某取水泵站工程沉井结构设计与分析

李玉磊

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司,上海市 200092）

某取水泵站工程沉井结构设计与分析

李玉磊

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司,上海市 200092）

以某取水泵站沉井为例，结合工程地质、沉井结构特点以及周边环境情况，阐述了沉井结构设计要点和采取的施工环境保护措施，对类似工程具有一定的借鉴意义。

沉井结构；下沉稳定性；抗浮验算；结构设计

0 引言

沉井是一种在地面制作、通过取除井内土体的方法使之沉到地下某一深度的井体结构。沉井施工方法是构筑物或深基础工程特殊而重要的施工方法。在给排水工程中，沉井结构经常用于泵房、顶管井以及底板较深结构规则的池体[1]。

沉井结构有着众多优点，可以减少基坑土方的开挖量，不需要设置基坑支护；同时，沉井结构可以作为构筑物永久受力结构。对于地下水丰富的地质情况，不排水下沉的施工方法可以解决降水困难的问题，也可以减少降水对周边环境的影响。

本文结合实际工程特点，着重介绍大型沉井的合理化结构设计分析、沉井周边环境保护措施等。

1 工程概况

某工程位于江苏省连云港市蔷薇河河道北岸，新建取水泵站规模为70万t/d，主要包括吸水井、输入泵房、取水头部以及其他附属构筑物。该工程抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10 g，抗震设防烈度为乙类，按8度采取抗震措施；设计地震分组为第三组，场地为Ⅲ类，特征周期为0.65 s。地基基础设计等级为乙级。

该工程吸水井采用现浇钢筋混凝土结构，沉井施工方式。结构平面尺寸为17.5 m×42.4 m；现状地坪标高为3.00 m（黄海85高程），底板顶标高为-8.90 m。

沉井平面、剖面如图1、图2所示。

图1 沉井平面结构图（单位：mm）

2 工程地质条件

根据该工程的地质勘察报告，拟建场地为海积平原地貌单元。在干湿交替作用条件下，地下水对混凝土结构具有微腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具中腐蚀性。

拟建构筑物处地质土层描述见表1。其中：（2）层黏土层为软塑态；（3）层淤泥层为流塑态，且承载力特征值为60 kPa和40 kPa，属于软弱土层；（8）层粉砂层为透水层。

3 沉井结构设计

该工程沉井设计及施工过程存在以下难点：

（1）沉井结构尺寸大，长度达到42.4 m，且长宽比大于2。合理地进行结构分隔，增强结构整体性，对于结构受力计算和施工沉井下沉稳定性有着重要影响。沉井结构布置亦应满足原水管道顶管施工需求，即作为顶管工作井的需求。

（2）沉井施工地质环境较为复杂，需要穿越（3）层淤泥质软弱土层，如处理不妥，可能出现沉井下沉过快甚至突沉的情况；同时，淤泥质土开挖时，容易造成土体涌入，引起周边地面沉降增加情况。在穿越（8）层粉砂透水层时，刃脚底部开挖可能引起局部土体塌陷，且不易于降水。

图2 沉井剖面结构图（单位：mm）

表1 土层参数表

（3）沉井位于拟建泵房周边存在拟建输水泵房，两者之间最小距离仅为10 m，小于沉井下沉深度，位于沉井施工沉降影响范围内。合理设计施工工序和环境保护措施可以减少沉井施工过程中对周边环境的影响。

针对以上工程特点，本文着重阐述结构合理化设计、下沉计算以及环境保护措施等方面。

3.1 结构设计基本原则

（1）结构尺寸的确定：吸水井结构尺寸根据工艺专业功能确定最小净尺寸；同时，结构尺寸应满足顶管施工最小尺寸要求。

（2）沉井隔墙分隔原则：沉井长度、宽度均较大，且长宽比超过2，为保证沉井具有足够的强度及刚度，长度方向设置3道隔墙、宽度方向设置1道隔墙。为保证顶管施工空间要求，宽度方向的隔墙设置便于顶管机通过的洞口，洞口采取加固措施。

