不同場地條件下埋地水池抗浮設計分析

鄭桂敏

（福州城建設計研究院有限公司，福建 福州 350001）

0 引言

隨著我國社會經濟快速發展，為滿足國民生活、生產用水需求，保護生態環境免受污水污染，給水廠和污水處理廠建設項目日益增多，而根據水廠工藝系統設計流程需要，部分水池為埋地水池，故存在抗浮設計問題。結構設計人員應根據勘察部門提供的抗浮設防水位對池體在施工階段、正常使用階段以及臨時檢修階段進行池體抗浮穩定分析，采取可靠、有效的抗浮措施來確保池體結構穩定。本文通過不同水文、地質條件下埋地水池抗浮設計水位分析，結合實際案例采取合理抗浮措施，在確保結構穩定安全的情況下，實現抗浮設計的合理性和經濟性。

1 抗浮設防水位的確定

福建省地處沿海丘陵地帶，水廠建設場地有濱海灘涂，也有丘陵山區，水文、地質條件變化大，所以埋地水池的抗浮設計措施不能一概而論，應進行有針對性的分析論證。抗浮設計概念是根據抗浮設防水位和工程經驗等形成的抗浮設計原則和設計思想，以及選擇抗浮措施和確定抗浮治理方案的活動[1]。抗浮設防水位是埋地水池的抗浮設計的基礎數據，對抗浮設計的合理性、經濟性起到至關重要的作用。抗浮設防水位的確定同時也是個爭議性很大的話題，抗浮水位定太高，抗浮成本急劇增加，滿足不了業主對工程成本的控制；抗浮水位定太低，存在抗浮失穩風險。但是抗浮水位精確確定難度非常大，即使充分考慮當地水文、地質條件和工程經驗也只能初步確定，需要勘察與設計人員充分溝通，以此確定滿足安全、合理的抗浮設計水位和抗浮措施。水處理構筑物抗浮水位的確定：

（1）建設于山地上的水廠，設計抗浮水位時，應考慮廠區周邊水文環境，是否存在較大溪流及大型流域，是否存在匯水面積較大的沖溝等。場地總平設計時，場地周邊應設置截洪溝，能及時將場地地表水從截洪溝排泄出場地。確定抗浮設防水位主要根據周邊水系防洪水位或場地穩定地下水位確定。同時考慮水池單體基礎持力層地質情況對抗浮水位的影響。若池體底板基礎持力層為排水條件較好的砂性土，地表做了可靠的排水系統，則不考慮地表水對池體抗浮水位影響；若基礎持力層為基巖，則可以考慮基底及四周設置排水盲溝，減少地表水滲入基底無法及時排走，對基底產生上浮力，同時抗浮設防水位較地下穩定水位做一定提高[5]。

（2）建設于濱海灘涂的廠區，應重點關注城市防洪內澇水位，考慮周邊水系系統的互補作用，做最不利情況的考慮。根據《福建省工程建設地方標準》規定，當無經驗時，對濱海和濱江的城鎮地區抗浮設防水位可取場地整平標高按埋深0.5m 考慮抗浮設防水位[3]。

2 水池抗浮設計的關鍵點

抗浮工程應根據工程地質和水文地質條件的復雜程度、地基基礎設計等級、使用功能要求及抗浮失效可能造成的對正常使用影響程度或危害程度進行重點分析、論證。給水廠及污水廠水處理構筑物一般采用鋼筋混凝土結構，常規工藝流程中，凈水廠埋深較大的建構筑物主要有：二級泵房、清水池、排泥水調節池；污水廠中埋深較大，體量大，抗浮失穩風險較高的有：氧化溝、二沉池、生化池，這些池體是抗浮設計的重點關注對象。其他埋深小，體量不大的池體，采用結構自重抗浮最為經濟、有效。

對需要重點關注的池體的抗浮設計，結構設計人員應進行經濟、技術比較，確定合理、有效的抗浮工程設計方案。設計人員應主動與上游專業溝通，在滿足上游專業工藝流程、使用功能要求的情況下，盡可能減少池體埋深，減小設防標準內的水浮力作用；若無法減少池體埋深，則通過改善結構體系，增加受力構件，避免出現整體抗浮滿足，而局部抗浮不足的情況；若整體和局部抗浮都不滿足要求時，則應增加配重層（又稱壓重法），或增設抗浮錨桿、抗拔樁等抗浮措施。每種方案應經過可實施性、可靠性、安全性論證，選擇相對經濟、合理的方案實施。

由于水廠水處理構筑物在正常使用階段，除了凈水廠二泵房為地下空間結構，必須考慮常態抗浮，其他蓄水池池體空池概率極低，而在池內蓄水狀態，不需要考慮抗浮問題。故這些蓄水水池使用階段的檢修期可通過適當的管理制度，規定池體空池檢修時間應避開雨季、臺風季節，并在池體外周設置地下水位監測井，底板下設置濾水層、匯水層及集水管，并形成有效連通系統，在監測井內設置液位控制泵，做好臨時應急抽排水，將抗浮設計水位調整至合理標高，可大幅度減少抗浮設計措施費用。

