电厂大型泵房沉井设计与施工

・【作者简介】王研明（１９６３－），女，本科，高级工程师。

联系地址：上海武宁路４１５号（２０００６３）【收稿日期】２００８－０４－０２ＢＵＩＬＤＩＮＧＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ建筑施工第３０卷第４期Ｖｏ１．３０Ｎｏ．４电厂大型泵房沉井设计与施工□王研明（中国电力顾问集团公司华东电力设计院上海２０００６３）【摘要】泰州电厂大型泵房工程位于长江大堤内侧，沉井平面尺寸大、下沉深度深、重量重，沉井下沉容易发生偏位、管涌、基础桩破坏等工程事故，通过对沉井结构设计合理优化，并对下沉方式和下沉系数的详细分析，实施了有效的深井降水，严格监测沉井下沉，确保了沉井的高精度下沉到位，有效地保护了基础桩，解决了长期以来大型沉井下桩基易发生偏移、断桩的难题，值得推广和借鉴。

【关键词】沉井结构深井降水下沉基础桩保护【中图分类号】Ｕ４５５．４６／文献标识码Ｂ【文章编号】１００４－１００１（２００８）０４－００２９５－０３ＤｅｓｉｇｎａｎｄＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆＯｐｅｎＣａｉｓｓｏｎｆｏｒＬａｒｇｅＰｕｍｐＳｔａｔｉｏｎｉｎＰｏｗｅｒＰｌａｎｔ０引言沉井施工法是深基础施工中采用的主要施工方法之一，它与基坑围护施工相比具有施工简单，速度快，安全可靠；与基坑放坡大开挖施工相比，具有占地面积小，挖土量少，对邻近建筑物影响比较小等优点。

沉井常用于取水构筑物、排水泵房、各类隧道（管道）的盾构或顶管工作井，以及桥梁墩台基础、防浪（波）堤护岸工程等。

目前国内在沉井结构设计与施工方面积累了丰富的经验，沉井的平面尺寸和下沉深度已达到相当的规模，但是近年来沉井施工过程中屡屡发生工程事故，如沉井歪斜、突沉、管涌，井下工程桩倾斜、断裂，突沉引起的人身伤亡事故，以及沉井封底后继续下沉等，分析其原因主要是对地质条件特别不良地质情况认识不够或重视不够；施工措施不到位，降水不当，盲目挖土；设计上结构布置不合理等。

本文针对长江岸边复杂地质条件下大型泵房沉井的设计与施工提出一些安全可靠、经济合理的技术措施，使得工程高质量如期完成。

１工程概况泰州电厂工程一期建设２×１０００ＭＷ超超临界机组，规划容量为４×１０００ＭＷ超超临界机组。

一期循泵房工程位于厂区内西南角，距长江大堤约１００ｍ。

循泵房的地下结构尺寸为４５．４ｍ×３８．４ｍ，泵房间运行层标高为４．０ｍ，滤网间为７．００ｍ，内底标高为－１１．０ｍ，室外设计地坪３．７０ｍ，外墙厚１．６ｍ，内墙厚１．０～１．２ｍ。

地下结构采用钢筋混凝土结构，沉井法施工，刃脚底标高－１５．８０ｍ，下沉深度约１９．５ｍ。

由于泵房刃脚位于⑤号粉砂层上，其下卧层为较软弱的⑥１号粉质粘土，不能作为天然地基持力层，因此沉井底部采用φ１０００ｍｍ钻孔灌注桩基础，桩长约４２ｍ，桩基持力层为⑧号中粗砂层。

２工程特点２．１泵房平面尺寸大，下沉深度深沉井平面尺寸为：４５．４ｍ×３８．４ｍ，下沉深度为１９．５ｍ，沉井重量达２１５００ｔ，对沉井制作、下沉、降水、挖土施工要求均很高；尽量避免沉井沿长边方向的偏移。

２．２地质条件复杂区域表层为填土，平均厚度２．７ｍ，该层土的承承载力较小，沉井制作时，须采取一定的措施；沉井上部穿越③淤泥质粉质粘土容易产生突沉、倾斜；下部穿越④２粉质粘土与粉土互层、⑤粉砂层，容易产生流砂。

２．３不利的区域环境本工程沉井在长江大堤内侧，沉井区域地下水与长江水联系密切，沉井下沉时必须充分考虑可能出现的流砂现象；由于沉井深度深，有效控制承压水的水头压力防止基底土突涌，确保基底土的稳定。

