小河口水庫輸水洞改建加固工程中的沉井設計

陳紅菊

【摘要】小河口水庫興建于1958年，后大壩經加高培厚，輸水洞未進行相應的加固改造，不能保證在設計條件下水庫的安全運行。現淤積嚴重，若要改建，土方開挖量很大，且大斷面開挖會傷及大壩壩體，另由于輸水洞進口位于現狀淤積面以下17m之多，形成的進口漏斗可能坍塌封堵進口，致使無法正常輸水。本文主要從結構設計和施工措施等方面對沉井進行了闡述，對相關工程設計有一定借鑒意見。

【關鍵詞】沉井；輸水洞；淤泥；改建；設計

1、工程概述

小河口水庫輸水洞位于大壩0+190處，進口高程648.4m，進口設斜拉平板閘門，洞身為廊道內鋪設鋼筋砼管，廊道為3.4×3.2m馬蹄形斷面，漿砌石結構，廊道內鋪設φ1.3m鋼筋砼管，長165m，縱坡1/100。由于水庫淤積高程已達665.5m，兩條開啟閘門的鋼絲繩已被淤埋在17m多深的淤泥內，閘門無法啟閉。本次設計擬在進口新建進水塔。通過方案比選，進水塔基礎改建方案采用沉井方案。

2、沉井結構

輸水洞進水塔沉井為3級建筑物，采用C25鋼筋砼結構。沉井內填C15砼實體結構，沉井頂高程665.5m，沉井高21.5m，沉井內徑8m，壁厚1.2m，外徑為10.4m，內設φ1.3m鋼管與原輸水管連接。總高21.5m。從下至上分五節制作，分節下沉，下部四節長度為4.0m，上部一節長度為5.5m，各節間預留鋼筋現澆砼連接，第一節沉井刃腳踏面寬200mm，高1700mm。

2.1 結構計算

2.1.1 沉井穩定計算

設計中對沉井的下沉系數、結構尺寸等分析計算如下。

1 基本資料：

土的濕容重：γ=20KN/m3，土的內摩擦角：φ=25.1°，井壁外側與土層間的單位摩阻力標準值fk=19kPa。

2 穩定計算

計算公式：K=W/∑F；∑F=fkΠDH

式中：K—下沉系數，K≥1.05

W—沉井自重；∑F—沉井井壁外側與土層間的摩阻力；fk—單位摩阻力；D—第一節沉井外徑；H—第一節沉井高度。

K=W/∑F=2854/2483=1.15>1.05滿足規范要求。

2.1.2 沉井結構計算

2、刃腳結構計算

內側按偏心受壓構件計算，外側因軸心壓力很小，按純彎構件計算，計算結果刃腳內外側均實配Φ25@150；環向鋼筋按軸心受拉構件計算，計算結果實配Φ25@150。

3、沉井井壁結構計算

（1）水平鋼筋計算

在下沉過程中井壁的水平內力按不同高度截面閉合圓環計算，并假定在互成90°的兩點處土壤內摩擦角的差值為5°～10°。內力按下式計算：

沉井井壁水平鋼筋按偏心受壓構件計算，計算結果從下至上均為按最小配筋率配筋，水平鋼筋實配Φ20@150。

（2）豎直鋼筋計算

在施工階段，井壁的最大豎向拉斷力按下式計算：，式中 G—沉井下沉時的總重量設計值（KN），自重分項系數取1.2。

沉井井壁豎直鋼筋按軸心受拉構件計算，計算結果為按最小配筋率配筋，豎直鋼筋實配Φ20@150。

2.2 沉井施工

沉井下沉采用排水法施工，為有效減小施工排水難度及排水量，并有效加快施工進度，本次設計在沉井外圍上游及左右兩側5m范圍設φ500mm水泥攪拌樁圍封，樁距0.4m，樁長15m。水泥攪拌樁圍封施工前先利用井點降水降低水位，圍封施工完畢后再進行沉井施工。

沉井采用C25鋼筋砼現澆，分五節制作，分節下沉，下部四節長度為4.0m，上部一節長度為5.5m，各節間預留鋼筋現澆砼連接，第一節沉井刃腳下支承墊木，墊木之間用砂填實。沉井下沉時采用排水法施工，施工時可在沉井與外圍圍封間利用井點降水同時要在井內放潛水泵隨時抽水，降低沉井內的地下水位。井內挖土采用人工裝挖，10t塔式起重機起吊，8t載重汽車將淤泥運至棄料場，并要求各直徑方向對稱均勻取土，土面之間的高差不超過0.5m，沉井下沉必須垂直，如發現有傾斜情形，可在高起的一面多挖淤泥矯正。沉井施工時，要求沉井外壁必須平滑，以減小下沉摩阻力，對于砼的強度也有一定要求，井壁側面不小于設計強度的25%，刀腳側面不小于70%，墊木處不小于100%，達到上述要求時方可拆模，進行下節澆筑。沉井下沉完畢后要求刃腳平均標高與設計標高的偏差不得超過1cm，沉井的水平位移不得超過8cm。

基底最大壓應力大于地基容許承載力可能引起進水塔基礎不均勻沉降，導致塔內輸水管與洞身內的輸水管斷裂，為此必須采取工程措施加以處理。考慮到工程實際情況，如在沉井底部進行基礎處理，一是施工難度較大，二是效果也不盡理想，本次設計考慮到沉井基礎埋深較大，可以利用沉井與周圍土體的摩阻力達到減小基底應力的目的，具體是對沉井外圍土體進行灌漿處理，灌漿處理后可將沉井下沉施工時井壁與與井外填土之間的空隙填塞密實，增大沉井外壁與周圍填土的摩阻力。施工時可在井內鉆孔施工，沉井井壁采用預留孔法施工，具體是在沉井澆筑時在井壁預埋Φ50mm鋼管，鉆孔布置根據沉井尺寸每排設6個孔，排距3.5m、4.0m，共設5排，井外鉆孔孔徑Φ50mm，要求鉆孔伸入井外土體0.5m，灌漿分兩序孔施工，灌漿材料采用水泥漿，灌漿完畢后將孔周圍鑿毛洗凈，以1：3水泥砂漿封口磨平。

3、結語

小河口水庫輸水洞改建加固工程施工已經完成，目前運行狀況良好，可滿足小河口灌區6.53萬畝農田的興利用水量。在今后的設計工作中，應該多積累設計經驗，通過多方案比較，選擇最經濟、合理的建筑物型式，以保證水庫安全、正常的運行。

參考文獻：

[1]中國工程建設標準化協會標準 給水排水工程鋼筋混凝土沉井結構設計規程（CECS137-2002）