關于沉井在大管徑輸水管工程中的結構計算——以廈門市石兜水庫輸水管工程為例

■范 靜 ■中國市政工程西南設計研究總院有限公司廈門分院，福建 廈門 361012

1 工程概況

石兜水庫輸水管工程是廈門市重要的引水工程，該工程自石兜水庫開通輸水隧洞，穿越山嶺后至324國道與新孫坂路交匯處，再沿新孫坂路、海翔大道、田集高速公路連接線最終進入集美大池，全段管道總長約15km，管徑從DN2400～DN1600。管線穿越現狀道路、鐵路、溝渠、集美大學校園等段采用頂管法施工，全線共有11處頂管，沉井共29座，其中工作井17座，接收井12座，沉井高度7.81～12.15m。沉井結構為鋼筋混凝土結構，混凝土等級為C30，抗滲等級S8，水下封底混凝土C20。

2 場地水文及工程地質資料

沉井的設計計算之前，需探明沉井周邊外一定范圍內土層以及地下水位的詳細情況，掌握土的物理力學指標等水文及工程地質資料。

本工程沉井處勘探深度范圍內地基土主要由素填土②、淤泥③、粉質粘土⑥、殘積砂質粘性土⑩、全風化花崗巖⑾組成。除素填土②的透水性相對較好，其余土層均屬弱～微透水、弱含水層或相對隔水層，富水性差。地下水對砼結構具微腐蝕性;對鋼筋砼結構中鋼筋在長期浸水狀態下具微腐蝕性，在干濕交替狀下具弱腐蝕性。

3 施工方法選擇

沉井的施工方法對沉井的設計計算有著直接的關系，應根據場地的工程地質及水文地質資料，結合施工條件決定。

(1)排水下沉:當地下水位不高，或是雖有地下水但沉井周邊的土層滲水性不強，涌入井內的水量不大且排水不困難時，可采用排水下沉法，排水法施工比不排水法施工費用低，工期短。

(2)不排水下沉:下列情況宜按不排水下沉設計:①在下沉深度范圍內存在粉土、砂土或其他強透水層而排水下沉有可能造成流砂或補給水量很大而排水困難時;②沉井附近有已建的建(構)筑物及其他設施，排水施工可能導致其沉降及傾斜而難以采取其他措施防止時。

(3)分次下沉:根據沉井的高度、地基承載力、施工條件和設計需要，沉井可沿高度方向一次澆筑下沉，或分段澆筑一次下沉，或分段澆筑分次下沉。當沉井高度較大時，可以依據具體高度和現場施工條件分二次澆筑或多次澆筑等，每節高度不宜大于6m，沉井底節高度一般為4～6m。

根據本工程水文及地質情況，石兜水庫輸水管工程沉井采用排水下沉，干封底，在沉井外采用井點降水方法，將地下水位控制在底板板底標高以下0.5m。沉井高度7.81～12.15m，采用二次澆筑一次下沉，底節高度控制在6m。

4 沉井結構設計要點

(1)井壁厚度:沉井井體各部分的厚度需同時滿足下沉、受力及抗浮三方面的要求。沉井設計中一般應優先考慮沉井依靠其自重克服土層的摩阻力而下沉到設計標高的原則，當重量不足時，采取外加壓重或其他助沉措施，反之當井體過重，下沉系數過大或地基承載力不足時，則應適當減薄井壁厚度。在施工階段，井體的各部分厚度應滿足受力的要求，在使用階段，井體應滿足相應的正常使用要求。本工程施工階段采用排水下沉，只需考慮使用階段的抗浮要求。大型沉井受力大，井壁厚度一般較厚，壁厚可以逐漸變化也可以采用臺階形式使截面由下到上逐漸變薄，每個臺階的寬度為100～200mm。考慮到下沉的因素，軟土地基上的沉井井壁變截面臺階宜設在井壁內側，硬土地基上的沉井變截面臺階可設在井壁外側。

