李士民，強(qiáng) 健，王 林

［上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092］

0 引 言

在長江中下游地區(qū)，長江水是沿江城市的首選飲用水源地。考慮到長江通航安全的要求及長江最枯水位的限制，取水頭部的標(biāo)高一般會比較低。作為原水泵房，無論是在江堤內(nèi)還是江堤外，由于其與取水頭部連接的原水管線為重力流管線，因此原水泵房的埋深也會相應(yīng)比較深，在此情況下，通常會優(yōu)先選用沉井施工工藝。

與基坑圍護(hù)開挖相比，沉井結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：（1）沉井土方工程量較小；（2）沉井井壁既可作為地下結(jié)構(gòu)的外殼，同時(shí)在下沉過程中還兼作支護(hù)外壁，省去開挖支護(hù)費(fèi)用；（3）地下水豐富的地區(qū)，沉井施工可采用不排水下沉、水下挖土及水下封底1 等技術(shù)，節(jié)省降排水費(fèi)用；（4）構(gòu)筑物埋深越深，圍護(hù)開挖的費(fèi)用越巨大，沉井的優(yōu)點(diǎn)越突出。

原水泵房一般由前池、格柵過濾間、吸水井和水泵設(shè)備間等幾部分組成，大多數(shù)原水泵房還兼具頂管工作井的功能，所以其平面尺寸會比較大。當(dāng)采用沉井施工時(shí)，為便于下沉，泵房的平面形狀一般采用矩形或圓形。圓形沉井受力性能較好，但當(dāng)井內(nèi)設(shè)備數(shù)量較多時(shí)，其空間利用率較低，而且井內(nèi)會根據(jù)功能分區(qū)來布置數(shù)量不等的中隔墻，這些中隔墻使得圓形井壁由純受壓構(gòu)件變?yōu)閴簭潣?gòu)件，從而使井壁受力性能顯著降低。矩形沉井相對來說，空間利用率較高，其井壁可直接作為頂管后靠背使用。在外界水土側(cè)壓力的作用下，用于功能分區(qū)的中隔墻還可作為壁板支承，有效地減小了井壁厚度。當(dāng)中隔墻間距較大時(shí)，則應(yīng)考慮增設(shè)豎向框架來減小壁板的計(jì)算跨度。帶框架（或中隔墻）下沉除了能有效優(yōu)化壁厚外，還可以減少混凝土二次支模、二次澆筑的工程量，縮短施工周期。本文以安徽省某設(shè)計(jì)規(guī)模為30 萬m3/d 水廠的原水泵房為例，對沉井的下沉階段、水下封底階段、頂管施工階段、使用階段等不同工況下的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行闡述，為今后類似工程提供借鑒。

1 工程概況

安徽省某新建水廠，設(shè)計(jì)規(guī)模為30 萬m3/d，原水泵房位于廠區(qū)內(nèi)，原水管線以頂管形式穿越長江大堤，一端與原水泵房連接，另一端與取水頭部連接。廠區(qū)內(nèi)現(xiàn)狀地坪為10.00 m，設(shè)計(jì)地坪為12.00 m，原水管為兩根DN 1 600 鋼管，管中心標(biāo)高-1.00 m，泵房底板頂標(biāo)高為-2.60 m。泵房為矩形平面，總尺寸為31.4 m×26.4 m，平面布置見圖1，經(jīng)方案比選，本泵房擬采用沉井工藝施工，不排水下沉。泵房混凝土強(qiáng)度等級為C30，抗?jié)B等級為S8，封底混凝土為C20。

根據(jù)地勘報(bào)告，擬建場地的地基巖土層從上至下依次為：（1）填土；（2）粉質(zhì)黏土；（3）淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土；（4）粉質(zhì)黏土；（5）黏土；（6）粉質(zhì)黏土混碎礫石；（7）強(qiáng)- 中風(fēng)化砂礫巖。其中第（3）層土為軟弱土，厚度約11m。所在場地的抗浮設(shè)計(jì)水位為11.50 m，下沉階段時(shí)地下水位為9.50 m。

