花園式地下污水廠主體結構設計要點分析

董靜祎，朱曉章

(中國市政工程中南設計研究總院有限公司，武漢 430000)

隨著我國經濟建設的不斷發展，人民對環境的要求不斷提高。為改善水環境污染現狀，優化生活與投資環境，我國近年來投資建設了一大批地下污水處理廠。地下污水廠的建設緩解了土地資源浪費及環境污染的問題，隨著我國城市化水平和居民環境要求的提高，建設能夠與周邊環境協調、封閉性強、無二次污染的地下污水處理廠成為城市污水治理工程建設的新的發展趨勢和發展方向[1]。對于我國的大型城市污水處理廠來說，盡管一般都建在郊區，然而隨著城市規模的不斷擴大，很難保證這些污水處理廠以后不會對城市的自然環境構成威脅。為了使廠區與城市發展、環境保護相協調，起到利用環境、保護環境、提升環境的作用，部分地下廠采用花園式地下污水廠，這對結構設計又帶來了新的考驗。 該篇對花園式地下污水廠主體結構設計要點進行分析，供今后的結構應用做借鑒。

花園式地下污水廠主體結構的設計主要分為設計荷載及計算、抗滲控制設計、抗浮設計三大模塊。

1 設計荷載及計算

荷載按照《建筑結構荷載規范》(GB50009—2012)、《種植屋面工程技術規程》(JGJ155—2013)、《給水排水工程構筑物結構設計規范》(GB50069—2002)、《給水排水工程管道結構設計規范》(GB50332—2002)等相應有關規定取值。

鋼筋砼自重荷載按重度25 kN/m3計算；土體自重荷載按重度18 kN/m3計算；地下水自重荷載按重度10 kN/m3計算；凈水自重荷載按重度10.0～10.5 kN/m3計算；污水自重荷載按重度10.5 kN/m3計算；地面堆積荷載一般按10 kN/m2計算(若附近經常有車輛通過須另考慮)；側向土壓力按土質狀況采用水土分算或水土合算計算；簡單式種植屋面荷載不應小于1.0 kN/m2，花園式種植屋面荷載不應小于3.0 kN/m2，均應納入屋面結構永久荷載；種植土的荷載應按飽和水密度計算；植物荷載應包括初載植物荷重和植物生長增加的可變荷載。初載植物荷重具體見《種植屋面工程技術規程》(JGJ155—2013)表5.1.4，如表1所示。

表1 初載植物荷重

采用花園式地下污水廠，須考慮建筑景觀可能存在的凸起微地形，覆土荷載應充分考慮，并提醒上游景觀專業將大型喬木類植物栽種位置放在結構柱的區域。考慮到上層滯水的影響，地下水位建議考慮為齊地面。地下廠占地面積一般較大，須考慮施工時頂板可能存在走車的施工荷載，行車荷載建議按消防車或城-B考慮。由于頂板荷載普遍較大，建議頂板采用井字梁；當跨度很大時，可采用無粘結預應力混凝土結構。

按照結構實際受力過程，分施工階段、使用階段最不利荷載組合[2]。

結構構件根據承載力極限狀態和正常使用極限狀態的要求，分別進行承載力、穩定、變形、抗裂及裂縫寬度等方面的計算和驗算；構筑物應滿足承載力、剛度、穩定性、抗浮及允許裂縫開展寬度等要求[3]。鋼筋砼污水處理構筑物最大裂縫寬度不大于0.20 mm。

建議采用PKPM或YJK對地下箱體梁板柱進行計算，建議采用通用有限元軟件對箱體進行整體分析，并結合理正結構計算工具箱軟件復核墻板、底板配筋。有限元計算時，與做學術研究采用實體單元輸出應力應變結果分析不同，工程設計配筋需要得到彎矩剪力軸力等結果，故建模時應采用殼單元。

2 抗滲控制設計

鋼筋砼構筑物結構砼的抗滲等級根據深度為P6～P8，應控制地下箱體水池部分不滲水。各類貯水池滲水量按池壁和底面積總計計算，不得超過2 L/(m2·d)。

按規范規定，地下式現澆構筑物變形縫最大間距為30 m，但變形縫處往往是防水的薄弱部位，較易發生滲漏。對于可采用加強帶或后澆帶不設置變形縫的地下箱體，建議盡量選擇不設置變形縫，膨脹加強帶之間的間距宜為30～60 m，具體見《補償收縮混凝土應用技術規程》(JGJ/T178—2009)表4.0.4，如表2所示。

表2 補償收縮混凝土澆筑方式和構造形式

同時為了提高混凝土的防滲抗裂性能，可在水池混凝土中摻加低含堿量混凝土外加劑，外加劑摻量按水泥用量的一定比例計量，并以試配確認后為準，取代同等量的水泥。

因伸縮縫是池體變形設計的關鍵環節，因此設計與施工時要特別加以注意。伸縮縫處連接材料一般采用紫銅片止水片或橡膠止水帶，其中紫銅止水片具有銅含量高、可塑性強、伸縮性好、不易斷裂，止水性能持久不會損壞等優點，廣泛用于大中型構筑物的分縫止水，使用效果佳。

地下污水廠在采用了外加劑、加強帶等措施后設置縫間距離建議最大不超過120 m，縫間板塊尺寸建議控制在30 m以內，縫間板塊還應增設加強帶或后澆帶，加強帶或后澆帶之間距離不宜大于30 m，變形縫內預埋紫銅止水片進行接縫處理，可達到良好的抗裂止水效果。由于現場施工普遍存在環境較差難以將后澆帶處清理干凈的情況，建議少采用后澆帶或后澆式膨脹加強帶，多采用連續或間歇式膨脹加強帶。連續式膨脹加強帶如圖1所示，間歇式膨脹加強帶如圖2所示。

抗震縫按《建筑抗震設計規范》(GB50011—2010)(2016年版)的要求設置，縫寬不小于100 mm，可與變形縫聯合設置。

3 抗浮設計

地下構筑物整體抗浮須滿足抗浮安全系數K≥1.05的要求。由于地下廠一般都存在抗浮問題，當建構筑物不能滿足自重抗浮要求時，可根據情況分別采用配重、抗浮樁、錨桿抗浮。樁基的選用須根據巖土工程勘察資料及相關規范、規程并結合本地區工程經驗。

若采用高強預應力管樁抗浮方案可滿足所需的承載力要求、地基沉降量要求，缺點是抗拔能力較差，接頭易遭受地下水腐蝕。若基坑較深，需待基坑開挖后再進行管樁施工，既延長了工期又增加基坑暴露時間，從而增大安全隱患；若采用普通錨桿抗浮方案，需要抗浮錨桿長度較長，錨桿成孔性能較差，施工難度較大；若采用灌注樁抗浮方案，施工方法成熟可靠，且灌注樁可適用于不同深度樁基工程可與支護結構樁同期施工，可以縮短工期的同時減少基坑暴露時間，增加基坑內作業的安全性。

4 結 語

花園式地下污水廠與常規地上污水廠不同，頂板由于覆土、植被及施工荷載的影響，頂板荷載一般較大，為避免梁板配筋率過大，建議采用井字梁將荷載分攤，對于大跨度結構建議采用預應力梁；變形縫是防水的薄弱部位，較易發生滲漏，建議減少變形縫的設置，摻入混凝土添加劑，由于現場施工環境因素，建議多采用連續或間歇式膨脹加強帶；灌注樁場地適用性較強不宜斷樁，且能與基坑同期施工，較適合作為地下廠的抗壓抗拔樁。 由于地下污水廠箱體內部結構及設備布置較為復雜，涉及專業較多，若有條件建議采用BIM建模進行碰撞分析，避免各專業之間的沖突，并為今后的水務及施工智慧平臺奠定模型基礎[4]。