某大型邻堤取水泵房结构选型分析

赵永全 宣锋

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司 200092)

引言

常规取水泵房有两种结构形式，分别为基坑支护开挖和沉井方式。如果采用基坑支护大开挖后浇筑泵房下部结构主体的支护方式，存在支护结构与主体结构交叉作业，以及拆换围护结构支撑等情况，施工相互影响较大；如果采用沉井方式，较大的平面尺寸或较大的平面长宽比将带来下沉稳定性难以控制、地面沉陷较大等问题。

因此在取水泵房结构设计中，针对工程情况和特点，有针对性地选择结构设计方案，是设计人员不可避免的重要问题。本文结合邻近堤坝场地位置的取水泵房工程案例，给出取水泵房设计选型的思路以及注意问题。

1 工程概况

1.1 工程基本情况

拟建取水泵房规模60 万m3/d，自顺德水道(藤溪段)水源保护区处取水，经箱涵穿越堤坝进入取水泵站加压后输送至乐从、龙江水厂，取水泵房位于顺德水道北侧大堤外，现状为鱼塘，取水泵房周边道路标高为3.05m～3.20m，鱼塘底标高约0.00m，取水泵站设计地坪标高为3.50m。

取水泵房南侧为顺德水道堤坝，泵房侧墙距离堤脚线38m；泵房东侧村道对面为藤溪自来水厂，泵房西侧村道对面为鱼塘，泵房北侧为本项目泵站其他建筑。平面布置见图1。

根据工艺专业取水及配泵要求，泵房平面净尺寸62.84m×31.74m，由南侧靠近堤坝侧进水室和水泵泵房两部分组成，水泵泵房侧上部为框架结构。进水室顶板标高最高8.30m，局部顶板标高3.75m 位置承受向上内水压力，底板面标高-6.75m，施工完成后泵房底板面埋深10.25m，自现状地坪标高基坑开挖深度7.95m，基坑底标高-7.95m。见图2。

图1 取水泵站平面布置Fig.1 General Layout of intake pumping station

图2 泵房结构示意Fig.2 Diagram of the intake pumping house

1.2 工程地质条件

泵房范围内土层地勘报告资料显示：①层素填土以粘性土、粗细砂粒等填成，土质结构及竖向分布不均匀，高压缩性，强度低；②2淤泥质土局部为淤泥，夹较多薄层粉砂，高压缩性；②3中砂成分为石英质，砂质较纯，级配不良，含少量淤泥。土层参数见表1。

表1 土层物理力学参数Tab.1 Physical and mechanical parameters of soil layers

1.3 邻堤基坑工程特点

靠近河道的工程场地往往存在较厚的淤泥质土层或沉积砂层。淤泥质土层土质结构不均匀，压缩性高，工程力学性质差，对基坑安全稳定不利；而沉积砂层一般为强透水层，富水性好，在靠近堤坝场地，水位较高，基坑开挖过程中存在较大的涌水冒砂风险。

本工程中堤坝结构为均质土坝，取水泵站河段为南顺第二联围，防洪标准为50年一遇，堤顶高程7.5m，堤顶宽6m，设有混凝土路面，堤身迎水坡坡比约为1∶3，坡脚外滩地宽度约30m，被水坡坡比约1∶2.5，坡脚高程约2.5m。

防汛大堤作为重要的防洪防汛工程设施，其保护等级较高，对于基坑施工过程中可能引起的堤坝位移、沉降、裂缝问题，需要在基坑设计中给以充分考虑，采用对大堤影响较小的结构形式，并设置相应的保护措施，以降低对堤坝的影响。

2 结构选型分析

根据上述构筑物尺寸及埋深情况，结合现场周边环境和地质条件，本工程取水泵房有以下两种结构方案可供选择：沉井式泵房、基坑支护开挖式泵房。

2.1 方案描述

1.沉井式泵房

沉井方案的原理是在地面上预定起沉标高位置，施工制作开口的钢筋混凝土井身及必要的内壁板，待其混凝土强度达到设计要求后，在井内挖土，使井体依靠自身重力克服井壁与土体之间的摩擦阻力，不断下沉至设计标高后，进行混凝土封底处理。本取水泵房沉井方案下沉施工时平面及剖面见图3。