故降水是本沉井施工成败的关键之一。

２．４基础桩保护要求高沉井底部设计了基础桩，沉井下沉过程中需对基础桩进行保护，防止桩的倾斜、偏移，给沉井下沉施工带来了更高的技术要求。

３循泵房沉井设计第４期４／２００８３．１泵房沉井布置（１）沉井平面布置在满足工艺条件下，尽量均衡设置内隔墙。

泵房共有４台泵，设３道纵向１．２ｍ厚隔墙，对称布置；垂直水流方向（横向）的隔墙设置，在满足水流条件下，进水间宽度控制在９．５８ｍ，水泵间跨度控制在１０．６２ｍ，不仅使井壁厚能够控制在合理的范围内，而且井壁配筋量大大减少。

这样沉井重心基本在中心位置，不容易发生倾斜；并与桩中心基本重合，使桩受力更加合理，见图１。

图１泵房结构剖面图（２）外墙和内隔墙厚度在满足抗浮、结构强度、裂缝宽度的前提下，使沉井总重量适当减小，下沉系数控制在１．０５～１．１０之间，以利于下沉控制。

（３）隔墙布置时尽可能满足桩间距要求，使桩基布置均匀合理，充分利用桩间土对桩承载力提高的作用。

（４）转滤网间胸墙高度尽可能降低，对于超过８ｍ的开孔中间加横梁以减小壁柱的断面，使结构受力体系合理可靠。

３．２泵房桩基及沉井结构合理化设计（１）桩基采用φ１０００ｍｍ大直径灌注桩，增加桩自身强度，有效解决沉井下沉引起的偏桩、断桩问题。

（２）桩基计算中，单桩竖向承载力应分别根据地基土对桩的支承能力和桩身结构强度进行计算，采用大直径、高标号混凝土钻孔桩，并以桩身结构强度控制承载力，这样优化桩的数量及长度，进而节约投资。

（３）井所受浮力对桩基数量及长度影响，合理确定地下水位与井内运行水位的关系，达到即安全又经济的效果。

（４）井结构计算中，土压力计算中土内摩擦角度的取值对井壁受力影响很大，将土体内聚力Ｃ值折算计入摩擦角中，这样土体摩擦角可以提高，从而使井壁土压力降低，使配筋量减少。

３．３沉井下沉方式确定沉井下沉可分为排水下沉和不排水下沉两种方法。

采用排水下沉方案优点在于：施工速度较快，沉井下沉相对容易控制，封底质量较好。

另外沉井底部工程桩处理比较方便。

但排水下沉的前提是必须将地下水降至刃脚以下，针对本工程上部为淤泥质粉质粘土和沉井底板及刃脚处为粉砂的特殊地质水文条件，如地下水位降不到位，将会产生管涌，甚至突涌，扰动土层，不利于工程桩的保护和沉井稳定。

采用不排水下沉施工的优点是能通过沉井内水位平衡控制可能出现的管涌、突涌，以及减小由于坑底流砂、隆起而引起周边地面沉降的范围，有利于工程桩的保护。

其缺点是施工周期长，施工工艺复杂，潜水作业可控性差，桩头处理难度大，封底质量较难控制，其施工费用比排水下沉高。

本工程原设计采用不排水下沉方案，由于工期非常紧，综合上述比较，在地下水位能够有效降低的前提下，采用排水下沉较为有利。

最后本工程采用排水下沉施工方案，并将不排水下沉作为应急预案。

４循环水泵房沉井施工４．１沉井施工总体思路本工程基础钻孔灌注桩桩径１０００ｍｍ，桩深４２ｍ，共１０４根。

采用ＧＰＳ－１５Ａ型钻机成孔施工。

沉井采用三次制作、一次下沉、一次接高的施工方案。

第一次制作高度为：５．３０ｍ（－１５．８０ｍ￣－１０．５０ｍ），第二次制作高度为：６．００ｍ（－１０．５０ｍ￣－４．５０ｍ），第三次制作高度为：６．５０ｍ（－４．５０ｍ￣２．００ｍ），最后一次接高至顶板面，其高度为５ｍ。

沉井外周深井降水，水位控制在刃脚下０．５ｍ。

采用机械挖土；并进行分格对称封底。

４．２深井降水本沉井靠近长江边，地下水水位较高，沉井下沉时水头差较大。

排水下沉的关键在于降水的效果。

因此考虑在沉井四周布置深井降水，以满足沉井排水下沉及底板施工时的抗浮稳定。

深井距井壁外１０ｍ（防止沉井下时被破坏），深井环形布置，沉井中心设计降水标高为－１６．４ｍ（刃脚下０．６ｍ）。

根据地质报告，沉井区域③淤泥质粉质粘土、⑥１粉质粘土渗透系数小，可作为不透水层，④２粉质粘土与粉土互层、⑤粉砂渗透系数大，可作为透水层，渗透系数按加权平均值计算。