3 抗浮設計措施

（1）根據抗浮設防水位，結合上部結構形式，計算空池時抗浮設防水位下的水浮力作用，抗浮穩定驗算包括整體抗浮與局部抗浮兩個方面。兩者驗算后抗浮系數均滿足規范要求時，稱之為結構自重抗浮[2]。

（2）對抗浮驗算不滿足整體或局部抗浮驗算時，應采取其他抗浮措施，對只存在較小的整體抗浮不滿足時，可以通過增大結構構件截面增加自重，特別是頂板或底板厚度，也可通過增加底板外挑尺寸，增加覆土重或底板配重來保證抗浮。對于局部抗浮不滿足要求時，可增加傳力構件，比如增設內隔墻，以減少局部區域水浮力，也可通過局部設置抗浮錨桿、抗浮樁來增加抗浮能力，底板面增設混凝土配重層也能有效解決局部抗浮不足的問題[4]。

（3）施工、使用階段嚴格控制地下水位來保證抗浮穩定。池體施工階段，池體內外均有進出預留未封堵的管道貫通，基坑做好降水排水措施，能確保池體抗浮穩定；使用階段，池內大概率工況為蓄水狀態，不存在抗浮問題；池體需要臨時放空檢修，但由于檢修時間長短、頻率不能確定，可以在池體四周設置水位觀測井，并在放空檢修期間，設置液位控制泵，及時抽排地下水至抗浮設防水位標高，即泄水降壓法。采用降壓法具有局限性，如果池體體量大，底板結構剛度太小的池體，短時強降雨后地表水涌入和地下來水無法及時排走，則容易引起底板突發上浮事故，不建議采用。

4 抗浮設計案例分析

福建省某縣級污水處理廠建設工程，建設場地為山地，其中二沉池埋深4m（場地整平面至基礎底），為內直徑28m 圓形水池，僅外周設400mm 厚側壁，底板厚500mm，底板外挑500mm。

根據勘察報告，地下水埋藏條件和含水性質分類，場地地下水主要為賦存于各巖土層中孔隙潛水，主要接受地表水及大氣降水的補給，與場地西側溪流存在補給關系。場地排洪系統通暢，不存在場外大面積匯水入場內，抗浮設防水位按溪流洪水期最高水位定為整平標高以下2m。由于本單體底板面積大，且無內隔墻，底板局部抗浮不滿足要求，需要進行抗浮設計。

根據規范要求，水處理構筑物抗浮工程設計等級為乙級，使用期抗浮穩定安全系數w=1.05。基礎底板持力層以下6m 范圍均為碎石層，初步確定可采用以下兩種方案進行抗浮設計驗算：

（1）底板增設毛石砼配重層抗浮

施工工序：基礎結構底板施工完畢，澆筑毛石砼配重層。抗浮配重層工程造價約為22 萬。

（2）底板底增設錨桿抗浮

根據《建筑工程抗浮技術標準》錨桿法要求確定錨桿參數：錨桿直徑至少150mm，錨桿長度暫定6m；錨固體細石混凝土強度等級C30；注漿錨固體與土層間粘結強度標準值qsia=110kPa。由于錨固段土體為碎石層，為確保成孔質量，需要設鋼套筒護壁。單根錨桿極限抗拔承載力標準值=πd∑λi qsia1i=3.14×0.15×0.8×110×6=240kN。

根據規范要求：抗浮設計等級為乙級的工程，按裂縫控制進行設計，在荷載效應標準組合下錨固漿體中拉應力不應大于錨固漿體軸心受拉強度，取錨桿直徑200mm，錨桿抗拔承載力特征值取70kN。

施工工序為：施工準備→錨桿支座、鋼套管加工→定位→打入鋼套管→鋼套管內鉆孔→清孔→下錨桿→一次注漿→拔出鋼套管→二次注漿→養護→錨桿抗拔試驗。定額綜合單價約330 元/m。總造價（含檢測費）約18 萬。

兩種方案從安全性、可實施性、施工工期以及經濟性進行比較，見表1。

表1 兩種方案比較

經過分析比較，采用增設配重層抗浮安全性更高，可實施性更強，施工工期短，不可確定因素少，更為合理。目前項目已實施并運行，效果良好。

5 結束語

水廠建設工程為生命線工程，與人們生活息息相關。滿足設防標準的抗浮設計是埋地水池結構安全穩定的關鍵要素，但同時抗浮設計也對工程造價產生直接的影響，所以勘察單位應通過收集復雜的水文、地質資料，科學的分析，確定合理的設計抗浮水位，結構設計人員進行抗浮設計時應多方案比較，選擇合適的抗浮措施，并加強使用階段臨時檢修時間內地下水位控制，在安全穩定的基礎上確保抗浮設計有更好的經濟性和合理性。