超常規(guī)進(jìn)水泵房結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)探討

孫宏兵

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司合肥分公司,安徽 合肥）

隨著人們生活水平的提高，環(huán)保意識越來越強(qiáng)，國家對環(huán)境治理的力度也在不斷加強(qiáng)。對城市的面源污染治理就是急切的問題之一，其中初期雨水的截留工作就成為該項(xiàng)工作的重中之重。隨著城市的截污面積不斷擴(kuò)大，初期雨水的截留量也越來越大，截留管網(wǎng)末端的管徑需求也在增加，現(xiàn)在合肥地區(qū)的截流管道都能超過3 m，這就導(dǎo)致初雨截留調(diào)蓄項(xiàng)目的提升泵房平面尺寸比較巨大，同時由于截留管道埋深較深，泵房施工深度就更深了。這些都使得我們的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案對項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)影響非常顯著。本研究結(jié)合工程實(shí)例，闡述了此類結(jié)構(gòu)項(xiàng)目的概念設(shè)計(jì)。

1 工程概況

本項(xiàng)目為店埠河肥東縣城初期雨水污染治理工程。其中新建初期雨水調(diào)蓄站1 座，占地約67 畝，調(diào)蓄規(guī)模4.5 萬m3。調(diào)蓄站包括進(jìn)水泵房、沉砂池、調(diào)蓄池等。本研究主要論述其中進(jìn)水泵房的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。擬建場地地貌類型為江淮波狀平原，調(diào)蓄站區(qū)域主要為荒地及農(nóng)田，填土厚度大。

場區(qū)地下水為賦存于淺部雜填土層中的上層滯水、粉土層中的承壓水和基巖裂隙水。承壓含水層主要為第⑤層粉質(zhì)黏土夾粉土，承壓水頭約2 m。

本次勘察深度范圍內(nèi)各土層屬第四紀(jì)全新世。根據(jù)地勘報(bào)告鉆孔揭示土層如下：

第①層：雜填土，灰褐色，松散～松軟，濕，壓縮性高。層厚0.30～13.10 m 左右，全場分布，調(diào)蓄站區(qū)域該層土厚度大。

第②層：粉質(zhì)黏土，灰黃色，可塑，局部軟塑，中等壓縮性。層厚2.00～10.90 m。

第③層：粉質(zhì)黏土，灰綠色，軟塑，局部流塑，中等偏高壓縮性。層厚1.10～12.00 m。

第④層：粉質(zhì)黏土，灰黃色～灰白色，可塑，局部軟塑，濕，稍密～中密，中等壓縮性。層厚1.50～15.10 m。

第⑤層：粉質(zhì)黏土夾粉土，灰黃色，可塑，中密～密實(shí)，中等壓縮性，層厚1.00～11.10 m。各土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 各土層物理力學(xué)指標(biāo)建議值

2 結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)要點(diǎn)

本進(jìn)水泵房采用全地下式結(jié)構(gòu)，頂部覆土綠化。泵房由進(jìn)水前池、格柵間及泵室組成，前池兼做進(jìn)水管的頂管接收井。進(jìn)水管中心標(biāo)高-1.05 m，進(jìn)水管徑DN3000，泵室底板高程-6.4 m，刃腳底標(biāo)高-10.4 m，設(shè)計(jì)地面標(biāo)高18.0 m，總埋深達(dá)28 m。根據(jù)工藝需要，共設(shè)6 臺450 kw潛水泵，是肥東縣最大的進(jìn)水泵房結(jié)構(gòu)。