(2)井壁配筋:矩形沉井井壁的鋼筋，為方便施工，一般將外壁水平鋼筋設在垂直鋼筋的外側，但在井壁內側水平鋼筋一般宜設在垂直鋼筋的里側。

(3)井壁與底板的連接:當井壁與底板通過凹槽聯系時，凹槽深度可為150～200mm。本工程采用井壁設凹槽的連接方式，如圖1所示。底板的反力通過連接點傳給井壁，通過凹槽連接的節點按鉸支計算。

(4)刃腳:本工程沉井的刃腳外側設臺階，可以減小下沉阻力，如圖1所示。刃腳下水平支承踏面寬度隨土質的軟硬調整，一般情況下，軟土地基下取0.4～0.6m，硬土地基下取0.15～0.3m。刃腳斜面與水平面的夾角通常取50°～60°，一般取60°。

(5)施工縫:沉井井壁施工縫應采用凹槽式接法，結合面應盡量粗糙，第二次澆注前應將施工縫鑿毛，用水沖洗干凈，并在施工縫結合面涂刷純水泥漿兩遍(水灰比0.3～0.4)然后澆注混凝土。澆筑過程中確保混凝土結合密實，不得殘留縫隙，特別是梁與壁板結合處，沉井井壁與底板結合的刃腳榫口處均需按施工縫處理。

5 沉井結構計算實例

以下沉井的結構計算以最深的一處沉井為計算實例，樁號AK6+415處為一座矩形工作井，該沉井高度為12.15m。

(1)平面凈尺寸的確定。石兜水庫輸水管工程為大管徑輸水管工程，管徑從DN2400～DN1600，樁號AK6+415處為DN2200管道，根據管節長度、頂管機長度、千斤頂長度并考慮安裝富余量及施工作業面，確定頂管井平面凈尺寸為8.0m×5.0m。

(2)下沉及使用階段抗浮驗算。假設井壁厚t=750mm，通過計算得:井壁重Gk=6180kN，井壁總摩阻力Ffk=5649kN，下沉系數kst=1.09＞1.05，滿足下沉要求。使用階段沉井井壁自重G=7314kN，浮力=6719kN，抗浮系數 k=1.09，滿足抗浮要求。fw

圖1

(3)刃腳計算。首先對水平框架的作用進行判別:αf=1.99＞1.0，刃腳在內外荷載作用下，按懸臂計算。刃腳內側水平推力之和pl=73.2kN，刃腳根部向外的豎向彎矩Ml=63.54kN·m。刃腳底部水平向側壓力PAl=99.20kN，刃腳上部水平向側壓力P′Al=91.83kN，刃腳根部向內的豎向彎矩Ml=30.96kN·m。在計算水平向側壓力時，不能直接采用刃腳所在土層的土壤內摩擦角進行計算，需將內摩擦角轉換為等效內摩擦角。

(4)沉井井壁計算。沉井井壁需要對沉井下沉前、封底前、封底后三種工況進行計算，并要對施工階段的豎向抗拉進行復核。沉井下沉前，在井壁每個方向設置兩個定位支承點，計算單位長度井壁重產生的支座彎矩和跨中彎矩，支座彎矩 M支=233.13kN，跨中彎矩 M中=1036.15kN。沉井封底前，根據沉井的分節情況，對每一節的井壁進行計算。沉井封底后，由于底板與井壁之間無預留鋼筋，底板與壁板按簡支考慮，池壁之間按固結考慮，對井壁所受三角形荷載進行雙向板的計算。需要注意的是，井壁計算過程中，也需要將內摩擦角轉換為等效內摩擦角。

6 結語

沉井的計算在給排水構筑物結構計算中屬于較為繁瑣和復雜的，在實際應用中遇到沉井的構造要求、工況選取、內摩擦角轉換等問題時經常會出現遺漏，進而造成計算出現偏差。本文通過工程實例的具體計算過程對沉井的結構計算進行梳理，希望會對結構設計人員提供一些幫助。

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