小河口水库输水洞改建加固工程中的沉井设计

陈红菊

【摘要】小河口水库兴建于1958年，后大坝经加高培厚，输水洞未进行相应的加固改造，不能保证在设计条件下水库的安全运行。现淤积严重，若要改建，土方開挖量很大，且大断面开挖会伤及大坝坝体，另由于输水洞进口位于现状淤积面以下17m之多，形成的进口漏斗可能坍塌封堵进口，致使无法正常输水。本文主要从结构设计和施工措施等方面对沉井进行了阐述，对相关工程设计有一定借鉴意见。

【关键词】沉井；输水洞；淤泥；改建；设计

1、工程概述

小河口水库输水洞位于大坝0+190处，进口高程648.4m，进口设斜拉平板闸门，洞身为廊道内铺设钢筋砼管，廊道为3.4×3.2m马蹄形断面，浆砌石结构，廊道内铺设φ1.3m钢筋砼管，长165m，纵坡1/100。由于水库淤积高程已达665.5m，两条开启闸门的钢丝绳已被淤埋在17m多深的淤泥内，闸门无法启闭。本次设计拟在进口新建进水塔。通过方案比选，进水塔基础改建方案采用沉井方案。

2、沉井结构

输水洞进水塔沉井为3级建筑物，采用C25钢筋砼结构。沉井内填C15砼实体结构，沉井顶高程665.5m，沉井高21.5m，沉井内径8m，壁厚1.2m，外径为10.4m，内设φ1.3m钢管与原输水管连接。总高21.5m。从下至上分五节制作，分节下沉，下部四节长度为4.0m，上部一节长度为5.5m，各节间预留钢筋现浇砼连接，第一节沉井刃脚踏面宽200mm，高1700mm。

2.1 结构计算

2.1.1 沉井稳定计算

设计中对沉井的下沉系数、结构尺寸等分析计算如下。

1 基本资料：

土的湿容重：γ=20KN/m3，土的内摩擦角：φ=25.1°，井壁外侧与土层间的单位摩阻力标准值fk=19kPa。

2 稳定计算

计算公式：K=W/∑F；∑F=fkΠDH

式中：K—下沉系数，K≥1.05

W—沉井自重；∑F—沉井井壁外侧与土层间的摩阻力；fk—单位摩阻力；D—第一节沉井外径；H—第一节沉井高度。

K=W/∑F=2854/2483=1.15>1.05满足规范要求。

2.1.2 沉井结构计算

2、刃脚结构计算

内侧按偏心受压构件计算，外侧因轴心压力很小，按纯弯构件计算，计算结果刃脚内外侧均实配Φ25@150；环向钢筋按轴心受拉构件计算，计算结果实配Φ25@150。

3、沉井井壁结构计算

（1）水平钢筋计算

在下沉过程中井壁的水平内力按不同高度截面闭合圆环计算，并假定在互成90°的两点处土壤内摩擦角的差值为5°～10°。内力按下式计算：

沉井井壁水平钢筋按偏心受压构件计算，计算结果从下至上均为按最小配筋率配筋，水平钢筋实配Φ20@150。

（2）竖直钢筋计算

在施工阶段，井壁的最大竖向拉断力按下式计算：，式中 G—沉井下沉时的总重量设计值（KN），自重分项系数取1.2。

沉井井壁竖直钢筋按轴心受拉构件计算，计算结果为按最小配筋率配筋，竖直钢筋实配Φ20@150。

2.2 沉井施工

沉井下沉采用排水法施工，为有效减小施工排水难度及排水量，并有效加快施工进度，本次设计在沉井外围上游及左右两侧5m范围设φ500mm水泥搅拌桩围封，桩距0.4m，桩长15m。水泥搅拌桩围封施工前先利用井点降水降低水位，围封施工完毕后再进行沉井施工。

沉井采用C25钢筋砼现浇，分五节制作，分节下沉，下部四节长度为4.0m，上部一节长度为5.5m，各节间预留钢筋现浇砼连接，第一节沉井刃脚下支承垫木，垫木之间用砂填实。沉井下沉时采用排水法施工，施工时可在沉井与外围围封间利用井点降水同时要在井内放潜水泵随时抽水，降低沉井内的地下水位。井内挖土采用人工装挖，10t塔式起重机起吊，8t载重汽车将淤泥运至弃料场，并要求各直径方向对称均匀取土，土面之间的高差不超过0.5m，沉井下沉必须垂直，如发现有倾斜情形，可在高起的一面多挖淤泥矫正。沉井施工时，要求沉井外壁必须平滑，以减小下沉摩阻力，对于砼的强度也有一定要求，井壁侧面不小于设计强度的25%，刀脚侧面不小于70%，垫木处不小于100%，达到上述要求时方可拆模，进行下节浇筑。沉井下沉完毕后要求刃脚平均标高与设计标高的偏差不得超过1cm，沉井的水平位移不得超过8cm。

基底最大压应力大于地基容许承载力可能引起进水塔基础不均匀沉降，导致塔内输水管与洞身内的输水管断裂，为此必须采取工程措施加以处理。考虑到工程实际情况，如在沉井底部进行基础处理，一是施工难度较大，二是效果也不尽理想，本次设计考虑到沉井基础埋深较大，可以利用沉井与周围土体的摩阻力达到减小基底应力的目的，具体是对沉井外围土体进行灌浆处理，灌浆处理后可将沉井下沉施工时井壁与与井外填土之间的空隙填塞密实，增大沉井外壁与周围填土的摩阻力。施工时可在井内钻孔施工，沉井井壁采用预留孔法施工，具体是在沉井浇筑时在井壁预埋Φ50mm钢管，钻孔布置根据沉井尺寸每排设6个孔，排距3.5m、4.0m，共设5排，井外钻孔孔径Φ50mm，要求钻孔伸入井外土体0.5m，灌浆分两序孔施工，灌浆材料采用水泥浆，灌浆完毕后将孔周围凿毛洗净，以1：3水泥砂浆封口磨平。

3、结语

小河口水库输水洞改建加固工程施工已经完成，目前运行状况良好，可满足小河口灌区6.53万亩农田的兴利用水量。在今后的设计工作中，应该多积累设计经验，通过多方案比较，选择最经济、合理的建筑物型式，以保证水库安全、正常的运行。

参考文献：

[1]中国工程建设标准化协会标准 给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程（CECS137-2002）