，土質(zhì)結(jié)構(gòu)及豎向分布不均勻，高壓縮性，強(qiáng)度低；②2淤泥質(zhì)土局部為淤泥，夾較多薄層粉砂，高壓縮性；②3中砂成分為石英質(zhì)，砂質(zhì)較純，級(jí)配不良，含少量淤泥。土層參數(shù)見表1。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)Tab.1 Physical and mechanical parameters of soil layers

1.3 鄰堤基坑工程特點(diǎn)

靠近河道的工程場地往往存在較厚的淤泥質(zhì)土層或沉積砂層。淤泥質(zhì)土層土質(zhì)結(jié)構(gòu)不均勻，壓縮性高，工程力學(xué)性質(zhì)差，對基坑安全穩(wěn)定不利；而沉積砂層一般為強(qiáng)透水層，富水性好，在靠近堤壩場地，水位較高，基坑開挖過程中存在較大的涌水冒砂風(fēng)險(xiǎn)。

本工程中堤壩結(jié)構(gòu)為均質(zhì)土壩，取水泵站河段為南順第二聯(lián)圍，防洪標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇，堤頂高程7.5m，堤頂寬6m，設(shè)有混凝土路面，堤身迎水坡坡比約為1∶3，坡腳外灘地寬度約30m，被水坡坡比約1∶2.5，坡腳高程約2.5m。

防汛大堤作為重要的防洪防汛工程設(shè)施，其保護(hù)等級(jí)較高，對于基坑施工過程中可能引起的堤壩位移、沉降、裂縫問題，需要在基坑設(shè)計(jì)中給以充分考慮，采用對大堤影響較小的結(jié)構(gòu)形式，并設(shè)置相應(yīng)的保護(hù)措施，以降低對堤壩的影響。

2 結(jié)構(gòu)選型分析

根據(jù)上述構(gòu)筑物尺寸及埋深情況，結(jié)合現(xiàn)場周邊環(huán)境和地質(zhì)條件，本工程取水泵房有以下兩種結(jié)構(gòu)方案可供選擇：沉井式泵房、基坑支護(hù)開挖式泵房。

2.1 方案描述

1.沉井式泵房

沉井方案的原理是在地面上預(yù)定起沉標(biāo)高位置，施工制作開口的鋼筋混凝土井身及必要的內(nèi)壁板，待其混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，在井內(nèi)挖土，使井體依靠自身重力克服井壁與土體之間的摩擦阻力，不斷下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，進(jìn)行混凝土封底處理。本取水泵房沉井方案下沉施工時(shí)平面及剖面見圖3。

圖3 沉井方案布置Fig.3 Diagram of open caisson scheme

沉井方案設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)工藝對泵房形式的要求，在下沉施工階段除外壁板以外，沉井內(nèi)部進(jìn)水室和泵房側(cè)的分隔墻也制作完成，以此增加沉井整體剛度。泵房壁板頂標(biāo)高為3.75m，泵房底板面標(biāo)高為-6.75m，刃腳底標(biāo)高為-8.75m，魚塘清淤處理后場地地坪標(biāo)高為0.00m，設(shè)計(jì)起沉標(biāo)高為-0.50m，共計(jì)下沉深度8.25m，考慮采用兩次制作兩次下沉的施工工藝流程。

第一次制作壁板高度 5.00m，下沉深度4.50m，此階段結(jié)構(gòu)總重 36350kN，總摩阻力7168kN，排水下沉?xí)r下沉系數(shù)5.10；不排水下沉?xí)r總浮力11630kN，下沉系數(shù)3.48，兩種下沉方式均滿足第一段下沉系數(shù)kst≥1.05 的要求。第一階段下沉到位之后，刃腳及隔墻底部持力層為中砂層，計(jì)算下沉穩(wěn)定系數(shù)為0.32，滿足下沉穩(wěn)定計(jì)算要求。此時(shí)施工第二段壁板，地基極限承載力滿足施工階段荷載要求。

第二段下沉階段結(jié)構(gòu)總重為67450kN，總摩阻力為27480kN，排水下沉?xí)r下沉系數(shù)2.46；不排水下沉總浮力23990kN，下沉系數(shù)1.58，兩種下沉方式均滿足下沉系數(shù)kst≥1.05 的要求。對刃腳底部采用旋噴加固后，沉井刃腳、隔墻和底梁下地基土的極限承載力之和為53575kN，可計(jì)算得到下沉穩(wěn)定系數(shù)0.625，滿足《給水排水工程鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》(CECS 137—2015)中對于下沉穩(wěn)定系數(shù)kst，s＜1.0 的要求。

