某取水泵站工程大型池体结构设计方案比选与分析李玉磊

某取水泵站工程大型池体结构设计方案比选与分析李玉磊

李玉磊

上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司上海200092

摘要：本文以某取水泵站大型池体结构为案例，结合工程地质及周边环境情况，对基坑支护类型和结构特点进行分析比较；确定了大型池体结构采用沉井施工方式，明确设计结论和保护措施。本文对类似工程具有一定的借鉴意义。

关键词：池体结构；支护；沉井；保护措施

1.引言

大型水池结构的设计施工一般可选择两种方式，一种为在基坑支护形成的施工作业面内，进行现场制模、钢筋绑扎和混凝土浇筑；另一种为沉井施工方式。

简单来说，基坑支护是为了保证地下结构施工及基坑周边环境的安全，对基坑侧壁及周边魂精采用的支挡、加固与保护措施；沉井是一种在地面制作、通过取除井内土体的方法使之沉到地下某一深度的井体结构。沉井施工方式有着众多优点，可以减少基坑土方的开挖量，不需要设置基坑支护；同时，沉井结构可以作为构筑物永久受力结构。对于地下水丰富的地质情况，不排水下沉的施工方法可以解决降水困难的问题，也可以减少降水对周边环境的影响。

本文结合实际工程特点，着重介绍大型池体结构基坑支护的比较选择以及沉井结构的设计分析、沉井周边环境保护措施等。

2.工程概况

某工程位于江苏省连云港市蔷薇河北岸，新建取水泵站规模为70万吨/日，主要包括吸水井、输入泵房、取水头部以及其他附属构筑物。本工程抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，抗震设防烈度为乙类，按8度采取抗震措施；设计地震分组为第三组，场地为Ⅲ类，特征周期为0.65s。地基基础设计等级为乙级。

本工程中，吸水井为池体结构，平面尺寸为17.5m×42.4m，底板顶标高为-8.90m。现状地坪标高为3.00m（黄海85高程）。吸水井北侧存在输水泵房，结构平面尺寸为54.24m×15.70m，底板顶标高-3.6m。

本工程吸水井和泵房的平面布置如图1所示。

其中，（2）层粘土层为软塑态、（3）层淤泥层为流塑态，且承载力特征值为60kPa和40kPa，属于软弱土层；（8）层粉砂层为透水层。

4.施工方案比选

本工程吸水井的设计施工存在以下难点：

1、吸水井结构尺寸大，长度达到42.4m，合理的进行结构分隔、增强结构整体性，对于结构受力计算有着重要影响。

2、吸水井埋深为12.9m，属于深基坑，采用基坑支护方式或沉井施工方式，应经过技术、经济、周期等指标比选确定。

3、吸水井北侧存在输水泵房，距离较近，且结构体量大。按照构筑物“先深后浅”的施工原则，亦应该对泵房施工环境进行保护。

针对以上工程特点，本文着重阐述池体结构设计施工方案的比选，结构设计分析和环境保护措施等。

4.1基坑方案比选

一般情况下，基坑可选择包括放坡开挖、基坑支护、沉井施工等方式。

方案一：吸水井和输水泵房基坑采用放坡开挖形式

吸水井、输水泵房单体距离约5m，基坑深度相差5.3m，可采用统一基坑开挖方式。本工程地质情况较差，（3）层淤泥质软弱土层，呈现流塑态，根据勘察报告建议，基坑按1：2放坡比例开挖。吸水井埋深约为13.5m，其施工作业面将超过100m。如果吸水井采用基坑开挖方式，施工占地面积大，开挖土量大，且坡体不稳定，存在较高的施工风险。同时，后期土体回填难度增加。所以，吸水井不适于采用基坑放坡开挖形式。

方案二：输水泵房、吸水井支护形式；

基坑支护一般有钢板桩、水泥土重力式挡墙、SMW工法桩、灌注桩+止水帷幕、地下连续墙等几种方式。其中，钢板桩和水泥土重力式挡墙支护方式一般用于基坑深度不大于8m的情况，本工程不适用，不再赘述。其他基坑支护方式具体比较如下：

a）地下连续墙+接缝止水措：施工工艺成熟，适用于开挖深度大于20m的基坑。地下连续墙刚度大，止水效果好，施工时对周边环境影响较小，尤其适用于附近有重要建筑物，环境要求较高的基坑。但地下连续墙施工工期较长，工程造价也较高，施工过程中产生的泥浆若不能妥善弃置会对环境造成破坏。

b）SMW工法桩：即型钢+水泥土搅拌桩支护形式，设置水平支撑及围凛。一般适用于开挖深度不大于10m的基坑。工程造价较低，但井体刚度相对较小，型钢拔出时对周边环境有一定影响。

c）钻孔灌注桩+止水帷幕：施工工艺成熟，基坑深度介于地下连续墙和SMW工法之间，一般为10~20m。钻孔灌注桩+止水帷幕施工时对周边环境影响较小，钢筋砼钻孔灌注桩刚度较SMW工法大，较地下连续墙小，因此开挖时的基坑变形较SMW工法小，较地下连续墙大。施工工期及工程造价也介于地下连续墙和SMW工法之间。