圖1 原水泵房平面布置圖（單位：mm）

2 沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

原水泵房的沉井設(shè)計(jì)工況根據(jù)其施工次序，主要分為四個(gè)階段[1]：沉井下沉階段、水下封底階段、頂管施工階段和使用階段。其中在使用階段各構(gòu)件應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和裂縫寬度計(jì)算（不大于0.2 mm），其他階段可僅按強(qiáng)度控制。

2.1 沉井下沉階段

在沉井泵房的下沉階段，主要考慮以下幾個(gè)方面：沉井下沉系數(shù)驗(yàn)算及下沉穩(wěn)定驗(yàn)算；刃腳計(jì)算；井壁水平框架計(jì)算；豎向框架計(jì)算。

根據(jù)《給水排水工程鋼筋混凝土沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》[2]CECS 137：2015（以下簡稱《沉井規(guī)程》），為保證沉井能順利下沉，沉井下沉系數(shù)kst應(yīng)滿足不小于1.05。當(dāng)沉井穿越軟弱土層且下沉系數(shù)較大時(shí)，尚需進(jìn)行下沉穩(wěn)定驗(yàn)算，以防止突沉。沉井下沉穩(wěn)定系數(shù)kst，s應(yīng)滿足在0.8～0.9 之間。驗(yàn)算沉井下沉穩(wěn)定主要考慮以下時(shí)間節(jié)點(diǎn)：終沉?xí)r穩(wěn)定；分段下沉?xí)r接高穩(wěn)定；穿越較厚軟弱土層時(shí)的穩(wěn)定。本沉井采用一次下沉方案，并需穿越的較厚的（3）淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，因此應(yīng)考慮第一、第三兩種情況下的下沉穩(wěn)定。除土層力學(xué)特性外，沉井的壁厚、刃腳尺寸以及是否分段下沉等因素，均對下沉系數(shù)kst 和下沉穩(wěn)定系數(shù)kst,s 有影響，一般需要進(jìn)行多次試算，選擇最合理的設(shè)計(jì)方案。本沉井泵房的剖面見圖2。

圖2 沉井剖面圖（單位：mm）

沉井下沉階段，還應(yīng)對刃腳的內(nèi)、外側(cè)按最不利情況分別進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)沉井開始下沉?xí)r，刃腳插入土內(nèi)，其下部承受較大的正面及側(cè)面阻力，而井壁外側(cè)土壓力并不大，此時(shí)在刃腳內(nèi)側(cè)根部產(chǎn)生最大向外彎曲力矩；當(dāng)沉井終沉?xí)r，刃腳踏面下的土被全部挖空，此時(shí)為刃腳向內(nèi)彎曲的最不利情況，刃腳外側(cè)產(chǎn)生最大彎矩。上述兩種情況下的刃腳豎向內(nèi)力可根據(jù)《沉井規(guī)程》第6.2.2 條計(jì)算，在此不做贅述。沉井刃腳除在豎直方向上可看作為根部嵌固的懸臂梁外，在水平方向上還可看作是一個(gè)封閉的水平框架，這兩個(gè)方向上的荷載分配系數(shù)可根據(jù)《沉井規(guī)程》第6.3.3 條進(jìn)行計(jì)算。

整個(gè)下沉過程中，井外的水土側(cè)壓力由相應(yīng)標(biāo)高處井壁的水平封閉框架來承擔(dān)，終沉?xí)r受力為最大。為減小井壁水平封閉框架的計(jì)算跨度，本原水泵房結(jié)合功能分區(qū)，在標(biāo)高4.1 m、9.5 m 處各設(shè)置一道中梁、頂梁，連同底梁、扶壁框架柱、中隔墻一起，形成兩個(gè)方向的封閉豎向框架，與沉井一同下沉。沉井的井壁根據(jù)埋深可劃分為三個(gè)區(qū)段：刃腳根部至底板底區(qū)段；底板底至井壁變截面區(qū)段；井壁變截面至沉井頂區(qū)段。每區(qū)段井壁按單位截條的水平框架計(jì)算，荷載值為本段下端1 m 內(nèi)的水土側(cè)壓力平均值。下沉階段的井壁水平框架計(jì)算簡圖見圖3。其中需要注意的是，對于刃腳根部至底板底區(qū)段水平框架，由于該段井壁是刃腳按懸臂梁計(jì)算時(shí)的嵌固端，因此計(jì)算水平荷載時(shí)除考慮本截條段水土側(cè)壓力外，還應(yīng)附加由刃腳傳來的水平剪力。