图3 沉井方案布置Fig.3 Diagram of open caisson scheme

沉井方案设计时根据工艺对泵房形式的要求，在下沉施工阶段除外壁板以外，沉井内部进水室和泵房侧的分隔墙也制作完成，以此增加沉井整体刚度。泵房壁板顶标高为3.75m，泵房底板面标高为-6.75m，刃脚底标高为-8.75m，鱼塘清淤处理后场地地坪标高为0.00m，设计起沉标高为-0.50m，共计下沉深度8.25m，考虑采用两次制作两次下沉的施工工艺流程。

第一次制作壁板高度 5.00m，下沉深度4.50m，此阶段结构总重 36350kN，总摩阻力7168kN，排水下沉时下沉系数5.10；不排水下沉时总浮力11630kN，下沉系数3.48，两种下沉方式均满足第一段下沉系数kst≥1.05 的要求。第一阶段下沉到位之后，刃脚及隔墙底部持力层为中砂层，计算下沉稳定系数为0.32，满足下沉稳定计算要求。此时施工第二段壁板，地基极限承载力满足施工阶段荷载要求。

第二段下沉阶段结构总重为67450kN，总摩阻力为27480kN，排水下沉时下沉系数2.46；不排水下沉总浮力23990kN，下沉系数1.58，两种下沉方式均满足下沉系数kst≥1.05 的要求。对刃脚底部采用旋喷加固后，沉井刃脚、隔墙和底梁下地基土的极限承载力之和为53575kN，可计算得到下沉稳定系数0.625，满足《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》(CECS 137—2015)中对于下沉稳定系数kst，s＜1.0 的要求。

根据地勘报告，取水泵房位置标高-2.50m以下为中砂层，透水性较好，因此在沉井方案设计中，距离沉井外壁2.8m 处设置两排18m 长高压旋喷桩φ500@350，起到降低突涌风险、减轻下沉施工过程中周边沉降的作用。泵房南侧距离顺德水道堤坝较近，考虑泵房下沉施工中尽量降低对堤坝的影响，在泵房南侧距离沉井外壁2.5m 位置施打一排16m 长φ800@1000 钻孔灌注桩。泵房施工位置南侧为顺德水道，西侧为鱼塘，周边环境水量较为充沛，充分考虑沉井下沉施工中的稳定性和安全性，本方案设计中采用不排水下沉施工方式。

2.基坑支护开挖式泵房

在泵房四周采用钻孔灌注桩作为基坑支护结构，内支撑体系采用钢管支撑。待基坑支护桩及内支撑达到设计要求后，开挖基坑内土体至设计标高，然后由下至上采用现浇混凝土方式施工泵房主体结构，基坑支护布置见图4。

基坑支护结构采用21m 钻孔灌注桩φ800@1000，内支撑体系采用一道φ609 ×16 钢管支撑，止水帷幕采用15m 三轴水泥土搅拌桩φ850@600。根据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120—2012)，主要对支护结构的受力及变形进行分析，选取典型地质情况及计算剖面，基坑方案按枯水水位取坑期作为边界条件设计，坑顶水位取地面处，坑底底以下0.5m，采用启明星基坑软件计算结果见表2，支护结构最大水平位移为21mm，位移不大，对堤坝的影响较小。

图4 基坑支护方案示意Fig.4 Diagram of foundation pit support

表2 泵房基坑支护结构计算结果Tab.2 Physical and mechanical parameters of soil layers

施工顺序为抽干鱼塘水→整平泵房区域场地标高至0.00m→施工钻孔灌注桩、搅拌桩、泵房工程桩→灌注桩、搅拌桩达到规定龄期检测合格后开挖基坑至-0.85m→浇筑冠梁并安装钢管支撑→开挖至基坑坑底设计标高→施工垫层、底板、壁板→壁板和传力壁柱施工至-1.25m，且强度达到设计强度90%时拆除钢支撑→继续施工上部壁板和顶板。