2.1 結(jié)構(gòu)形式與結(jié)構(gòu)布置

泵房的結(jié)構(gòu)形式的選擇離不開它的施工工藝的比對，只有工期短，費(fèi)用低的施工工藝才能具有競爭力。

常規(guī)的泵房施工工藝有兩種，一種是支護(hù)開挖施工，另一種是沉井施工。由于本結(jié)構(gòu)埋深和平面尺寸都比較大，采用支護(hù)開挖施工周期長，中間要加幾層支撐，開挖土方和施工主體結(jié)構(gòu)都要大大受限，工期會被拉長。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》[1]，沉井結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)為永久結(jié)構(gòu),一次施工就將支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)合二為一，縮短了工期。由于沉井結(jié)構(gòu)可以分段預(yù)制分次下層，對井內(nèi)取土的影響也比較小。節(jié)約了造價。朱海燕[2]依據(jù)工程實(shí)例闡述了沉井結(jié)構(gòu)在污水泵站中的應(yīng)用，取得了很好的社會和經(jīng)濟(jì)效益。與本工程的進(jìn)水泵房有很高的相似性，采用沉井結(jié)構(gòu)有成熟的經(jīng)驗(yàn)。

同時泵房周邊還布置有調(diào)蓄池和隔油沉砂池。這兩個單體埋深都在6 m 左右。都需要大面積取土，現(xiàn)狀場地內(nèi)有4 m 左右的填土,施工建（構(gòu))筑物時都需要清除掉。因此，主體結(jié)構(gòu)施工前，土方可以降到絕對標(biāo)高11.000 m ，沉井需要下沉的深度降至22 m。趙春燕[3]等對沉井結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的分析。同時根據(jù)規(guī)程的相關(guān)技術(shù)要求，進(jìn)水泵房采用沉井結(jié)構(gòu)技術(shù)可行。

下面就來分析一下結(jié)構(gòu)布置問題：

先從工藝上來講，泵房分為進(jìn)水前池、格柵間及泵室。進(jìn)水前池的長和寬均需要8 m。由于結(jié)構(gòu)埋深28 m，格柵間的長度需要8 m 左右，4 臺設(shè)備總寬度需要16 m 左右。泵室部分的尺寸確定起來比較復(fù)雜，兩臺水泵之間的工作間距需要4 m 左右，如果6 臺泵排成一排，泵室端部的寬度需要24 m，24 m 的計(jì)算跨度過大，需要增加中間隔墻形成支點(diǎn)，泵室寬度就需要增加至28.6 m；由于泵室還有最小的蓄水量要求，寬度確定后泵室長度需要19.3 m，再加上前池與格柵間的長度，總長度需要40 m，分兩個區(qū)域布置，這樣整個泵房形成了一個階梯形狀的布置（見圖1），根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)程，沉井平面重心位置宜布置在對稱軸上，平面重心的豎向連線宜為豎直線。這種布置雖然貼合工藝要求，但是結(jié)構(gòu)受力不合理，也不符合規(guī)程要求。不能采用。

圖1 沉井結(jié)構(gòu)平面一

我們可以折中布置，泵房的寬度取16 m，能滿足泵房三個部分的寬度要求。但泵室端部只能布置4 臺泵，余下的2 臺只能布置在側(cè)壁上。這樣不能滿足工藝要求，只能取消。所以如果采用矩形布置的話，還需要把上面階梯形狀的布置補(bǔ)充完整，形成圖2 的布置方案。此方案結(jié)構(gòu)平面尺寸為31.6 m×40.5 m，屬于超大尺寸，造價高，由于有外凸扶壁柱，使沉井的下沉難度加大。

圖2 沉井結(jié)構(gòu)平面二

結(jié)合工藝的尺寸要求，我們布置了28 m內(nèi)徑的圓形截面，內(nèi)部采用十字內(nèi)墻分割，左半圓布置進(jìn)水前室和格柵間；右半圓的兩段圓弧長44 m，布置6 臺水泵很輕松，泵室的面積也滿足工藝最小蓄水量的要求。平面布置形式見圖3。圓形截面外表面光滑連續(xù)沒有突出的轉(zhuǎn)角，下沉性能明顯優(yōu)于矩形截面，魏冬冬[4]對大直徑圓形沉井的截面和下沉進(jìn)行了具體的分析，得出大直徑圓形截面沉井技術(shù)上可行，受力性能好，下沉系數(shù)和下沉穩(wěn)定系數(shù)均容易達(dá)到，是一種值得推廣的進(jìn)水泵站的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