圖3 沉井下沉階段井壁水平框架計(jì)算簡圖

豎向框架作為水平井壁的支承，承擔(dān)了井壁傳來的外側(cè)水土荷載。在軟土地區(qū)下沉?xí)r，由于沉井的自重較大，一旦發(fā)生突沉，底梁下的地基所承受的壓力可能達(dá)到土的極限承載力，此時(shí)底梁所承受的計(jì)算反力設(shè)計(jì)值可取地基土的極限承載力值。豎向框架的計(jì)算簡圖見圖4。

圖4 沉井下沉階段豎向框架計(jì)算簡圖

2.2 水下封底階段

本沉井為不排水下沉，當(dāng)沉井沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高，在澆筑鋼筋混凝土底板之前，要先在水下澆筑混凝土進(jìn)行封底，并將井內(nèi)水排干。封底混凝土的厚度由兩個(gè)因素決定：封底后的抗浮穩(wěn)定和封底混凝土的抗彎、抗剪強(qiáng)度。

由于泵房沉井深度較深并且平面尺寸較大，當(dāng)完成封底并將井內(nèi)水排空時(shí)，若按正常地下水位計(jì)算浮力，可能很難滿足沉井的抗浮穩(wěn)定?？紤]到封底后的施工階段屬于短期工況，此時(shí)可通過臨時(shí)降低井外地下水位來解決抗浮問題，這比單純靠增加壁厚提高沉井自重更經(jīng)濟(jì)合理。考慮到水下封底混凝土的密實(shí)性一般會差于常規(guī)混凝土，在計(jì)算封底混凝土容重時(shí)宜進(jìn)行折減，折減系數(shù)可取0.65。

沉井封底后仍可能繼續(xù)產(chǎn)生沉降，故沉井自重對封底混凝土?xí)a(chǎn)生向上的凈反力，此為封底混凝土的計(jì)算荷載。根據(jù)《沉井規(guī)程》式6.1.13 可得封底混凝土抗彎所需的厚度。另外，封底混凝土板的邊緣還需進(jìn)行沖剪驗(yàn)算。

2.3 頂管施工階段

沉井底板混凝土澆筑完畢后即可進(jìn)入下一步工序：頂管施工。本工程為矩形沉井，可直接利用沉井井壁作為頂管的后背。頂管管道的最大允許頂力可根據(jù)《給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程》[3]CECS 246:2008 第8.1～8.3 節(jié)計(jì)算得到。在頂管施工階段，主要考慮以下兩點(diǎn)：（1）井壁在頂管頂進(jìn)時(shí)的強(qiáng)度計(jì)算；（2）后背土體的穩(wěn)定計(jì)算。

當(dāng)頂管頂進(jìn)時(shí)，土的最大抗力可按《沉井規(guī)程》第6.3.5 條計(jì)算，最大土抗力位于沉井的刃腳底。土抗力與井周土壓力、頂管頂力共同疊加于井壁水平框架，可得到頂管施工階段井壁的內(nèi)力。

矩形沉井在頂力作用下，后背土體的穩(wěn)定，可按《沉井規(guī)程》第6.3.6 條進(jìn)行驗(yàn)算。此時(shí)應(yīng)注意沉井前后土體一般是非單一土層，因此應(yīng)將各層土的粘聚力c 和內(nèi)摩擦角φ 進(jìn)行加權(quán)平均后再計(jì)算井前的主動土壓力和井后的被動土壓力。

2.4 使用階段

在泵房使用階段，應(yīng)根據(jù)泵房的工藝流程，考慮每個(gè)區(qū)格是否滿水的各種最不利工況，進(jìn)行驗(yàn)算，具體包括以下幾個(gè)方面：地基承載力驗(yàn)算；抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算；泵房壁板、底板計(jì)算；豎向框架計(jì)算。

