沉井結構在大型原水泵房中的應用及研究

李士民，強 健，王 林

［上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092］

0 引 言

在長江中下游地區，長江水是沿江城市的首選飲用水源地。考慮到長江通航安全的要求及長江最枯水位的限制，取水頭部的標高一般會比較低。作為原水泵房，無論是在江堤內還是江堤外，由于其與取水頭部連接的原水管線為重力流管線，因此原水泵房的埋深也會相應比較深，在此情況下，通常會優先選用沉井施工工藝。

與基坑圍護開挖相比，沉井結構的優點主要有以下幾點：（1）沉井土方工程量較小；（2）沉井井壁既可作為地下結構的外殼，同時在下沉過程中還兼作支護外壁，省去開挖支護費用；（3）地下水豐富的地區，沉井施工可采用不排水下沉、水下挖土及水下封底1 等技術，節省降排水費用；（4）構筑物埋深越深，圍護開挖的費用越巨大，沉井的優點越突出。

原水泵房一般由前池、格柵過濾間、吸水井和水泵設備間等幾部分組成，大多數原水泵房還兼具頂管工作井的功能，所以其平面尺寸會比較大。當采用沉井施工時，為便于下沉，泵房的平面形狀一般采用矩形或圓形。圓形沉井受力性能較好，但當井內設備數量較多時，其空間利用率較低，而且井內會根據功能分區來布置數量不等的中隔墻，這些中隔墻使得圓形井壁由純受壓構件變為壓彎構件，從而使井壁受力性能顯著降低。矩形沉井相對來說，空間利用率較高，其井壁可直接作為頂管后靠背使用。在外界水土側壓力的作用下，用于功能分區的中隔墻還可作為壁板支承，有效地減小了井壁厚度。當中隔墻間距較大時，則應考慮增設豎向框架來減小壁板的計算跨度。帶框架（或中隔墻）下沉除了能有效優化壁厚外，還可以減少混凝土二次支模、二次澆筑的工程量，縮短施工周期。本文以安徽省某設計規模為30 萬m3/d 水廠的原水泵房為例，對沉井的下沉階段、水下封底階段、頂管施工階段、使用階段等不同工況下的設計思路進行闡述，為今后類似工程提供借鑒。

1 工程概況

安徽省某新建水廠，設計規模為30 萬m3/d，原水泵房位于廠區內，原水管線以頂管形式穿越長江大堤，一端與原水泵房連接，另一端與取水頭部連接。廠區內現狀地坪為10.00 m，設計地坪為12.00 m，原水管為兩根DN 1 600 鋼管，管中心標高-1.00 m，泵房底板頂標高為-2.60 m。泵房為矩形平面，總尺寸為31.4 m×26.4 m，平面布置見圖1，經方案比選，本泵房擬采用沉井工藝施工，不排水下沉。泵房混凝土強度等級為C30，抗滲等級為S8，封底混凝土為C20。

根據地勘報告，擬建場地的地基巖土層從上至下依次為：（1）填土；（2）粉質黏土；（3）淤泥質粉質黏土；（4）粉質黏土；（5）黏土；（6）粉質黏土混碎礫石；（7）強- 中風化砂礫巖。其中第（3）層土為軟弱土，厚度約11m。所在場地的抗浮設計水位為11.50 m，下沉階段時地下水位為9.50 m。

圖1 原水泵房平面布置圖（單位：mm）

2 沉井結構設計

原水泵房的沉井設計工況根據其施工次序，主要分為四個階段[1]：沉井下沉階段、水下封底階段、頂管施工階段和使用階段。其中在使用階段各構件應進行強度計算和裂縫寬度計算（不大于0.2 mm），其他階段可僅按強度控制。

