某地埋污水處理廠地下處理中心結構設計

周政

（廣州市市政工程設計研究總院有限公司，廣州 510060）

1 工程概況

為與周邊規劃銜接好，充分利用土地，減小對周邊環境的影響，污水處理廠采用構筑物集約化、組團式、全地埋方式進行布置越來越普遍[1]。清遠市某污水處理廠地下處理中心由生化池、二沉池、高效沉淀池、濾布濾池、出水提升泵房、消防水池及排空池等合建而成。地下處理中心總長131.25 m，總寬56.5 m，為地下2層結構（局部1層），其中，池底標高為2.45～5.50 m，夾層面標高為11.0 m/11.5 m，頂面標高為14.50 m。地下處理中心頂部覆土厚度為0.5 m，地上新建運動場等休閑公共設施。地下處理中心平面布置示意圖如圖1所示。

圖1 地下處理中心平面布置示意圖

2 工程地質條件

根據地勘資料，綜合鉆孔深度范圍內揭露的地質資料詳細地層分布及其特性自上而下分述如下，鉆孔剖面圖如圖2所示。

圖2 鉆孔剖面圖

1）①1素填土：主要為粉質黏土，未完成自重固結，地基承載力特征值fak=60 kPa。

2）②1粉質黏土：可塑～軟塑。成分以黏粉粒為主，fak=100kPa。

3）②2淤泥質土：軟流塑狀。成分以粉黏粒為主，fak=45 kPa。

4）③1粉質粘土：可塑狀。成分以黏粉粒為主，fak=140 kPa。

5）③2卵石：以次圓狀中～微風化砂巖卵石為主，少量礫石，fak=300 kPa。

6）④1殘積粉質粘土：可塑狀。以黏粉粒為主，fak=180 kPa。

7）④2殘積軟土：軟塑、流塑狀，fak=60 kPa。

8）⑤1強風化粉砂巖：節理裂隙極發育，次生黏土化強。巖體破碎，極軟巖，fak=400 kPa。

9）⑤2中風化粉砂巖：泥質結構，塊狀構造。節理裂隙較發育，軟巖，較完整，fak=1 800 kPa。

10）⑤3強風化灰巖：微晶質狀結構，塊狀構造。裂隙較發育，巖體較破碎，fak=600 kPa。

11）⑤4微風化石灰巖：微晶質狀結構，塊狀構造。巖體較完整，較硬巖，fak=8 000 kPa。

12）⑥1溶洞（RD）：鉆孔見溶洞率7.7%，巖溶中等發育。全充填可塑殘積土，輕微滲水，溶洞穩定性較差或差。

場地地下水分布類型主要為：（1）上層滯水，主要賦存于素填土層，賦水量較為豐富；（2）孔隙性潛水，主要含水層為圓礫層，賦水量較大；（3）基巖中含裂隙水和溶裂隙溶洞水。地下水和土對混凝土結構均呈微腐蝕性。

3 結構設計

3.1 地基處理

根據地質勘察報告，地下處理中心底板大部分位于②2淤泥質土層，其余部分位于③2卵石層。初步計算，地下處理中心的地基反力約為130 kPa，③2卵石層是天然基礎合適的持力層，②2淤泥質土層為軟弱的不良地基土層未經處理不宜直接作為持力層。基底巖石巖性不一，巖面起伏大，風化不均勻。

考慮到地下處理中心各持力層的不均勻性、埋深大、體積大需要采取抗浮措施、地基承載力要求、避免產生不均勻沉降等因素，綜合考慮采用樁基礎。常用的樁基礎有預應力管樁和鉆孔灌注樁；鉆孔灌注樁對鄰近建筑物及周圍環境的有害影響小，樁端可嵌入巖層，單樁承載力大等優點；而預應力管樁樁身抗剪能力較差，不能嵌巖，且穿越深厚卵石層較為困難。最終選用φ800 mm鉆孔灌注樁，樁端進入強/中/微風化層一定深度。由于勘察鉆孔揭露的地層起伏很大、差異性較大，樁長從6～25 m不等，生化池、二沉池及高效池等區域單樁豎向抗壓承載力特征值要求分別不低于4 000 kN、3 200 kN、4 300 kN。

3.2 抗浮設計

地下處理中心設計地坪標高較周圍住宅小區及道路高，根據一期項目抗浮設防水位、周邊住宅小區道路路面標高結合地勘報告，最終選定抗浮設防水位為12.50 m。經計算，僅考慮結構自重抗浮時，地下處理中心的抗浮系數為0.80，與規范要求的抗浮力相差較大?？垢〔粷M足時，常用的抗浮措施有結構自重抗浮、壓重抗浮、抗浮樁、抗浮錨桿等[2]?？垢〈胧┑谋冗x詳見表1。

