（杭州市城乡建设设计院有限公司）
【摘 要】伴随着我国大型污水处理厂的不断兴建，各项施工建设技术也愈见成熟化。本文将某污水处理厂提升泵房作为改建实例，针对污水提升泵房沉井结构设计的程序展开具体研究与讨论，并给出结构设计需掌握的药店，以供地下建筑物的设计与施工参考。
【关键词】沉井结构；泵房；设计研究
一、工程概况
沉井是在地面上制作井筒状构筑物，从井中拿土，让沉井凭借着自身重量及其辅助手段的作用渐渐下沉。沉井结构在提升泵房、接收井、顶管工作等给水排水工程中得到广泛地运用，其主要是凭借着一种在地面上制作好的井筒状构筑物也就是沉井来顺利做好工作的。首先要从沉井内拿出土，使沉井能够凭借着自身重量及其他辅助效用的共同影响下慢慢下沉，等到沉至一定的设计高程的时候实施封底，然后再浇筑建筑的内部结构与底板。事实上，沉井结构在给水排水工程中已被顶管工作井、提升泵房、接收井等得到广泛地运用。
本文中引用的实例与数据都采用理论地处浙江省某市北郊的一家污水处理厂，其西部靠近钱塘江支流，东部靠近关键交通要道人民路。该泵房的地下结构是宽7.5m、长17m、高9.45m几何尺寸，上部结构是现浇钢筋进混凝土框架结构的钢筋混凝土矩形水池。提升泵房内设有潜水泵六台，可把污水高程自784.55有效提升至798.00，总提升高度有13.45m，而其所对应的设计排污能力为2m3／s。经过对设计人员给出的各项设计方案的比对优化，最后把泵房的结构确立成沉井结构，此设计将变成太原市一大沉井结构。同时，要在自然地面高程793.90开挖到788.30高程之后，做一个0.5m厚的厚砂垫层，然后预制沉井，沉井下沉深度为7.5m，从而将下沉深度降至最低，进而有效确保施工进度。
二、沉井的设计与计算
在进行沉井结构设计时，主要包括对沉井尺寸的确定及反复验算，沉井的承载力计算，施工阶段和使用阶段的结构内力分析以及截面强度钢筋配比计算，最后还要进行沉井抗浮稳定验算等步骤。具体下来首先要根据污水处理厂提供的使用要求来确定沉井的长宽高各项尺寸，然后根究施工规范和要求对沉井并壁及内墙的厚度进行确定，这样做的目的是为了确保沉井有足够的强度和刚度，能够在自重作用下有效克服井壁摩擦力顺利下沉。在整个设计施工过程中，一定要反复计算，多次试验，最后才能将沉井尺寸和钢筋配比确定下来，完成整个设计。
（一）沉井尺寸的确定
通过对数据进行反复验算和推算，最终将沉井壁厚，刃脚厚，刃脚底宽的尺寸分别设计为700米，700米，280米。下沉系数(包括沉井和墙) K＝（209.37＋5.0）×25／[2×(16.9＋7.4)×(11.65－4.65－2.5)×20]＝1.23＞1.15。由于该沉井结构采用的是分两节沉井井壁设计，所以浇筑程序为：包括隔墙在内的第一节沉井用混凝土浇好后，等待其设计强度达到100%预期，然后再进行第二层沉井混凝土及上部钢筋混凝土框架结构的封底、浇筑。
（二）刃脚计算
在正常的沉井施工实践中，水压、土压、自重、侧摩阻力等都会对刃角产生作用，导致刃脚产生向内或向外的挠曲弯矩。一般情况下，当沉井下沉初期，刃脚向外挠曲弯矩为最大，而当沉井沉至设计标高时，刃脚可能产生最大向内挠曲弯矩。沿井周边取1米宽计算，刃脚产生最大向外挠曲弯矩为27.5kN·m,刃脚产生最大向内挠曲弯矩为19.4kN·m。
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（三）沉井井壁计算
1、井壁水平内力计算