ｋ＝（ｈ１ｋ１＋ｈ２ｋ２）／（ｈ１＋ｈ２）＝（４×１２９×１０－６＋１０×３２９×１０－６）／（４＋１０）＝０．２３５ｍ／ｄ沉井中心处要求降低水位深度Ｓ＝１５．８＋２．７＋０．６＝１９．１ｍ降水影响半径：Ｒ＝１０Ｓｋ!＝１０×１９．１×０．２３５!＝９２．６ｍ等效半径：ｒ０＝０．２９（ａ＋ｂ）＝０．２９×（５４．４＋３８．４）＝２６．９ｍ基坑总排水量：Ｑ＝２．７３ＫＭＳｌｇ（１＋Ｒ／ｒ０）＝２．７３×０．２３５×１４×１９．１ｌｇ（１＋９２．６／２６．９）＝２６４．９ｍ３／ｄ单根管井的出水量：ｑ＝１２０πｒｓｌｋ３!＝１２０×３．１４×０．１５×１．０×０．２３５３!＝３４．９ｍ３／ｄ式中：ｄ深井直径，设计选用内径为φ３００ｍｍ钢筋自制王研明：电厂大型泵房沉井设计与施工・２９６・第４期４／２００８井管，ｒｓ为０．１５ｍ；取滤水管长度ｌ＝１．０ｍ。

深井数量的确定：ｎ＝１．１Ｑ／ｑ＝１．１×２６４．９／３４．９＝８．３经过计算并借鉴其它工程经验，结合本工程特点，计算出的基坑涌水量的数值明显偏小，考虑受长江水位的影响及沉井下沉过程中有部分井可能破坏失效，因此沉井四周间隔１５ｍ布置一口井，计１４口井，井深３２ｍ。

泵的扬程选用４０ｍ，选用１６台深井泵（２台备用）（见图２）。

图２深井平面布置实践证明此深井的布置是非常合理及可靠的，它有效的降低了沉井周围的地下水位，为沉井下沉及桩基的保护提供了可靠保证。

４．３选择稳妥的下沉系数沉井采用三次制作，一次下沉。

沉井下沉系数一般在１．０５～１．２５之间，当下沉系数较大时，沉井在淤泥质土中容易发生突沉、倾斜。

本工程区域上部位淤泥质土，下部沉井底版及刃脚为粉砂层，沉井总重达２１５００ｔ。

针对上述特点，要求下沉系数控制在１．０５～１．１０之间，使得沉井平稳下沉。

（１）初沉时，计算得下沉系数０．７６，略小于１，表示沉井处于平衡状态，只要沉井掏空底梁下的砂垫层，沉井就可以下沉。

（２）沉井下沉至砂垫层底时，计算得下沉系数１．０３，沉井开始平稳下沉。

（３）沉井入土下沉，底梁接触土层时的下沉系数１．０，控制挖土顺序，遵循平衡、对称、均匀的原则，下沉系数控制在１．０５左右，沉井平稳下沉。

（４）沉井终沉于⑤号土层，该土层容许承载力为１３０ｋＮ／ｍ２，计算得下沉稳定系数０．７５，说明沉井如期稳定到位。

４．４工程桩的保护在沉井制作前先在沉井底板下施打钻孔灌注桩。

根据类似工程的施工经验，沉井四周刃脚内侧灌注桩顶容易出现向内的水平位移，甚至出现断桩。

引起桩顶位移的水平力主要是由于沉井刃脚斜面上地基反力的水平分力及沉井内外土水压力差引起的刃脚下土的水平压力造成的。

同时由于沉井在淤泥质土中下沉，井壁四周摩擦力较小，下沉系数较大，沉井很容易出现偏斜，从而导致刃脚内侧对桩的水平力增大，加剧桩的水平位移。

根据以上情况，本工程采取以下工程桩保护措施：（１）加强预警措施，沿沉井内侧刃脚斜面向上均匀布置应力采集芯片（约１０只），通过预埋套管连线汇集到动态应力采集仪上，通过对沉井下沉过程中刃脚斜面上应力的采集，计算出各个深度刃脚斜面上水平分力值的大小，绘制应力变化曲线。