某污水处理厂提升泵房沉井结构设计浅析

陈劭凯，陈庆丰，吴 刚

(中国市政工程西南设计研究总院，四川成都610081)

沉井是在地面上制作井筒状构筑物，然后在井内取土，使沉井依靠自重及其它辅助措施作用逐渐下沉。沉井下沉到设计高程后再进行封底、浇筑底板及内部结构。在给水排水工程中沉井结构被大量使用，主要用于提升泵房、顶管工作井和接收井等。

1 工程概况

拟建工程为昆明市滇池南岸某污水处理厂粗格栅提升泵房。工程抗震设防烈度为8度，设计地震分组为第二组，设计基本地震加速度为0.20 g;建筑场地为III类;特征周期为0.55 s;建筑抗震设防类别为乙类;地基基础设计等级为乙级。其中提升泵房地下部分采用钢筋混凝土沉井结构。池体平面为矩形，长21.4m，宽13.75m，底板埋深12.5m;地上部分为单层框架结构。

2 工程地质条件

根据《岩土工程勘察报告》，粗格栅提升泵房的主要地层分布自上而下有:粉质黏土层、淤泥层、淤泥质黏土层和粉土层。地下水位约位于场坪高程下1.2m处。各土层分布情况详见表1。

表1 地质状况

由地勘报告可以看出，场地内地质条件复杂，沉井深度范围内有较厚的软弱地层分布。

3 沉井结构设计

沉井结构设计应包含沉井几何尺寸确定及验算;下沉及下沉稳定性验算;抗浮验算;地基承载力验算;施工及使用阶段结构内力分析及截面强度计算。几何尺寸的确定首先由工艺专业根据其需要确定总尺寸，再由结构专业根据工程地质条件确定井壁及内隔墙厚度，以保证沉井具有足够的强度和刚度，并能在自重作用下克服井壁摩阻力顺利下沉到设计高程。整个计算过程需反复验算并确定几何尺寸及配筋才能最终完成。

本工程根据工艺所提出的条件，经过多次试算确定结构布置如图1所示。

设计采用排水下沉方法施工。

平面图

3.1 沉井下沉系数

根据《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》(CECS 137:2002)第6.1.2条，沉井下沉系数应符合下式要求:kst=(Gk-Ffw，k)/F式中:沉井自重标准值Gk=32 893 kN;地下水的浮托力 Ffw，k=0 kN(排水下沉);加权平均摩阻力fk=14.22 kPa;井壁总摩阻力标准值Ffk=12 276 kN;下沉系数 kst=2.68≥1.05，满足下沉要求，但是 kst≥1.20，应验算下沉稳定性。

3.2 下沉稳定性验算

根据《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》(CECS 137:2002)中6.1.3条，沉井下沉稳定系数应满足:

图1 沉井结构

沉井刃脚、隔墙和底梁下地基土极限承载力之和Rb=16 035.6 kN

不能满足下沉稳定性要求。

由于沉井刃脚底是以淤泥质黏土层为持力层，其极限承载力较低，不能满足沉井下沉稳定性的要求，而淤泥质黏土层下面的粉土层具有较高的承载力，所以考虑在刃脚和封底混凝土下面做水泥搅拌桩复合地基，提高淤泥质黏土层的地基极限承载力。

设计采用直径为0.5m的水泥搅拌桩，桩间距为1.2m，面积置换率m=0.134，桩长为4m。

单桩极限承载力Ra=144 kN

复合地基承载力为

极限承载力为fsp=200 kPa

则Rb=26 726 kN

下沉稳定性系数

满足下沉稳定性要求。

3.3 使用阶段抗浮验算

根据《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》(CECS 137:2002)中第6.1.4条，在使用阶段结构自重标准值为Gk=56 004 kN

总浮力:Fbfw，k=40 548 kN

抗浮安全系数:kfw=Gk/Fbfw，k=1.38＞1.0

满足抗浮稳定性要求。

3.4 使用阶段地基承载力验算

结构总重:G=46 187 kN

封底混凝土重:G2=14 303 kN

池内水重:G=24 447 kN

结构总重:G=G1+G2+Gw=84 937 kN

底板反力:qk=84 937/(13.75×21.4)=288.6 kPa

修正后地基承载力特征值为fa=292.59 kPa＞288.6 kPa，满足地基承载力要求。

3.5 内力分析及截面强度计算

在沉井下沉至设计高程后，钢筋混凝土底板浇筑前，作用于井壁上的外侧水土压力产生的水平内力最大。沉井刃脚在井壁外侧水土压力作用下，会产生较大弯矩，此时可将井壁视为水平封闭框架结构。分别计算井壁各段的线刚度与在水土压力作用下产生的弯矩，并将弯矩按照线刚度分配并达到弯矩平衡，然后根据井壁各段的支座及跨中弯矩进行配筋计算。还应计算使用阶段沉井内各分格满水或全空等工况下井壁及内隔墙弯矩，并按照线刚度进行分配后进行配筋计算。沉井底板与井壁连接可视为铰支座，将底板按照长宽比分为单向板和双向板进行配筋计算。底板承受的荷载主要为底板最大净反力。

4 结论和建议

沉井结构因其安全可靠，对周围建构筑物影响小，施工场地小，施工工艺成熟，适用于软弱地基，无需深基坑支护，取土量少，降低工程投资而得到了广泛应用。对于给排水构筑物的沉井结构还需注意:(1)井壁及底板配筋计算应同时满足裂缝宽度要求和承载力要求。(2)为了避免底板和井壁连接处漏水，应在连接处布置一圈钢板止水带或缓膨胀止水条。(3)沉井施工过程中应做好监测工作和应急措施。避免出现井筒开裂、歪斜、下沉过快、瞬间突沉、沉井悬挂、超沉和欠沉等工程事故。

［1］ CECS 137:2002给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程［S］

［2］ JGJ 79－2002建筑地基基础处理技术规范［S］

［3］ 葛春辉．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