圖3 沉井結(jié)構(gòu)平面三

綜合以上分析，從沉井結(jié)構(gòu)平面面積來算，圖1、圖2 和圖3 的平面面積分別為247.4 m2、300.4 m2和194.3 m2。圓形的結(jié)構(gòu)面積最小，比最小的矩形布置少27%，經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)。從受力性能來看，圓形截面受力優(yōu)于矩形。同時下沉性能也是最好的。整體分析圓形截面最合適。

2.2 下沉方式

沉井的下沉方式有排水下沉和不排水下沉。排水下沉是指沉井下沉過程中，在取土作業(yè)時排除井內(nèi)積水。不排水下沉的定義是沉井下沉過程中，在取土作業(yè)時不排除井內(nèi)積水。兩者之間只差一個字。但是差異非常大。從以往的工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)結(jié)合設(shè)計(jì)規(guī)程。從這些經(jīng)驗(yàn)結(jié)合設(shè)計(jì)規(guī)程，我們可以看出下沉方式的選擇主要取決于工程場地的大小、水文地質(zhì)條件以及施工對周圍建（構(gòu)）筑物的影響程度等因素。

本項(xiàng)目場站布局緊湊，離店埠河60 m左右。周邊是道路與河道，建筑物離得都比較遠(yuǎn)?；A(chǔ)持力層位于⑤層粉質(zhì)黏土夾粉土層，該層有承壓水。我們從兩種下沉方式的實(shí)施要點(diǎn)來分析：

（1）排水下沉的實(shí)施方法。

a.明溝加集水井排水。在開挖面內(nèi)設(shè)置合適的排水溝及集水井，溝與井底深度隨沉井挖土而不斷加深；在井內(nèi)或井壁上設(shè)水泵，將水抽出井外排走，井內(nèi)滲水量很少時，可設(shè)潛水泵排水。

b.井點(diǎn)降水。在沉井周圍設(shè)置輕型井點(diǎn)、噴射井點(diǎn)以降低地下水水位，在沉井下沉施工過程中，保證取土面位于地下水位以上。

c.井點(diǎn)降水與明溝排水相結(jié)合。

d.設(shè)置止水帷幕，保證工作期間周邊的上層滯水和承壓水進(jìn)入不了工作面。

（2）不排水下沉的實(shí)施方法。

a.抓斗挖土。用吊車吊抓斗挖掘井底中央部分的土，使之形成鍋底。

b.水力機(jī)械沖土。利用高壓水槍的高壓水流在井底沖刷土層，使其形成泥漿匯流至集泥坑，用水力吸泥機(jī)將泥漿抽出。

不排水下沉雖然不用考慮降水，但是我們的沉井內(nèi)徑達(dá)到了28 m，深度也有20 多m，水下的施工難度大，施工質(zhì)量不可控。同時由于有承壓水，水下封底的厚度太厚，加大了沉井的刃腳長度，整體費(fèi)用過高。而排水下沉施工難度要小很多，本單體能否采用排水下沉，關(guān)鍵要看降水措施費(fèi)用及技術(shù)可行性。

排水下沉可以有兩種選擇，井點(diǎn)降水或設(shè)置止水帷幕。噴射井點(diǎn)的降水深度可以達(dá)到20 m，滿足本單體降水要求。如果采用止水帷幕的話，一般的高壓旋噴樁難以達(dá)到滿意的效果，需要采用TRD 工法樁，這種樁的施工深度可以達(dá)到60 m，但是費(fèi)用高。從成本與工期方面來考慮，選用井點(diǎn)降水方案更合適，其工期更短費(fèi)用更低。

結(jié)合本工程地質(zhì)，本項(xiàng)目所在位置土質(zhì)較好，以黏土層為主，土體滲透系數(shù)不大，選用排水下沉更合理。

2.3 重點(diǎn)難點(diǎn)