根據(jù)地勘報(bào)告，取水泵房位置標(biāo)高-2.50m以下為中砂層，透水性較好，因此在沉井方案設(shè)計(jì)中，距離沉井外壁2.8m 處設(shè)置兩排18m 長高壓旋噴樁φ500@350，起到降低突涌風(fēng)險(xiǎn)、減輕下沉施工過程中周邊沉降的作用。泵房南側(cè)距離順德水道堤壩較近，考慮泵房下沉施工中盡量降低對堤壩的影響，在泵房南側(cè)距離沉井外壁2.5m 位置施打一排16m 長φ800@1000 鉆孔灌注樁。泵房施工位置南側(cè)為順德水道，西側(cè)為魚塘，周邊環(huán)境水量較為充沛，充分考慮沉井下沉施工中的穩(wěn)定性和安全性，本方案設(shè)計(jì)中采用不排水下沉施工方式。

2.基坑支護(hù)開挖式泵房

在泵房四周采用鉆孔灌注樁作為基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，內(nèi)支撐體系采用鋼管支撐。待基坑支護(hù)樁及內(nèi)支撐達(dá)到設(shè)計(jì)要求后，開挖基坑內(nèi)土體至設(shè)計(jì)標(biāo)高，然后由下至上采用現(xiàn)澆混凝土方式施工泵房主體結(jié)構(gòu)，基坑支護(hù)布置見圖4。

基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)采用21m 鉆孔灌注樁φ800@1000，內(nèi)支撐體系采用一道φ609 ×16 鋼管支撐，止水帷幕采用15m 三軸水泥土攪拌樁φ850@600。根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120—2012)，主要對支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力及變形進(jìn)行分析，選取典型地質(zhì)情況及計(jì)算剖面，基坑方案按枯水水位取坑期作為邊界條件設(shè)計(jì)，坑頂水位取地面處，坑底底以下0.5m，采用啟明星基坑軟件計(jì)算結(jié)果見表2，支護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移為21mm，位移不大，對堤壩的影響較小。

圖4 基坑支護(hù)方案示意Fig.4 Diagram of foundation pit support

表2 泵房基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果Tab.2 Physical and mechanical parameters of soil layers

施工順序?yàn)槌楦婶~塘水→整平泵房區(qū)域場地標(biāo)高至0.00m→施工鉆孔灌注樁、攪拌樁、泵房工程樁→灌注樁、攪拌樁達(dá)到規(guī)定齡期檢測合格后開挖基坑至-0.85m→澆筑冠梁并安裝鋼管支撐→開挖至基坑坑底設(shè)計(jì)標(biāo)高→施工墊層、底板、壁板→壁板和傳力壁柱施工至-1.25m，且強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度90%時(shí)拆除鋼支撐→繼續(xù)施工上部壁板和頂板。

采用通用有限元軟件ABAQUS 對基坑開挖進(jìn)行模擬，設(shè)置圍護(hù)樁與坑底加固施工分析步和土體開挖施工分析步。計(jì)算結(jié)果見圖5，圍護(hù)樁最大水平位移36mm，出現(xiàn)于圍護(hù)樁深度中部靠下位置，堤腳水平位移7.8mm，魚塘邊道路水平位移15mm；堤腳豎向位移2.4mm，魚塘邊道路豎向位移0.9mm。

圖5 位移結(jié)果Fig.5 Displacement results

在鉆孔灌注樁基坑支護(hù)開挖方案中，為了消除中砂層液化影響，同時(shí)滿足泵房抗浮設(shè)計(jì)要求，泵房采用預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)。針對基坑底部中砂層滲透系數(shù)較大，開挖過程中可能出現(xiàn)的突涌冒砂風(fēng)險(xiǎn)，基坑底部采用φ850@600 三軸水泥土攪拌樁滿堂加固，攪拌樁長度3m，作為基坑底部的水平止水措施，同時(shí)此措施也可提高鉆孔灌注樁坑底側(cè)向約束剛度，對鉆孔灌注樁受力和位移有利。施工過程中先施工基坑圍護(hù)鉆孔灌注樁和水泥土攪拌樁，攪拌樁施工時(shí)預(yù)留管樁中心1.2m×1.2m 范圍，攪拌樁施工完畢后，再進(jìn)行管樁施工。