使用階段的地基承載力驗(yàn)算，應(yīng)考慮全部豎向荷載，包括泵房上部結(jié)構(gòu)在內(nèi)的所有構(gòu)件自重、恒荷載、活荷載、水重等，所得基底反力總值應(yīng)與經(jīng)深度修正后的地基土承載力特征值作比較。

在抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算時(shí)，泵房應(yīng)按最高抗浮設(shè)計(jì)水位進(jìn)行驗(yàn)算。此時(shí)泵房自重可將后澆內(nèi)隔墻重量以及沉井分界線以上部分泵房的重量全部考慮在內(nèi)。當(dāng)封底混凝土與底板間有拉結(jié)鋼筋時(shí)，封底混凝土自重也可作為泵房自重的一部分。

在計(jì)算泵房壁板時(shí)，已澆筑好的底板可作為外壁板的支承，這與下沉階段的受力狀態(tài)有所區(qū)別。而泵房內(nèi)部的中隔墻，則應(yīng)根據(jù)泵房運(yùn)行階段池內(nèi)是否有水等實(shí)際情況，分別進(jìn)行各工況下的內(nèi)力計(jì)算。對于泵房底板，其周邊為鉸接，根據(jù)豎向荷載產(chǎn)生的底板凈反力，來計(jì)算底板內(nèi)力。需要注意的是，當(dāng)部分池內(nèi)滿水而其余池空水時(shí)，應(yīng)考慮由滿水區(qū)水重引起的空池區(qū)底板凈反力的增加。

在計(jì)算豎向框架時(shí)，根據(jù)泵房池體的區(qū)格劃分（見圖1），池Ⅰ、池Ⅱ、池Ⅲ、池Ⅳ存在單格或多格池內(nèi)滿水或空水的工況，排列組合可分為9 種工況，計(jì)算時(shí)應(yīng)分別考慮所有工況下的框架內(nèi)力并取包絡(luò)值，然后進(jìn)行強(qiáng)度及裂縫計(jì)算。由于豎向框架截面尺寸較大，考慮到支座寬度的影響，可對框架支座計(jì)算彎矩進(jìn)行削減，具體的削減方法如下[4]：支座彎矩M支=M1-Qb/3 且M支≥0.7M1，其中M1為支座中心的計(jì)算彎矩，Q 為支座邊緣處的剪力，b 為支座寬度?？缰袕澗匾话悴贿M(jìn)行折減。

3 結(jié) 語

通過對本原水泵房沉井的設(shè)計(jì)思路的探討，有以下幾點(diǎn)結(jié)論及建議供各位同行參考：

（1）構(gòu)筑物的外形輪廓是否規(guī)則、內(nèi)部布置是否對稱決定著其能否采用沉井施工工藝。如何結(jié)合工藝功能合理布置豎向框架，是大型沉井有效控制壁厚和內(nèi)力的關(guān)鍵步驟。

（2）在軟土地區(qū)，沉井的下沉系數(shù)與下沉穩(wěn)定系數(shù)是一對相互制約的系數(shù)，既要保證沉井能順利下沉，同時(shí)還要防止沉井的突沉。當(dāng)軟弱土層較厚時(shí)，還應(yīng)當(dāng)在軟弱土層中間適當(dāng)位置處進(jìn)行下沉穩(wěn)定性驗(yàn)算。

（3）水下封底及頂管施工階段采取臨時(shí)降低井外水位的措施，是比較經(jīng)濟(jì)合理的方法，尤其是對于沉井體型較大、埋深較深、實(shí)際水位較高時(shí)，更為適宜。

（4）對于泵房沉井，在使用階段的設(shè)計(jì)，應(yīng)考慮泵房運(yùn)行期間的實(shí)際情況。尤其是當(dāng)泵房內(nèi)存在多格水池時(shí)，應(yīng)考慮所有可能出現(xiàn)的工況，并進(jìn)行包絡(luò)設(shè)計(jì)。