2.1 沉井下沉階段

在沉井泵房的下沉階段，主要考慮以下幾個方面：沉井下沉系數驗算及下沉穩定驗算；刃腳計算；井壁水平框架計算；豎向框架計算。

根據《給水排水工程鋼筋混凝土沉井結構設計規程》[2]CECS 137：2015（以下簡稱《沉井規程》），為保證沉井能順利下沉，沉井下沉系數kst應滿足不小于1.05。當沉井穿越軟弱土層且下沉系數較大時，尚需進行下沉穩定驗算，以防止突沉。沉井下沉穩定系數kst，s應滿足在0.8～0.9 之間。驗算沉井下沉穩定主要考慮以下時間節點：終沉時穩定；分段下沉時接高穩定；穿越較厚軟弱土層時的穩定。本沉井采用一次下沉方案，并需穿越的較厚的（3）淤泥質粉質黏土層，因此應考慮第一、第三兩種情況下的下沉穩定。除土層力學特性外，沉井的壁厚、刃腳尺寸以及是否分段下沉等因素，均對下沉系數kst 和下沉穩定系數kst,s 有影響，一般需要進行多次試算，選擇最合理的設計方案。本沉井泵房的剖面見圖2。

圖2 沉井剖面圖（單位：mm）

沉井下沉階段，還應對刃腳的內、外側按最不利情況分別進行計算。當沉井開始下沉時，刃腳插入土內，其下部承受較大的正面及側面阻力，而井壁外側土壓力并不大，此時在刃腳內側根部產生最大向外彎曲力矩；當沉井終沉時，刃腳踏面下的土被全部挖空，此時為刃腳向內彎曲的最不利情況，刃腳外側產生最大彎矩。上述兩種情況下的刃腳豎向內力可根據《沉井規程》第6.2.2 條計算，在此不做贅述。沉井刃腳除在豎直方向上可看作為根部嵌固的懸臂梁外，在水平方向上還可看作是一個封閉的水平框架，這兩個方向上的荷載分配系數可根據《沉井規程》第6.3.3 條進行計算。

整個下沉過程中，井外的水土側壓力由相應標高處井壁的水平封閉框架來承擔，終沉時受力為最大。為減小井壁水平封閉框架的計算跨度，本原水泵房結合功能分區，在標高4.1 m、9.5 m 處各設置一道中梁、頂梁，連同底梁、扶壁框架柱、中隔墻一起，形成兩個方向的封閉豎向框架，與沉井一同下沉。沉井的井壁根據埋深可劃分為三個區段：刃腳根部至底板底區段；底板底至井壁變截面區段；井壁變截面至沉井頂區段。每區段井壁按單位截條的水平框架計算，荷載值為本段下端1 m 內的水土側壓力平均值。下沉階段的井壁水平框架計算簡圖見圖3。其中需要注意的是，對于刃腳根部至底板底區段水平框架，由于該段井壁是刃腳按懸臂梁計算時的嵌固端，因此計算水平荷載時除考慮本截條段水土側壓力外，還應附加由刃腳傳來的水平剪力。

圖3 沉井下沉階段井壁水平框架計算簡圖

豎向框架作為水平井壁的支承，承擔了井壁傳來的外側水土荷載。在軟土地區下沉時，由于沉井的自重較大，一旦發生突沉，底梁下的地基所承受的壓力可能達到土的極限承載力，此時底梁所承受的計算反力設計值可取地基土的極限承載力值。豎向框架的計算簡圖見圖4。

圖4 沉井下沉階段豎向框架計算簡圖

2.2 水下封底階段

本沉井為不排水下沉，當沉井沉至設計標高，在澆筑鋼筋混凝土底板之前，要先在水下澆筑混凝土進行封底，并將井內水排干。封底混凝土的厚度由兩個因素決定：封底后的抗浮穩定和封底混凝土的抗彎、抗剪強度。

由于泵房沉井深度較深并且平面尺寸較大，當完成封底并將井內水排空時，若按正常地下水位計算浮力，可能很難滿足沉井的抗浮穩定。考慮到封底后的施工階段屬于短期工況，此時可通過臨時降低井外地下水位來解決抗浮問題，這比單純靠增加壁厚提高沉井自重更經濟合理。考慮到水下封底混凝土的密實性一般會差于常規混凝土，在計算封底混凝土容重時宜進行折減，折減系數可取0.65。

沉井封底后仍可能繼續產生沉降，故沉井自重對封底混凝土會產生向上的凈反力，此為封底混凝土的計算荷載。根據《沉井規程》式6.1.13 可得封底混凝土抗彎所需的厚度。另外，封底混凝土板的邊緣還需進行沖剪驗算。

