某污水厂提升泵站_沉井_的设计分析

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某污水厂提升泵站（沉井）的设计分析

广东省建筑设计研究院

陈晓齐

［摘要］本文作者结合某污水处理厂工程，对污水提升泵站沉井结构设计一般步骤进行探讨分析，同时介绍了结构设计注意事项。

［关键词］沉井结构设计内力分析

抗浮验算1.工程概况

污水处理厂位于江门，占地面积约6400m2，建构筑物占地面积约7685m2。本泵站为污水厂内污水进水泵站，分为粗格栅槽、提升泵房。

地质情况如表现1所示。

表1

Ffw,k=(17.95+7.7)×0.85×2×8.8×1+(17.95+7.7)×0.5×2×1.3×1+(0.65+0.5)×(15.8-5.7-0.6)×6×1=492.6kN。

下沉系数:

Kst=(G1k-Ffw,k)/Ffk=(18598.35-492.6)/13440=1.35>1.05满足《规下沉要求。程》

④下沉稳定验算:地基反力:

Rb=[(17.95×2+6×2)×0.8+6×(0.65+0.5)+7.3×0.05×2]×150=6829.5kN；

地下水浮托力:Ffw,k=492.6KN；下沉稳定系数:

Ksts=(Gk-Ffw,k)/(Ffk+Rb)=18105.8/20332.5=0.89,0.8<Ksts<0.9满足要求。

本沉井根据沉井井壁设计分节,采取分两节制作,浇筑程序是第一节沉井(包括隔墙)混凝土浇好后,待其达到设计强度100%后,再进行浇

封底及上部钢筋混凝土框架结构。筑第二层沉井混凝土、

(2)刃脚计算:沉井在施工中,刃脚受水压力、土压力、自重、侧摩阻力、刃脚下土反力等外力作用,可能产生向内或向外挠曲弯矩。一般情况下,当沉井刚下沉时,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1m宽计算,刃脚产生最大向外挠曲弯矩为84.37kN·m,刃脚产生最大向内挠曲弯矩为20.7kN·m。根据现行《混凝土结构设汁规范(GB50010-2002)》进行配筋

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计算,选用φ22@150(As＝2534mm)。经计算各受力设计值大于标准值,符合施工要求。

(3)沉井井壁计算:当沉井下沉至设计标高,且刃脚下土已掏空时,作用于井壁上的水平内力为最大,按照前述刃脚向内挠曲计算方式计算井

土压力,将沉井井壁视为水平框架,计算井壁各分段的内力及水壁上水、

平钢筋。以刃脚顶面以上1.5t=1.5×1000=1500(标高-15.800～14.300)的井壁进行内力计算井壁所受荷载为（标准值）P1’=PAL’=77.46KN,P=1/2(PAL+PAL’)hl=69.85KN,因αf>1.0,水平框架的水平荷载不作修正。井壁所受的水平向侧压力总荷载为P1=P1’+P=147.31KN；沉井下沉系数

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为K=L20/L10=0.435;刃脚根部向内的竖向弯矩为MA=P1L101+16K

=643.96KN·m根据现行《混凝土结构设汁规范(GB50010-2002)》进行配筋计算,沉井角点弯矩设计值为795.47KN·m；配筋计算需配

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AS=3527mm,实配φ25@100(As＝4909mm)。

(4)沉井抗浮验算:沉井应按各个时期可能出现的地下水位验算抗浮稳定,在不计井壁与土的摩阻力时,抗浮安全系数可采用1.05。使用阶段沉井抗浮验算。

①使用阶段沉井自重(井壁与填充土及封底混凝土重量之和)计算:G=Gk+(3.0+7.3+5.2)×6×0.12×25+6×0.5×13×25+7.3×1.5×13×25+7.3×2.1×13×18+51.9×6×5.24+22.6×9.5×0.15×25=28841.31KN

②使用阶段浮力计算:

Fbfw,k=rs×L11×L21×(H-0.3-0.7)=20455.82kN

③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。

(5)使用阶段结构内力分析:沉井使用阶段内力分析及其相应配筋由其使用功能的不同而不同,本工程沉井用作污水提升泵房地下结构,使用时井内充水,故刃脚、井壁及底板受力均比施工时有利,唯其上部结构荷重使井底面土层受力增大,故本工程应计算使用阶段地基承载力,按浅基础作用下地基承载力作深宽修正,并采用水泥土深层搅拌桩对地基进行加固处理,成桩桩径为500mm,桩中心间距1.2m,梅花形布置,搅拌桩加固深度21m,搅拌桩进入粘土层500。使持力层淤泥质土层在井底处承载力可达150kN/m2以上,上部结构为一层框架,经验算地基承载力满足设计要求。

参考文献［1］国家标准.给水排水钢筋混凝土沉井结构设计规程.(CECS137:2002).

［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,2004.

根据工艺提供的条件和地质报告，我们结合基坑支护方案，认为可采用地下连续墙基坑支护内做300mm厚内衬墙及沉井结构两种方案。经对此两种方案进行经济技术比较和可行性研究，沉井结构总的土建费用节省了500多万，因此，采用沉井结构。

2.沉井的设计与计算

工程污水提升泵站、粗格栅槽沉井平面为叁格矩形,结构高度H=15.8m,沉井顶面高出地面0.3m。最高地下水位使用阶段位于地面下0.70m,施工阶段位于地面下5.70m,沉井制作高度7.8+8m,采用两次制作,二次下沉。第一节的制作高度为7.8m。沉井下沉采用第一节排水法施工与第二节不排水法施工。本工程上部结构采用现浇钢筋混凝土框

如图1所示。架,框架抗震等级:四级。地下结构采用钢筋混凝土沉井，

图1

沉井结构的设计主要包括沉井尺寸确定及验算、沉井承载力计算、施工及使用阶段的结构内力分析和截面强度配筋计算以及沉井抗浮稳定验算等。土建结构专业根据施工和使用要求确定井壁及内墙等厚度,使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而顺利下沉,整个设计过程一般需经过多次试算,才能确定其尺寸并配置相应钢筋,最终完成设计。

(1)沉井尺寸的确定及沉井下沉计算:根据使用要求,沉井平面为叁格矩形,格内净长分别为2800×6000、7150×6000m及5000×6000m,结构高度H=15.8m,沉井顶面高出地面0.3m。井壁厚t=850(下),t’=650(上)。中隔墙壁厚t0=650,t0’=500,高H1=15.20m,外总L11=17.95m,外总宽L21=7.7m,刃脚踏面宽度a=400mm,b=600mm,c=1250mm,刃脚斜面高度h1=700mm,底板厚度取为h=850mm。井壁砼重度rc=25kN/m3计。根据地质资料和工程参数选定淤泥质土层作为沉井制作时的持力层,沉井壁厚根据下沉要求,进行以下验算。

①井壁重计算

Gk=[L11×L21×H-(L11-2t)×(L21-2t1)h1-(L11-2t)(L21-2t2)h2-1/2×bhl(L1+L2+L3+L4+t0+t0’)×2+(t0+t0’)×L2×H+L1×H×2×0.05]×r

=18598.35kN。

②摩阻力计算:多层土的加权平均单位摩阻力:fk=(h1×fk1+…+h6×fk6)/(h1+…+h6)=12.78kPa。井壁总摩阻为:

Ffk={fk×5/2+fk×(H-5-0.3)}×(L11+L21)×2=13440kN③下沉系数计算:根据《给水排水工程钢筋混凝土沉井结构设计规程》(CECS137:2002)式(6.15)计算,本沉井采用不排水施工。

下沉浮力: