復雜條件下的特大型清水池設計

王水華

(中國市政工程西南設計研究總院，四川成都610081)

1 工程背景及概況

目前，成都市自來水廠總?cè)康娘嬘盟幚砟芰?60×104m3/d。而在2011年夏季用水高峰時段，需水總量已經(jīng)超過了飲用水的處理能力，全靠分布于各水廠內(nèi)的清水池調(diào)節(jié)，才勉強度過了難關。從近幾年成都的需水量增長情況分析，如果不及時采取工程措施增加供水能力，在2012年夏季用水高峰時段，必然會出現(xiàn)停水或水壓不足的情況。雖然相關部門已經(jīng)著手進行成都第七水廠的建設，但遠水解不了近渴，預計2013年底才能投入使用的這個水廠，肯定無法解決成都2012年、2013年夏季可能出現(xiàn)的用水荒。

鳳凰山加壓泵站就是在這種背景下提出來的，工程的核心內(nèi)容就是要建一座蓄水量達10×104m3的清水池和相關的加壓泵房等。這樣，就可以通過該清水池在夜間用水低谷時蓄水，在白天用水高峰往外送水來調(diào)節(jié)自來水供需矛盾。

這樣大容積的清水池是極其少見的，也是我院到目前為止設計容量最大的清水池。

2 主體結(jié)構(gòu)設計的特點和優(yōu)點

2.1 結(jié)構(gòu)形式

清水池一般可按頂板的支撐方式進行分類，最常見的就是導流墻承重體系和無梁樓蓋體系。但鳳凰山泵站清水池并沒有采用這兩種形式，而是采用了梁板體系，導流墻用磚砌筑但不承重。

清水池模板簡圖如圖1所示。

圖1 鳳凰山清水池模板簡圖

2.2 設計的特點和優(yōu)點

2.2.1 地震作用傳力途徑明確，安全可靠

清水池縱向由4條變形縫分為5個獨立的結(jié)構(gòu)單元。每條變形縫兩側(cè)的中間三跨導流墻采用鋼筋混凝土墻體(其余的導流墻均為磚砌體)。這樣，在每個獨立結(jié)構(gòu)單元的四周，都分布有鋼筋混凝土墻(剪力墻)。發(fā)生地震時，這些墻可有效的抵抗地震產(chǎn)生的水平力，保證了清水池的整體抗震安全。

清水池除了要滿足整體抗震安全要求外，還需要驗算地震時壁板及導流墻在動水壓力作用下的安全性。在汶川“5·12”地震中，就出現(xiàn)過磚砌導流墻承重體系的清水池因?qū)Я鲏植靠逅鷮е马敯逑蛳滤莸那闆r。鳳凰山清水池設計時筆者對其導流墻抗震作了細致深入的考慮。作用于磚砌導流墻上的地震動水壓力，先傳到水平圈梁，再由水平圈梁傳遞給鋼筋混凝土立柱，傳力途徑明確、可靠。最為關鍵的是，在進行水平圈梁和鋼筋混凝土立柱的強度驗算時，采用了不同的安全標準。水平圈梁嚴格按規(guī)范規(guī)定的地震烈度、分項系數(shù)進行配筋，不作任何調(diào)整。而在立柱的強度驗算時，則對其抗力進行了20%的提高。這樣，在遭受不高于設防烈度的地震時，磚砌導流墻不會破壞;在遭受罕遇地震時，磚砌導流墻會先于立柱破壞，使立柱受力大為減小，從而避免了立柱破壞引起的池頂蓋坍塌。

2.2.2 池深大，占地少，空間利用率高

鳳凰山加壓站建設場地位于鳳凰山西南側(cè)，可用面積較小(因待征地中一塊面積不小的軍事用地要在幾年后才能完成搬遷)，且為不容易利用的三角形坡地，構(gòu)(建)筑物的布置難度極大。

一般的清水池，池深基本在5.00 m以內(nèi)，而鳳凰山清水池的深度則達到了8.55 m，這也是我院目前為止所設計的最深的清水池。這樣的設計，使得清水池的占地面積大為減小。

設計任務書中，業(yè)主要求在站區(qū)內(nèi)設一棟面積不小于800 m3的倉庫。事實上，即便采取了8.55 m深的清水池方案，場地也只能勉強布置下所有必須的生產(chǎn)性構(gòu)(建)筑物而已，要再擺放下一座800 m3的倉庫根本就不可能。當時也考慮過其它方案，比如倉庫按兩層設計或分成兩個小倉庫擺放在場地內(nèi)剩下的邊角空地處。但這些方案都因為不方便使用而被否定。

最后，又只能再次在清水池上打主意。兩格清水池之間，原本就有凈寬4.00 m的管廊(管道是埋地的)，適當加寬后，就可以成為一個良好的倉儲空間。經(jīng)過核算，將管廊的凈寬增加到了5.80 m，并加設了頂蓋和吊車，形成了一座凈面積達950 m3的倉庫，滿足了業(yè)主的要求。