综合上述分析，吸水井的基坑深度约为13.5m，适合采用灌注桩的支护形式、桩外侧设水泥土搅拌桩止水帷幕。灌注桩的支护做法如图2：

图3钻孔灌注桩+止水帷幕平面布置和剖面图

此方案技术上具有可行性，但也存在明显的缺点：灌注桩施工周期较长，且支护桩强度形成后，方可进行单体施工；基坑支护需要设置多层围凛、横纵向的水平钢支撑，在单体结构施工时，需要进行开洞避让，形成漏水点，存在有一定安全隐患；经初步估算，此方案吸水井和泵房的土建费用约为3117万元，经济性较差。

方案三：吸水井采用沉井施工方式、输水泵房采用基坑开挖方式

沉井施工工艺较为成熟，适用于各种开挖深度的基坑。沉井施工方式可以避免大量土体开挖，不需要额外的基坑支护，在环境保护要求不高的情况下，具有很大的优势。同时，沉井结构可以作为吸水井的池体结构，从而节省工程造价。

考虑到周边环境保护、软土土层等情况，沉井周围设置水位帷幕。

泵房基坑开挖较浅，且吸水井与泵房之间存在管道连接，管道与泵房统一采用基坑放坡开挖的方式较为合理和经济。经初步估算，此方案吸水井和泵房的土建费用约为2614万元。

综合上述分析，方案三具有较为明显的优势。因此，本工程中吸水井采用沉井施工方式，输水泵房采用基坑开挖放坡方式。

4.2沉井结构设计

吸水井采用沉井施工方式，平面布置和剖面图如图3、图4：

图4沉井剖面结构图

吸水井结构设计要点如下：

1、沉井长度、宽度均较大，且长宽比超过2，为保证沉井具有足够的强度及刚度，应进行合理的结构构造划分。

2、沉井壁板、隔板的厚度根据沉井设计整体稳定系数以及结构受力、裂缝控制等要求确定。

经过反复计算比较，设计结论如下：

1）吸水井长度方向设置3道隔墙、宽度方向设置1道隔墙，控制最大结构长度不超过10m，保障结构处于合理受力范围。

2）沉井下沉系数为2.89，大于规范要求1.2；进一步验算下沉稳定性系数为0.81，位于0.8~0.9的合理区间。

3）沉井的地基反力值主要由结构自重、顶板覆土重、内水重、上部允许活荷载值等四部分构成。经计算，地基反力值为250.6kPa。沉井底板位于（7）层粘土层，经计算，其修正后的承载力值为320kPa>250.6kPa，地基承载力满足设计规范要求。

4）用于抗浮验算的荷载值主要由结构自重和顶板覆土重等两部分构成。经计算，抗浮系数K=G/F=77266/71232=1.08>1.05，抗浮系数满足设计规范要求。

5）沉井结构采用理正结构设计工具箱进行水平框架计算，考虑按照最大弯矩设计值计算强度配筋、按照最大弯矩标准值计算裂缝配筋，取两者计算配筋较大值。本工程中，池壁底部水平框架角部配筋采用32@75，跨中配筋采用32@150。

6）沉井底板可视为与壁板铰接，按照双向板进行强度及裂缝计算。经计算，上层控制配筋为25@100。

4.3沉井施工环境保护措施

本工程沉井施工前，周围设置止水帷幕，采用?850@600三轴水泥搅拌桩，桩长不小于沉井刃脚下3m。为了控制沉井倾斜、同时减少沉井下沉卡住，止水帷幕与沉井结构外壁净距为0.6m。为避免或减少沉井下沉对待建泵房场地造成影响，在沉井与泵房中间部分设置双层止水帷幕。

目前，取水泵站施工已经顺利完成，吸水井的施工工期约为6个月，周边地面沉降最大仅为50mm，泵房建造处地基土并未经受扰动。事实表明，本工程设计、施工技术方案合理，经济性较好。

5.结论

沉井结构因为占地面积小、下沉施工工艺成熟、在采取合理保护措施后对周边环境影响小等特点而得到广泛的应用。尤其对于工程地质条件较差，不利于采取支护措施的工程情况，沉井施工往往有着较好的经济性和周期性。

进一步总结如下：1、结合工程特点，合理的技术和经济分析至关重要；2、对于大型、规则的池体结构，沉井可以作为池体本体，相对于基坑支护、放坡开挖具有一定优势；3、沉井周围止水帷幕的设置可以很好的避免土体涌入、减少对周边环境的影响。

参考文献

[1]葛春晖.钢筋混凝土沉井结构设计施工手册[M].中国建筑工业出版社，2004年.

[2]给水排水工程结构设计手册（第二版）[M].中国建筑工业出版社，2007年.

[3]给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程（CECS137：2015）.

[4]建筑地基基础设计规范（GB50007-2011）.北京：中国建筑工业出版社，2012年.

[5]建筑地基处理技术规范（JGJ79-2012）.北京：中国建筑工业出版社，2012年.

[6]建筑基坑支护技术规程（JGJ120-2012）.北京：中国建筑工业出版社，2012年.