当刃脚下方土层基本被掏空，沉井也已经下沉到设计标高时，井壁上产生的水平内力呈现出最大值，依照上述刃脚向内挠曲计算方式计算井壁上水、土压力，将沉井井壁作为水平框架，计算井壁各分段的内力及水平钢筋。取刃脚根部之上和宽度达到一致的一段井壁进行计算，在水平框架上分别荷载q=E＋w＋Q，其中E、w、Q分别为直接作用于水平框架上的主动土压力、直接作用于水平框架结构上的主动水压力、刃脚传来的水平剪力，数据分别是49.60kN／m， 12.50kN／m，69.93kN／m，所以均布荷载q＝132.03 kN·m，取沉井结构的25%，运用力矩分配法进行计算，得出沉井角点弯矩设计值为5.4，q＝5.4×132.03＝712.96 kN·m，钢筋配比为2703mm2。
2、井壁垂直受拉计算
刃脚下方的土挖空后，沉井会在自重及其周围摩阻力的影响下达到平衡，这时井壁内会有拉力出现。一般情况下，假设井侧摩阻力随着高度的变化呈现线性分布，通过静力计算能够得到变截面及其各分段处井壁内的压力，得出钢筋配比为287mm2，故井壁内竖向钢筋可按构造要求配置。
（四）沉井抗浮验算
根据各个时期可能出现的地下水位来计算沉井的抗浮稳定，忽略井壁和土的摩阻力，可采用1.05的抗浮安全系统。如果在沉井封底但并未对上部地面层进行浇筑时，如果停止抽水，那么地下水位很可能会突然升高至792.90米，与常年最高水位接近。这时沉井浮力达到7939kN，低于沉井井壁和封底自重，沉井就会浮起。所以在进行沉井封底时仍然要加强排水，直至上部结构总重大于8200kN，才能够保证沉井的稳定性。
1．使用阶段浮力计算：
Fbfw.k=rs×L11×L21×rH-0.3—0.7)=20455.82kN；
2．抗浮系数计算：
Kfw=G／Fbfw k=28841-31／20455.82=1.41>1.05满足抗浮要求，本沉井不必进行施工阶段抗浮验算。
（五）使用阶段结构内力分析
在沉井的使用阶段进行内力分析时，可能会随着配筋的实用功能而发生改变。这次工程采用沉井结构作为提升泵房的地下结构，在使用中井内要大量充水，所以刃脚、井壁及底板受力均比施工时有利，只有当沉井的上部结构荷重导致井底土层面压力加大时，才能够按照地基承载力做出深度和宽度的相应调整。持力层粉细砂在井底处承载力可达200kN／m2以上，上部结构为两层框架，经验算地基承载力满足要求。
三、沉井结构的亮点与施工体会
经过一番专业测算与实践，沉井结构的施工与设计办法具备以下几个两点：
（1）沉井结构的利用率高、施工便捷、内部空间狭小，且不会对附近建筑造成太大危害，已在软土地基中地下建筑物的施工中得到大范围地推广与使用。
（2）除开展常规的沉井截面设计工作外，还需参考抗浮安全系数与下沉系数，其中，抗浮安全系数应超过1.05，而下沉系数以1.3为最佳。也就是因为沉井结构具备上面所说的特殊优势，沉井结构才能够在工程建设中占据着重要地位。
（3）采取深基坑支护方法，既能节约开支，又能降低由此带来的高额费用，经济效益高。
（4）在设计一般建筑物的截面时，应依照使用要求决定内力控制。但因沉井结构的施工工艺比较特殊化，故在进行沉井设计时要愈加重视内力设计工作。实际上内力结构设计方案同整个施工方案之间存在着紧密相关的联系，因此在开展沉井设计工作的过程中，要充分结合施工条件与现场条件从而确立施工方案，从而有效保障具体施工能够严守施工方案开展。
参考文献：
[1]陈劭凯，陈庆丰，吴刚. 某污水处理厂提升泵房沉井结构设计浅析[J]岩土工程与地下工程，2011（12）
[2]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，2009
[3]岳锁生.污水处理厂污水提升泵房沉井的设计与施工[J]山西建筑，2012（08）
论文作者:黄敬涛
论文发表刊物:《工程建设标准化》2015年6月总第199期供稿
论文发表时间:2015/10/14
标签：沉井论文; 井壁论文; 泵房论文; 结构论文; 内力论文; 弯矩论文; 污水处理论文; 《工程建设标准化》2015年6月总第199期供稿论文;