（3）沉井壁板、隔板的厚度根据沉井设计整体稳定系数以及结构受力、裂缝控制等要求确定。

（4）混凝土等级为C40、P8（S8），钢筋等级为HRB400。

3.2 沉井下沉稳定性验算

根据《给水排水工钢筋混凝土沉井结构设计规程》（CECS 137：2015），沉井下沉系数应满足下列公式要求[2]：

式中：kst为下沉系数；Gik为沉井自重标准值；Ffw，k为浮托力标准值；Ffk为井壁摩阻力标注值。

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

下沉系数较大，沉井下沉过程中存在软弱土层，应进一步验算下沉稳定系数，应满足下列公式要求：

式中：kst,s为下沉稳定系数；F’fw，k为验算状态下浮托力标准值；F’fk为验算状态下井壁摩阻力标注值；Rb为刃脚、隔墙下地基土的极限承载力之和。

沉井刃脚标高为-12.4 m，进入（8）层粉砂层约0.3 m，极限承载力值按上层土承载力特征值两倍取值，即为320 kPa。

经计算，Rb=56 612 kN，kst,s=0.81，符合下沉稳定性要求。

由于下沉系数大于1.5，不另计算井壁竖向抗拉工况[3]。

3.3 沉井结构计算

沉井结构计算包括施工阶段强度计算、使用阶段强度和裂缝计算、地基承载力和抗浮验算。

3.3.1 沉井壁板

沉井下沉至设计标高、底板还未浇筑前，沉井结构处于受力最不利情况。从结构设计合理性、经济性考虑，沉井沿竖向分为三段进行计算分析，即刃脚、池壁底部、池壁变厚处。限于篇幅，本文以池壁底部结构计算为例，阐述其设计分析过程。

沉井井壁可以视为水平封闭框架，一般可采用公式法和弯矩分配法。该工程结构体系较为复杂，采用理正结构设计工具箱进行水平框架计算，构件尺寸和荷载如图3所示。

图3 沉井水平框架计算简图

其中，该沉井段荷载由水土荷载和刃脚水平剪力组成。经计算，两部分荷载分别为142.9 kN和199.5 kN，故计算荷载取350 kN。弯矩计算结果如图4所示。

图4 沉井水平框架弯矩设计值

其中，角部最大弯矩设计值为4 066.6 kN·m，跨中最大弯矩设计值为2 170 kN·m。由于壁板厚度较大，考虑角部设计弯矩值进行折减，即

式中：ΔM为弯矩折减值；Q为角部边缘剪力；b为壁板宽度。

经计算，角度最大弯矩设计值为3 250 kN·m。

考虑沉井为永久工作井，且有渗水控制要求，故综合考虑按照最大弯矩设计值计算强度配筋，按照最大弯矩标准值计算裂缝配筋，取两者计算配筋较大值。该工程中，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

沉井首节结构制作时，应在底板处预留凹槽并预留插筋。底板浇筑完成后，底板可视为与壁板铰接，按照双向板进行强度及裂缝计算。底板荷载主要为浮托力或底板净反力较大值。

经计算，底板最大跨中弯矩设计值为840.5 kN·m，上层控制配筋为25@100。

3.3.3 地基承载力和抗浮验算。

该工程中，沉井的地基反力值主要由四部分构成，即沉井结构自重、沉井顶板覆土重、沉井内水重、沉井上部允许活荷载值。经计算，地基反力值为250.6 kPa。沉井底板位于（7）层黏土层，经计算，其修正后的承载力值为320 kPa＞250.6 kPa，故地基承载力满足设计规范要求。

用于抗浮验算的荷载值主要由两部分构成，即沉井结构自重和顶板覆土重。经计算，抗浮系数K=G/F=77 266/71 232=1.08＞1.05，故抗浮系数满足设计规范要求。

3.4 沉井施工环境保护措施

目前，沉井施工已经顺利完成，施工工期约为6个月，周边地面沉降最大仅为50 mm。事实表明，止水帷幕可以防止沉井下沉时大量土体的涌入，减少降水对周边环境的影响；同时，泵房建造处地基土并未经受扰动。

4 结论

沉井结构因占地面积小、下沉施工工艺成熟、在采取合理保护措施后对周边环境影响小等特点而得到广泛的应用。尤其对于工程地质条件较差，不利于采取支护措施的工程情况，沉井施工往往有着较好的经济性和周期性。

该工程对于软土地质条件的大体积沉井工程设计有一定参考价值。进一步总结如下：

（1）沉井平面尺寸较大，隔墙的合理设置至关重要，有利于结构受力计算以及下沉的稳定性。

（2）沉井周围止水帷幕的设置可以很好地避免土体涌入，减少对周边环境的影响。

[1]葛春晖.钢筋混凝土沉井结构设计施工手册[M].北京：中国建筑工业出版社,2004.

[2]CECS137：2015，给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程[S].

[3]给水排水工程结构设计手册编委会.给水排水工程结构设计手册（第二版）[M].北京：中国建筑工业出版社,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，黑龙江牡丹江人，工程师，从事市政工程结构设计工作。