某污水處理廠提升泵房沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計淺析

陳劭凱，陳慶豐，吳 剛

(中國市政工程西南設(shè)計研究總院，四川成都610081)

沉井是在地面上制作井筒狀構(gòu)筑物，然后在井內(nèi)取土，使沉井依靠自重及其它輔助措施作用逐漸下沉。沉井下沉到設(shè)計高程后再進行封底、澆筑底板及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。在給水排水工程中沉井結(jié)構(gòu)被大量使用，主要用于提升泵房、頂管工作井和接收井等。

1 工程概況

擬建工程為昆明市滇池南岸某污水處理廠粗格柵提升泵房。工程抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計地震分組為第二組，設(shè)計基本地震加速度為0.20 g;建筑場地為III類;特征周期為0.55 s;建筑抗震設(shè)防類別為乙類;地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為乙級。其中提升泵房地下部分采用鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)。池體平面為矩形，長21.4m，寬13.75m，底板埋深12.5m;地上部分為單層框架結(jié)構(gòu)。

2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)《巖土工程勘察報告》，粗格柵提升泵房的主要地層分布自上而下有:粉質(zhì)黏土層、淤泥層、淤泥質(zhì)黏土層和粉土層。地下水位約位于場坪高程下1.2m處。各土層分布情況詳見表1。

表1 地質(zhì)狀況

由地勘報告可以看出，場地內(nèi)地質(zhì)條件復雜，沉井深度范圍內(nèi)有較厚的軟弱地層分布。

3 沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計

沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)包含沉井幾何尺寸確定及驗算;下沉及下沉穩(wěn)定性驗算;抗浮驗算;地基承載力驗算;施工及使用階段結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析及截面強度計算。幾何尺寸的確定首先由工藝專業(yè)根據(jù)其需要確定總尺寸，再由結(jié)構(gòu)專業(yè)根據(jù)工程地質(zhì)條件確定井壁及內(nèi)隔墻厚度，以保證沉井具有足夠的強度和剛度，并能在自重作用下克服井壁摩阻力順利下沉到設(shè)計高程。整個計算過程需反復驗算并確定幾何尺寸及配筋才能最終完成。

本工程根據(jù)工藝所提出的條件，經(jīng)過多次試算確定結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

設(shè)計采用排水下沉方法施工。

平面圖

3.1 沉井下沉系數(shù)

根據(jù)《給水排水工程鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》(CECS 137:2002)第6.1.2條，沉井下沉系數(shù)應(yīng)符合下式要求:kst=(Gk-Ffw，k)/F式中:沉井自重標準值Gk=32 893 kN;地下水的浮托力 Ffw，k=0 kN(排水下沉);加權(quán)平均摩阻力fk=14.22 kPa;井壁總摩阻力標準值Ffk=12 276 kN;下沉系數(shù) kst=2.68≥1.05，滿足下沉要求，但是 kst≥1.20，應(yīng)驗算下沉穩(wěn)定性。

3.2 下沉穩(wěn)定性驗算

根據(jù)《給水排水工程鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》(CECS 137:2002)中6.1.3條，沉井下沉穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)滿足:

圖1 沉井結(jié)構(gòu)

沉井刃腳、隔墻和底梁下地基土極限承載力之和Rb=16 035.6 kN

不能滿足下沉穩(wěn)定性要求。

由于沉井刃腳底是以淤泥質(zhì)黏土層為持力層，其極限承載力較低，不能滿足沉井下沉穩(wěn)定性的要求，而淤泥質(zhì)黏土層下面的粉土層具有較高的承載力，所以考慮在刃腳和封底混凝土下面做水泥攪拌樁復合地基，提高淤泥質(zhì)黏土層的地基極限承載力。

設(shè)計采用直徑為0.5m的水泥攪拌樁，樁間距為1.2m，面積置換率m=0.134，樁長為4m。

單樁極限承載力Ra=144 kN

復合地基承載力為

極限承載力為fsp=200 kPa

則Rb=26 726 kN

下沉穩(wěn)定性系數(shù)

滿足下沉穩(wěn)定性要求。

3.3 使用階段抗浮驗算

根據(jù)《給水排水工程鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》(CECS 137:2002)中第6.1.4條，在使用階段結(jié)構(gòu)自重標準值為Gk=56 004 kN

總浮力:Fbfw，k=40 548 kN

抗浮安全系數(shù):kfw=Gk/Fbfw，k=1.38＞1.0

滿足抗浮穩(wěn)定性要求。

3.4 使用階段地基承載力驗算

結(jié)構(gòu)總重:G=46 187 kN

封底混凝土重:G2=14 303 kN

池內(nèi)水重:G=24 447 kN

結(jié)構(gòu)總重:G=G1+G2+Gw=84 937 kN

底板反力:qk=84 937/(13.75×21.4)=288.6 kPa

修正后地基承載力特征值為fa=292.59 kPa＞288.6 kPa，滿足地基承載力要求。

3.5 內(nèi)力分析及截面強度計算

在沉井下沉至設(shè)計高程后，鋼筋混凝土底板澆筑前，作用于井壁上的外側(cè)水土壓力產(chǎn)生的水平內(nèi)力最大。沉井刃腳在井壁外側(cè)水土壓力作用下，會產(chǎn)生較大彎矩，此時可將井壁視為水平封閉框架結(jié)構(gòu)。分別計算井壁各段的線剛度與在水土壓力作用下產(chǎn)生的彎矩，并將彎矩按照線剛度分配并達到彎矩平衡，然后根據(jù)井壁各段的支座及跨中彎矩進行配筋計算。還應(yīng)計算使用階段沉井內(nèi)各分格滿水或全空等工況下井壁及內(nèi)隔墻彎矩，并按照線剛度進行分配后進行配筋計算。沉井底板與井壁連接可視為鉸支座，將底板按照長寬比分為單向板和雙向板進行配筋計算。底板承受的荷載主要為底板最大凈反力。

4 結(jié)論和建議

沉井結(jié)構(gòu)因其安全可靠，對周圍建構(gòu)筑物影響小，施工場地小，施工工藝成熟，適用于軟弱地基，無需深基坑支護，取土量少，降低工程投資而得到了廣泛應(yīng)用。對于給排水構(gòu)筑物的沉井結(jié)構(gòu)還需注意:(1)井壁及底板配筋計算應(yīng)同時滿足裂縫寬度要求和承載力要求。(2)為了避免底板和井壁連接處漏水，應(yīng)在連接處布置一圈鋼板止水帶或緩膨脹止水條。(3)沉井施工過程中應(yīng)做好監(jiān)測工作和應(yīng)急措施。避免出現(xiàn)井筒開裂、歪斜、下沉過快、瞬間突沉、沉井懸掛、超沉和欠沉等工程事故。

［1］ CECS 137:2002給水排水工程鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程［S］

［2］ JGJ 79－2002建筑地基基礎(chǔ)處理技術(shù)規(guī)范［S］

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