某污水處理廠提升泵房沉井結構設計淺析

陳劭凱，陳慶豐，吳 剛

(中國市政工程西南設計研究總院，四川成都610081)

沉井是在地面上制作井筒狀構筑物，然后在井內取土，使沉井依靠自重及其它輔助措施作用逐漸下沉。沉井下沉到設計高程后再進行封底、澆筑底板及內部結構。在給水排水工程中沉井結構被大量使用，主要用于提升泵房、頂管工作井和接收井等。

1 工程概況

擬建工程為昆明市滇池南岸某污水處理廠粗格柵提升泵房。工程抗震設防烈度為8度，設計地震分組為第二組，設計基本地震加速度為0.20 g;建筑場地為III類;特征周期為0.55 s;建筑抗震設防類別為乙類;地基基礎設計等級為乙級。其中提升泵房地下部分采用鋼筋混凝土沉井結構。池體平面為矩形，長21.4m，寬13.75m，底板埋深12.5m;地上部分為單層框架結構。

2 工程地質條件

根據《巖土工程勘察報告》，粗格柵提升泵房的主要地層分布自上而下有:粉質黏土層、淤泥層、淤泥質黏土層和粉土層。地下水位約位于場坪高程下1.2m處。各土層分布情況詳見表1。

表1 地質狀況

由地勘報告可以看出，場地內地質條件復雜，沉井深度范圍內有較厚的軟弱地層分布。

3 沉井結構設計

沉井結構設計應包含沉井幾何尺寸確定及驗算;下沉及下沉穩定性驗算;抗浮驗算;地基承載力驗算;施工及使用階段結構內力分析及截面強度計算。幾何尺寸的確定首先由工藝專業根據其需要確定總尺寸，再由結構專業根據工程地質條件確定井壁及內隔墻厚度，以保證沉井具有足夠的強度和剛度，并能在自重作用下克服井壁摩阻力順利下沉到設計高程。整個計算過程需反復驗算并確定幾何尺寸及配筋才能最終完成。

本工程根據工藝所提出的條件，經過多次試算確定結構布置如圖1所示。

設計采用排水下沉方法施工。

平面圖

3.1 沉井下沉系數

根據《給水排水工程鋼筋混凝土沉井結構設計規程》(CECS 137:2002)第6.1.2條，沉井下沉系數應符合下式要求:kst=(Gk-Ffw，k)/F式中:沉井自重標準值Gk=32 893 kN;地下水的浮托力 Ffw，k=0 kN(排水下沉);加權平均摩阻力fk=14.22 kPa;井壁總摩阻力標準值Ffk=12 276 kN;下沉系數 kst=2.68≥1.05，滿足下沉要求，但是 kst≥1.20，應驗算下沉穩定性。

3.2 下沉穩定性驗算

根據《給水排水工程鋼筋混凝土沉井結構設計規程》(CECS 137:2002)中6.1.3條，沉井下沉穩定系數應滿足:

圖1 沉井結構

沉井刃腳、隔墻和底梁下地基土極限承載力之和Rb=16 035.6 kN

不能滿足下沉穩定性要求。

由于沉井刃腳底是以淤泥質黏土層為持力層，其極限承載力較低，不能滿足沉井下沉穩定性的要求，而淤泥質黏土層下面的粉土層具有較高的承載力，所以考慮在刃腳和封底混凝土下面做水泥攪拌樁復合地基，提高淤泥質黏土層的地基極限承載力。

設計采用直徑為0.5m的水泥攪拌樁，樁間距為1.2m，面積置換率m=0.134，樁長為4m。

單樁極限承載力Ra=144 kN

復合地基承載力為

極限承載力為fsp=200 kPa

則Rb=26 726 kN

下沉穩定性系數

滿足下沉穩定性要求。

3.3 使用階段抗浮驗算

根據《給水排水工程鋼筋混凝土沉井結構設計規程》(CECS 137:2002)中第6.1.4條，在使用階段結構自重標準值為Gk=56 004 kN

總浮力:Fbfw，k=40 548 kN

抗浮安全系數:kfw=Gk/Fbfw，k=1.38＞1.0

滿足抗浮穩定性要求。

3.4 使用階段地基承載力驗算

結構總重:G=46 187 kN

封底混凝土重:G2=14 303 kN

池內水重:G=24 447 kN

結構總重:G=G1+G2+Gw=84 937 kN

底板反力:qk=84 937/(13.75×21.4)=288.6 kPa

修正后地基承載力特征值為fa=292.59 kPa＞288.6 kPa，滿足地基承載力要求。

3.5 內力分析及截面強度計算

在沉井下沉至設計高程后，鋼筋混凝土底板澆筑前，作用于井壁上的外側水土壓力產生的水平內力最大。沉井刃腳在井壁外側水土壓力作用下，會產生較大彎矩，此時可將井壁視為水平封閉框架結構。分別計算井壁各段的線剛度與在水土壓力作用下產生的彎矩，并將彎矩按照線剛度分配并達到彎矩平衡，然后根據井壁各段的支座及跨中彎矩進行配筋計算。還應計算使用階段沉井內各分格滿水或全空等工況下井壁及內隔墻彎矩，并按照線剛度進行分配后進行配筋計算。沉井底板與井壁連接可視為鉸支座，將底板按照長寬比分為單向板和雙向板進行配筋計算。底板承受的荷載主要為底板最大凈反力。

4 結論和建議

沉井結構因其安全可靠，對周圍建構筑物影響小，施工場地小，施工工藝成熟，適用于軟弱地基，無需深基坑支護，取土量少，降低工程投資而得到了廣泛應用。對于給排水構筑物的沉井結構還需注意:(1)井壁及底板配筋計算應同時滿足裂縫寬度要求和承載力要求。(2)為了避免底板和井壁連接處漏水，應在連接處布置一圈鋼板止水帶或緩膨脹止水條。(3)沉井施工過程中應做好監測工作和應急措施。避免出現井筒開裂、歪斜、下沉過快、瞬間突沉、沉井懸掛、超沉和欠沉等工程事故。

［1］ CECS 137:2002給水排水工程鋼筋混凝土沉井結構設計規程［S］

［2］ JGJ 79－2002建筑地基基礎處理技術規范［S］

［3］ 葛春輝．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