2.3 頂管施工階段

沉井底板混凝土澆筑完畢后即可進入下一步工序：頂管施工。本工程為矩形沉井，可直接利用沉井井壁作為頂管的后背。頂管管道的最大允許頂力可根據《給水排水工程頂管技術規程》[3]CECS 246:2008 第8.1～8.3 節計算得到。在頂管施工階段，主要考慮以下兩點：（1）井壁在頂管頂進時的強度計算；（2）后背土體的穩定計算。

當頂管頂進時，土的最大抗力可按《沉井規程》第6.3.5 條計算，最大土抗力位于沉井的刃腳底。土抗力與井周土壓力、頂管頂力共同疊加于井壁水平框架，可得到頂管施工階段井壁的內力。

矩形沉井在頂力作用下，后背土體的穩定，可按《沉井規程》第6.3.6 條進行驗算。此時應注意沉井前后土體一般是非單一土層，因此應將各層土的粘聚力c 和內摩擦角φ 進行加權平均后再計算井前的主動土壓力和井后的被動土壓力。

2.4 使用階段

在泵房使用階段，應根據泵房的工藝流程，考慮每個區格是否滿水的各種最不利工況，進行驗算，具體包括以下幾個方面：地基承載力驗算；抗浮穩定驗算；泵房壁板、底板計算；豎向框架計算。

使用階段的地基承載力驗算，應考慮全部豎向荷載，包括泵房上部結構在內的所有構件自重、恒荷載、活荷載、水重等，所得基底反力總值應與經深度修正后的地基土承載力特征值作比較。

在抗浮穩定驗算時，泵房應按最高抗浮設計水位進行驗算。此時泵房自重可將后澆內隔墻重量以及沉井分界線以上部分泵房的重量全部考慮在內。當封底混凝土與底板間有拉結鋼筋時，封底混凝土自重也可作為泵房自重的一部分。

在計算泵房壁板時，已澆筑好的底板可作為外壁板的支承，這與下沉階段的受力狀態有所區別。而泵房內部的中隔墻，則應根據泵房運行階段池內是否有水等實際情況，分別進行各工況下的內力計算。對于泵房底板，其周邊為鉸接，根據豎向荷載產生的底板凈反力，來計算底板內力。需要注意的是，當部分池內滿水而其余池空水時，應考慮由滿水區水重引起的空池區底板凈反力的增加。

在計算豎向框架時，根據泵房池體的區格劃分（見圖1），池Ⅰ、池Ⅱ、池Ⅲ、池Ⅳ存在單格或多格池內滿水或空水的工況，排列組合可分為9 種工況，計算時應分別考慮所有工況下的框架內力并取包絡值，然后進行強度及裂縫計算。由于豎向框架截面尺寸較大，考慮到支座寬度的影響，可對框架支座計算彎矩進行削減，具體的削減方法如下[4]：支座彎矩M支=M1-Qb/3 且M支≥0.7M1，其中M1為支座中心的計算彎矩，Q 為支座邊緣處的剪力，b 為支座寬度。跨中彎矩一般不進行折減。

3 結 語

通過對本原水泵房沉井的設計思路的探討，有以下幾點結論及建議供各位同行參考：

（1）構筑物的外形輪廓是否規則、內部布置是否對稱決定著其能否采用沉井施工工藝。如何結合工藝功能合理布置豎向框架，是大型沉井有效控制壁厚和內力的關鍵步驟。

（2）在軟土地區，沉井的下沉系數與下沉穩定系數是一對相互制約的系數，既要保證沉井能順利下沉，同時還要防止沉井的突沉。當軟弱土層較厚時，還應當在軟弱土層中間適當位置處進行下沉穩定性驗算。

（3）水下封底及頂管施工階段采取臨時降低井外水位的措施，是比較經濟合理的方法，尤其是對于沉井體型較大、埋深較深、實際水位較高時，更為適宜。

（4）對于泵房沉井，在使用階段的設計，應考慮泵房運行期間的實際情況。尤其是當泵房內存在多格水池時，應考慮所有可能出現的工況，并進行包絡設計。