通過兩種方案的計(jì)算分析可知，兩種方案在采取相應(yīng)的施工措施后均具有可行性。基坑支護(hù)方案對堤壩的影響總體可控，沉井方案對堤壩的影響存在較多的不可控因素，存在一定風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 方案優(yōu)缺點(diǎn)比較

兩種方案在設(shè)計(jì)及施工方面的優(yōu)缺點(diǎn)比較見表3。

表3 方案優(yōu)缺點(diǎn)比較Tab.3 Advantages and disadvantages of the scheme

2.3 選型分析

沉井和基坑支護(hù)開挖兩種方案在工程中均有較多的應(yīng)用，各自設(shè)計(jì)、施工技術(shù)均較為成熟，針對不同的場地環(huán)境、地質(zhì)條件兩種方案均有各自的優(yōu)勢和存在的問題，因此需要在具體工程中結(jié)合安全、經(jīng)濟(jì)、便捷、高效的設(shè)計(jì)原則，分析選擇合理的工程設(shè)計(jì)方案。

第一：根據(jù)《給水排水工程鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》中對于長寬比的規(guī)定不宜大于2，本工程泵房平面布置中長寬比為1.98，非常接近規(guī)范的設(shè)計(jì)限值，沉井空間剛度相對較弱、沉井的下沉穩(wěn)定性控制難度較大，下沉過程中容易發(fā)生傾斜。

第二：泵房南側(cè)為順德水道堤壩，泵房下部土層中砂層含水可能與順德水道內(nèi)水系相通，若采用沉井方案排水下沉容易引起突涌冒砂，對地面及堤壩沉降變形影響較大，設(shè)計(jì)方案工程風(fēng)險(xiǎn)大幅增加；同時(shí)，采用不排水下沉施工難度將大大增加，水下挖土難以較好地控制均勻性，引起沉井傾斜的風(fēng)險(xiǎn)增大，同時(shí)水下封底難度較大。

第三：根據(jù)地勘報(bào)告資料，泵房下部中砂層為液化土層，不宜作為基礎(chǔ)持力層，需采用其他措施消除液化影響或采用樁基礎(chǔ)，才能滿足設(shè)計(jì)要求。本工程中采用靜壓預(yù)應(yīng)力混凝土管樁基礎(chǔ)，沉井方案較難實(shí)現(xiàn)沉井底板與樁頂?shù)倪B接，施工難度大，施工質(zhì)量較難保證。

第四：泵房與現(xiàn)狀堤壩距離較近，在沉井施工中需設(shè)置周邊的高壓旋噴樁、鉆孔灌注樁作為保護(hù)樁，以減輕和降低沉井下沉過程中對堤壩的影響，從而增加了沉井方案的工程造價(jià)。

第五：從投資概算的角度，兩個(gè)方案的投資概算僅相差220 萬元，相差不大。

第六：從施工工期角度，沉井方案總工期160 天，基坑支護(hù)開挖方案總工期180 天，施工工期相差也不大。

綜合以上六點(diǎn)，本工程泵房采用鉆孔灌注樁支護(hù)開挖方案。

3 結(jié)語

通過對大型取水泵房的沉井方案和基坑支護(hù)開挖方案進(jìn)行選型分析，可見在鄰近河道堤壩的中砂層中采用沉井方案存在較大的安全風(fēng)險(xiǎn)和施工難度，對施工水平要求較高。采用鉆孔灌注樁基坑支護(hù)開挖方案，具有較好的基坑側(cè)向剛度，對周邊鄰近建(構(gòu))筑物影響較小，結(jié)合坑底水泥土攪拌樁加固，可有效控制基坑開挖施工時(shí)坑內(nèi)水位，避免發(fā)生突涌事故，基坑支護(hù)開挖方案具有較好的安全性、合理性、經(jīng)濟(jì)性。

同時(shí)，還需注意的是，基坑支護(hù)工程施工過程中應(yīng)遵照動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、信息化施工的原則，進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)測。對可能出現(xiàn)的漏水、涌砂等情況，做好相應(yīng)的應(yīng)急措施和預(yù)案，在現(xiàn)場安排專人負(fù)責(zé)并熟悉處理程序，確?；雍椭苓吔?構(gòu))筑物的安全。