Как насчет варианта:
Users — Varnish+Nginx LB — [WebServer1..N] — Memcached — DB
Т.е. Varnish будет принимать соединения от пользователей на 80 порту, отдавать кеш, затем все остальное форвардить на localhost:8080 где сидит Nginx, который распределяет трафик далее по нодам.
Удачи!