采用通用有限元软件ABAQUS 对基坑开挖进行模拟，设置围护桩与坑底加固施工分析步和土体开挖施工分析步。计算结果见图5，围护桩最大水平位移36mm，出现于围护桩深度中部靠下位置，堤脚水平位移7.8mm，鱼塘边道路水平位移15mm；堤脚竖向位移2.4mm，鱼塘边道路竖向位移0.9mm。

图5 位移结果Fig.5 Displacement results

在钻孔灌注桩基坑支护开挖方案中，为了消除中砂层液化影响，同时满足泵房抗浮设计要求，泵房采用预应力混凝土管桩基础。针对基坑底部中砂层渗透系数较大，开挖过程中可能出现的突涌冒砂风险，基坑底部采用φ850@600 三轴水泥土搅拌桩满堂加固，搅拌桩长度3m，作为基坑底部的水平止水措施，同时此措施也可提高钻孔灌注桩坑底侧向约束刚度，对钻孔灌注桩受力和位移有利。施工过程中先施工基坑围护钻孔灌注桩和水泥土搅拌桩，搅拌桩施工时预留管桩中心1.2m×1.2m 范围，搅拌桩施工完毕后，再进行管桩施工。

通过两种方案的计算分析可知，两种方案在采取相应的施工措施后均具有可行性。基坑支护方案对堤坝的影响总体可控，沉井方案对堤坝的影响存在较多的不可控因素，存在一定风险。

2.2 方案优缺点比较

两种方案在设计及施工方面的优缺点比较见表3。

表3 方案优缺点比较Tab.3 Advantages and disadvantages of the scheme

2.3 选型分析

沉井和基坑支护开挖两种方案在工程中均有较多的应用，各自设计、施工技术均较为成熟，针对不同的场地环境、地质条件两种方案均有各自的优势和存在的问题，因此需要在具体工程中结合安全、经济、便捷、高效的设计原则，分析选择合理的工程设计方案。

第一：根据《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》中对于长宽比的规定不宜大于2，本工程泵房平面布置中长宽比为1.98，非常接近规范的设计限值，沉井空间刚度相对较弱、沉井的下沉稳定性控制难度较大，下沉过程中容易发生倾斜。

第二：泵房南侧为顺德水道堤坝，泵房下部土层中砂层含水可能与顺德水道内水系相通，若采用沉井方案排水下沉容易引起突涌冒砂，对地面及堤坝沉降变形影响较大，设计方案工程风险大幅增加；同时，采用不排水下沉施工难度将大大增加，水下挖土难以较好地控制均匀性，引起沉井倾斜的风险增大，同时水下封底难度较大。

第三：根据地勘报告资料，泵房下部中砂层为液化土层，不宜作为基础持力层，需采用其他措施消除液化影响或采用桩基础，才能满足设计要求。本工程中采用静压预应力混凝土管桩基础，沉井方案较难实现沉井底板与桩顶的连接，施工难度大，施工质量较难保证。

第四：泵房与现状堤坝距离较近，在沉井施工中需设置周边的高压旋喷桩、钻孔灌注桩作为保护桩，以减轻和降低沉井下沉过程中对堤坝的影响，从而增加了沉井方案的工程造价。

第五：从投资概算的角度，两个方案的投资概算仅相差220 万元，相差不大。

第六：从施工工期角度，沉井方案总工期160 天，基坑支护开挖方案总工期180 天，施工工期相差也不大。

综合以上六点，本工程泵房采用钻孔灌注桩支护开挖方案。

3 结语

通过对大型取水泵房的沉井方案和基坑支护开挖方案进行选型分析，可见在邻近河道堤坝的中砂层中采用沉井方案存在较大的安全风险和施工难度，对施工水平要求较高。采用钻孔灌注桩基坑支护开挖方案，具有较好的基坑侧向刚度，对周边邻近建(构)筑物影响较小，结合坑底水泥土搅拌桩加固，可有效控制基坑开挖施工时坑内水位，避免发生突涌事故，基坑支护开挖方案具有较好的安全性、合理性、经济性。

同时，还需注意的是，基坑支护工程施工过程中应遵照动态设计、信息化施工的原则，进行相应的监测。对可能出现的漏水、涌砂等情况，做好相应的应急措施和预案，在现场安排专人负责并熟悉处理程序，确保基坑和周边建(构)筑物的安全。