表1 抗浮措施比選表

因此，最終選用φ800 mm鉆孔灌注樁作為抗浮樁，與結構自重、景觀覆土共同抗浮。通過調整抗拔樁的間距保證主體結構的整體抗浮和局部抗浮的安全，同時可利用內支撐立柱的灌注樁作為抗浮樁使用。經計算，生化池、二沉池及高效池等區域單樁抗拔承載力特征值要求分別不低于1 600 kN、1 200 kN、1 900 kN。

3.3 池體結構設計

整個地下處理中心結構包括底板、中板、頂板、內外壁板等組成，根據工藝平面布置確定主要柱網尺寸為5.5 m（二沉池區域為10.0 m）×5.85 m，橫向分為20跨，縱向分為10跨。

底板作為貯水構筑物底板和主體結構的筏板基礎，需要滿足底板抗彎承載力要求、抗沖切承載力要求、最大裂縫寬度要求以及作為池體外壁板固定支座的剛度要求。地下處理中心采用抗浮樁+結構自重+綠化覆土壓重進行抗浮，無論是自重還是抗浮樁樁頂錨固長度都要求底板需要一定的厚度，經過計算確定底板的厚度為1 000 mm。

中板主要功能為連接通道、設備檢修區、設備操作區，樓面荷載較小，但是由于工藝設備要求設置了大量的檢修孔洞，大大削弱了樓板剛度，在洞口處布置次梁進行補強，中板采用主次梁結構承受豎向荷載和傳遞水平荷載，中板厚度為150 mm。

頂板作為地面層，除自重外主要承受上部覆土的重量及人員活動和檢修時的荷載，柱網上布置截面尺寸為350 mm×750 mm（二沉池區域橫向主梁為450 mm×1 000 mm）的主梁，并設置一道橫向和豎向300 mm×600 mm的次梁，經計算頂板厚度為200 mm。

外池壁主要承受池外的水土壓力以及池內的水壓力，當池內無水池外有土時為最不利工況，根據水土壓力自頂向底呈三角形分布的受力特點，并以最大裂縫寬度0.20 mm[3]為控制條件，采用變截面池壁，厚度為500～900 mm。內側分隔墻按一側有水另一側無水的不利工況，經計算，厚度取為400 mm/500 mm。尚應復核計算單向板池壁角隅彎矩[4]，在池壁轉角部位設置角隅附加筋。地下處理中心結構剖面圖如圖3所示。

圖3 結構剖面圖

3.4 超長池體結構處理

地下處理中心平面尺寸較大，長約131.2 m，約寬56.5 m，超過了GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》[5]規定的伸縮縫最大間距30 m的要求，但是在水池中設置永久伸縮縫止水施工困難，容易出現滲漏問題，日后修補更加困難。地下處理中心為全地埋結構，池內常年滿水運行，結構內外溫差較小，通過采取以下措施能有效避免或者減少超長結構裂縫的產生和發展：

1）在長度方向設置4道后澆帶（加強帶），寬度方向設置1道后澆帶（加強帶），以此減小混凝土的溫度應力以及地基不均勻沉降。

2）底板采用柔性防水（TPO防水卷材），兼做滑動層，能起到一定的隔離和軟化約束效應，降低溫度應力；即使出現微小的收縮裂縫，外防水層也能起到阻止滲漏的作用；

3）使用低水化熱水泥，嚴格控制混凝土的水灰比及坍落度；利用混凝土后期強度，加長養護時間，基坑盡早回填。

4）采用細而密的鋼筋，適當提高底板、側壁、頂板的配筋率，增加構造配筋。

4 結語

以清遠市某地埋污水處理廠地下處理中心為例，介紹在平面尺寸大、埋深較大、地質條件復雜情況下，地埋污水處理廠的結構設計要點。該工程目前已通水運行，效果良好，達到了結構設計目標，總結經驗如下。

1）考慮到地下處理中心各持力層的不均勻性、地基承載力要求高以及避免產生不均勻沉降等因素，地基處理采用樁基礎。

2）抗浮力與浮力相差較大，結合地基處理方式，采用鉆孔灌注樁作為抗浮樁和豎向承載力樁。

3）結合工藝平面布置特點、埋深及覆土厚度合理布置受力體系，并根據結構受力特點合理確定結構斷面尺寸。

4）超長結構可通過設置后澆帶和其他技術措施減少溫度應力以及裂縫的產生和發展，盡量避免在水池中設置結構縫。