根據(jù)項(xiàng)目的特點(diǎn)，沉井設(shè)計(jì)中會存在以下重點(diǎn)難點(diǎn)：

（1）作為內(nèi)徑3 m 管道的接收井，其井壁預(yù)留洞直徑達(dá)到了3.86 m，有一層樓那么高，這么大的洞口，加固就是個大問題，根據(jù)《給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求，當(dāng)開孔的直徑或?qū)挾却笥? 000 mm 時，宜對孔口四周加設(shè)肋梁；當(dāng)開孔的直徑或?qū)挾却笥跇?gòu)筑物壁、板計(jì)算跨度的1/4 時，宜對孔口設(shè)置邊梁，梁內(nèi)配筋應(yīng)按計(jì)算確定。故該洞口的加固計(jì)算就是后續(xù)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。同時結(jié)構(gòu)壁厚已經(jīng)達(dá)到了1.5 m，再設(shè)計(jì)邊梁非常影響結(jié)構(gòu)的使用功能。從本質(zhì)上來分析，洞口加固就是為了避免主體結(jié)構(gòu)開洞后出現(xiàn)應(yīng)力集中以及結(jié)構(gòu)剛度削弱引起的一系列問題。應(yīng)特別重視。

（2）結(jié)構(gòu)取土面積達(dá)到了1 000 多個平方。被內(nèi)部十字墻分割成四個250 m2。取土問題也是一個難點(diǎn)。常規(guī)的取土與大鍋底取土工藝均容易引起突沉等安全隱患。將取土區(qū)域劃分為刃腳區(qū)域的外圈和外圈以內(nèi)的內(nèi)圈，下沉過程中，內(nèi)圈井孔取土面積大，取土持續(xù)時間長; 外圈井孔取土面積小，取土?xí)r間短、取土范圍易調(diào)控。形成臺階式取土工藝，外圈井孔泥面始終高于內(nèi)圈井孔，可以防止沉井外土體涌入沉井內(nèi)，有利于保持沉井下沉?xí)r的姿態(tài)穩(wěn)定，所以臺階式的取土工藝更貼合下沉需求。同時還需要考慮取土的順序，取土機(jī)械的設(shè)置，土體的堆放等問題。

結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)是一個糅合多專業(yè)問題的過程，通過質(zhì)量、工期和成本三個方面對比，找出最貼合的方案。概念設(shè)計(jì)過程中，需要以相關(guān)規(guī)范規(guī)程為基礎(chǔ)。羅列出規(guī)程中規(guī)定的計(jì)算項(xiàng)目和設(shè)計(jì)步驟，逐條完成。形成結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)內(nèi)容。是展開一項(xiàng)新的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計(jì)前的必要步驟。

3 結(jié)論

該單體是28 m 內(nèi)徑的巨型沉井, 遠(yuǎn)超我們?nèi)粘５某辆O(shè)計(jì)尺寸，尺寸的變大并不是表面的體量變大，常規(guī)的設(shè)計(jì)思路已經(jīng)不能指導(dǎo)它的設(shè)計(jì)。需要重新對結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)施工可行性進(jìn)行全面的分析。結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)就顯得尤其重要，為下一步的施工圖設(shè)計(jì)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

經(jīng)過以上結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)，我們確定了進(jìn)水泵房的整體設(shè)計(jì)思路以及設(shè)計(jì)中的重難點(diǎn)，平面的布置需要多個專業(yè)參與，需要滿足各專業(yè)的需求才能確定，下沉的方式需要結(jié)合場地、周邊環(huán)境及地勘資料來考慮，通過項(xiàng)目特點(diǎn)找出設(shè)計(jì)和施工中的重點(diǎn)難點(diǎn)，有針對性的指導(dǎo)施工圖的設(shè)計(jì)。有了這些針對性的分析，該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)與施工完成的非常順利，并于2021 年完成竣工驗(yàn)收，目前運(yùn)行正常，中間還經(jīng)歷了幾次暴雨的檢驗(yàn)，出色的完成了它的調(diào)蓄使命。