利用清水池管廊作為倉庫，也是鳳凰山清水池有別于其它清水池的一大特點。當然，這樣的做法，也給清水池的設計增加了不少的難度。

2.2.3 節(jié)省投資，便于施工

如果鳳凰山清水池采用四川地區(qū)常用的導流墻承重體系，就必須采用鋼筋混凝土導流墻。這是因為8.55 m高的承重導流墻，如果采用磚砌體，根本無法保證其在地震動水壓力作用下的安全。而采用鋼筋混凝土導流墻，必然會增加不少的投資，還會使清水池施工時間增加。

雖然采用無梁樓蓋體系在技術上是沒有問題的，但由于無梁樓蓋體系的柱帽在施工時支模非常麻煩，施工周期較長，顯然是不適合在工期如此緊張的本工程中采用的。并且，多年以來，四川地區(qū)新建的清水池，特別是大型清水池，極少采用無梁樓蓋體系，相關的施工經(jīng)驗也較為缺乏。而我院在鳳凰山清水池所采用的結(jié)構(gòu)體系，只有最為普通的梁、板、墻、柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)件，沒有任何施工難度，有利于縮短工期。

3 復雜的地質(zhì)條件及地基處理

3.1 地質(zhì)、水文條件

根據(jù)地質(zhì)勘查報告，地層從上到下可分為:

(1)人工填土層:

①雜填土，主要為建渣、磚瓦塊、砂卵石及少量黏性土等組成，結(jié)構(gòu)雜亂，分布不連續(xù)。

②素填土，主要由黏性土組成，混少量磚、瓦碎屑等，分布不連續(xù)。

(2)黏土層:

硬塑為主，局部可塑，全場地分布。屬膨脹土，膨脹潛勢為弱～中，地基的脹縮等級為Ⅱ級。

(3)泥巖層:

①全風化泥巖:巖體結(jié)構(gòu)已全部破壞，呈土狀，硬塑為主。

②強風化泥巖:巖體結(jié)構(gòu)已大部分破壞，構(gòu)造層理不清晰。巖體較完整。

③中風化泥巖:巖體結(jié)構(gòu)基本未破壞。巖體基本完整，不易擊碎。

富存于人工填土中的上層滯水，水量較大，水位不穩(wěn)定，埋深最淺處距地面僅0.50 m。

3.2 地基處理

如果單從土層情況來看，黏土層和泥巖層都是很好的持力層，似乎沒有什么問題。但是，由于場地限制，清水池的長度方向是順坡方向布置的，而各土層的分布，也是基本沿順坡方向變化的，這樣就使得清水池的底板橫跨了中風化泥巖、強風化泥巖、全風化泥巖、黏土層(膨脹土)和素填土層，地基極不均勻。

雖然，清水池荷載不大，但它對沉降很敏感。地基不均勻，就容易產(chǎn)生沉降差。沉降差過大時，正常運行就會受到影響。

針對地基不均勻且有膨脹土和場地上層滯水水量大的特點，設計采用了換填三合土墊層的方法進行處理。三合土體積配合比為灰 ∶土 ∶碎石=2∶5∶3。墊層厚度為500 mm，局部素填土則全部清除后進行換填。通過這樣的處理，在泥巖地基上形成了一個褥墊層，而在黏土地基上則形成了一個硬殼層，改善了地基的均勻性。為什么不采用當?shù)刈畛Ｓ玫纳奥咽鳛閾Q填材料，而要采用三合土呢?這是因為砂卵石滲透性強，上層滯水很容易通過它滲透到底板下，對底板的局部抗浮產(chǎn)生不利影響，同時也會使膨脹性黏土的含水率經(jīng)常變化而產(chǎn)生脹縮變形。三合土材料則不會產(chǎn)生這樣的問題。同時因為石灰對膨脹土有改性作用，可以直接采用場地內(nèi)的膨脹性黏土作為配合土料，有利于節(jié)省投資。

3.3 上層滯水的處理

場地人工填土層中，富存有大量的上層滯水。由此可以推斷，在清水池建成后，其基坑的回填土中，也必將會有大量滯水存在。如果不及時將這些滯水排出，就會形成水壓，對清水池池壁產(chǎn)生極為不利的影響。為此，設計在清水池周邊設置了一圈盲溝，并用管道將盲溝與低處的排水系統(tǒng)相連。這樣，滲入填土層中的地表水就可以通過盲溝進入排水系統(tǒng)，而不會滯留在基坑填土中，更不會形成水壓力對池壁造成影響。其排水盲溝的做法如圖2所示。

圖2 排水盲溝做法

4 結(jié)束語

現(xiàn)在，鳳凰山加壓泵站正在加緊進行建設，工程進展非常順利。相信通過參建各方的共同努力，在2012年夏季的用水高峰期來臨之際，這座特大型的清水池一定會順利完工并發(fā)揮其重要作用，讓成都市民免受缺水之苦。