某取水泵站工程沉井結構設計與分析

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構設計與分析

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，結合工程地質、沉井結構特點以及周邊環境情況，闡述了沉井結構設計要點和采取的施工環境保護措施，對類似工程具有一定的借鑒意義。

沉井結構；下沉穩定性；抗浮驗算；結構設計

0 引言

沉井是一種在地面制作、通過取除井內土體的方法使之沉到地下某一深度的井體結構。沉井施工方法是構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，沉井結構經常用于泵房、頂管井以及底板較深結構規則的池體[1]。

沉井結構有著眾多優點，可以減少基坑土方的開挖量，不需要設置基坑支護；同時，沉井結構可以作為構筑物永久受力結構。對于地下水豐富的地質情況，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境的影響。

本文結合實際工程特點，著重介紹大型沉井的合理化結構設計分析、沉井周邊環境保護措施等。

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澆鋼筋混凝土結構，沉井施工方式。結構平面尺寸為17.5 m×42.4 m；現狀地坪標高為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 沉井平面結構圖（單位：mm）

2 工程地質條件

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

擬建構筑物處地質土層描述見表1。其中：（2）層黏土層為軟塑態；（3）層淤泥層為流塑態，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 沉井結構設計

該工程沉井設計及施工過程存在以下難點：

（1）沉井結構尺寸大，長度達到42.4 m，且長寬比大于2。合理地進行結構分隔，增強結構整體性，對于結構受力計算和施工沉井下沉穩定性有著重要影響。沉井結構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）沉井施工地質環境較為復雜，需要穿越（3）層淤泥質軟弱土層，如處理不妥，可能出現沉井下沉過快甚至突沉的情況；同時，淤泥質土開挖時，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 沉井剖面結構圖（單位：mm）

表1 土層參數表

（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。合理設計施工工序和環境保護措施可以減少沉井施工過程中對周邊環境的影響。

針對以上工程特點，本文著重闡述結構合理化設計、下沉計算以及環境保護措施等方面。

3.1 結構設計基本原則

（1）結構尺寸的確定：吸水井結構尺寸根據工藝專業功能確定最小凈尺寸；同時，結構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、隔板的厚度根據沉井設計整體穩定系數以及結構受力、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 沉井下沉穩定性驗算

根據《給水排水工鋼筋混凝土沉井結構設計規程》（CECS 137：2015），沉井下沉系數應滿足下列公式要求[2]：

式中：kst為下沉系數；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。

經計算，Gik=63 455 kN，Ffw，k=0 kPa（排水下沉），Ffk=21 941 kPa，kst=2.89＞1.2。

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

式中：kst,s為下沉穩定系數；F’fw，k為驗算狀態下浮托力標準值；F’fk為驗算狀態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。

經計算，Rb=56 612 kN，kst,s=0.81，符合下沉穩定性要求。

由于下沉系數大于1.5，不另計算井壁豎向抗拉工況[3]。

3.3 沉井結構計算

沉井結構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，沉井結構處于受力最不利情況。從結構設計合理性、經濟性考慮，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，本文以池壁底部結構計算為例，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。該工程結構體系較為復雜，采用理正結構設計工具箱進行水平框架計算，構件尺寸和荷載如圖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

沉井首節結構制作時，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成，即沉井結構自重、沉井頂板覆土重、沉井內水重、沉井上部允許活荷載值。經計算，地基反力值為250.6 kPa。沉井底板位于（7）層黏土層，經計算，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范要求。

用于抗浮驗算的荷載值主要由兩部分構成，即沉井結構自重和頂板覆土重。經計算，抗浮系數K=G/F=77 266/71 232=1.08＞1.05，故抗浮系數滿足設計規范要求。

3.4 沉井施工環境保護措施

目前，沉井施工已經順利完成，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，減少降水對周邊環境的影響；同時，泵房建造處地基土并未經受擾動。

4 結論

沉井結構因占地面積小、下沉施工工藝成熟、在采取合理保護措施后對周邊環境影響小等特點而得到廣泛的應用。尤其對于工程地質條件較差，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濟性和周期性。

該工程對于軟土地質條件的大體積沉井工程設計有一定參考價值。進一步總結如下：

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

（2）沉井周圍止水帷幕的設置可以很好地避免土體涌入，減少對周邊環境的影響。

[1]葛春暉.鋼筋混凝土沉井結構設計施工手冊[M].北京：中國建筑工業出版社,2004.

[2]CECS137：2015，給水排水工程鋼筋混凝土沉井結構設計規程[S].

[3]給水排水工程結構設計手冊編委會.給水排水工程結構設計手冊（第二版）[M].北京：中國建筑工業出版社,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，從事市政工程結構設計工作。