全地下污水處理廠抗浮設(shè)計要點分析

龔玉鋒

(深圳市廣匯源環(huán)境水務(wù)有限公司，廣東 深圳 518001)

壩光污水處理廠作為深圳市壩光生物谷片區(qū)唯一的污水處理設(shè)施，是該片區(qū)環(huán)境保護和環(huán)境提升的重要舉措之一。污水處理設(shè)計采用MBR(Membrane Bio-Reactor)膜處理工藝，總處理規(guī)模為6.0萬m3/d，其出水水質(zhì)需達到地Ⅳ類標準。壩光污水處理廠工藝流程見圖1。

圖1 壩光污水處理廠工藝流程

根據(jù)工藝布置，項目采用全地下式，上部整體覆土作為市政公園?，F(xiàn)狀地面高程在4.0～5.0m(56黃海高程，下同)，后期地面回填至6.5m，以滿足公園景觀及休閑等公共設(shè)施的需要。公園總用地面積9.4km2，污水處理廠頂板頂標高為5.0m，覆土厚度為1.5m，綠化荷載為3.5kN/m2。

初步設(shè)計時，考慮最不利工況提出需要設(shè)置抗浮錨桿，僅生化池就需要錨桿980余根，錨桿長度共計約10200m。此外，膜池、紫外線池和脫水間等均設(shè)置了數(shù)量不等，長短不一的抗浮錨桿。

本文根據(jù)壩光污水處理廠的工程特點，針對抗浮設(shè)計進行了較為全面的考慮，分析了各種影響因素，并提出了合理的考量和建議，為精細化考慮抗浮穩(wěn)定性，實施安全且經(jīng)濟的抗浮工程措施提供了重要的思路和借鑒。

1 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

工程區(qū)域位于大鵬半島東北部，屬亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候。場地水系不發(fā)育，地下水與北側(cè)海域存在緊密的水力聯(lián)系，連通性較好。

場地淺層松散巖類孔隙水賦存于填土層和砂層內(nèi)，主要接受大氣降水的垂直滲入和地下水的側(cè)向補給，排泄方式為蒸發(fā)和地下徑流?？碧狡陂g，地下水埋深為0.6～1.5m，位于素填土層中，孔隙水水位略高于海水水位。根據(jù)水文資料分析，本區(qū)域地下水位年變化幅度為0.5～2.0m。

2 水池抗浮設(shè)計

本工程中生化池、膜池、紫外線池和脫水間等均采用地下式布置，實際工程中，常常由于抗浮穩(wěn)定性不足而出現(xiàn)地下結(jié)構(gòu)上浮、開裂、傾斜或漂移等現(xiàn)象，影響其正常使用，增加后期處理及維修費用。因此，必須重視結(jié)構(gòu)的抗浮穩(wěn)定問題。

針對壩光污水處理廠結(jié)構(gòu)設(shè)計，本文對生化池整體及局部抗浮性進行了分析計算。根據(jù)相關(guān)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范，結(jié)構(gòu)整體抗浮穩(wěn)定性按下式驗算：

Gk/Nw，k≥Kw

(1)

式中Gk——建筑物自重及壓重之和，kN；

Nw，k——浮力作用值，kN；

Kw——抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)，一般情況下可取1.05。

當中間柱或隔墻，除應(yīng)滿足整體抗浮穩(wěn)定性之外，還應(yīng)計算柱或隔墻局部區(qū)域的抗浮穩(wěn)定性。局部抗浮驗算公式為：

Gn/Nn≥Kw

(2)

式中Gn——局部受荷區(qū)域的自重及壓重之和，kN；

Nn——局部受荷區(qū)域的浮力作用值，kN。

按地面標高6.5m、地下水位埋深0.5m考慮，由以上公式初步計算，底板頂標高為-9.7m，初步復(fù)核水池抗浮穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求。根據(jù)場地?zé)o排水、減壓等工程措施減小水池浮力的情況，提出了在水池底板下設(shè)置錨桿的抗浮措施，抗浮錨桿平面布置見圖2。

圖2 生化池抗浮錨桿平面布置

生化池共布置抗浮錨桿980余根，不同區(qū)域內(nèi)的錨桿長度分別為8.0～15.0m，共計約10200m。單根錨桿豎向抗拔力特征值取225kN，錨桿采用直徑40mm的HRB400普通熱壓螺紋筋。

3 水池抗浮設(shè)計要點的考慮

3.1 抗浮不滿足要求的解決途徑

壩光污水處理廠生化池平面尺寸為55.10m×55.60m(長×寬)，頂板上覆土厚度1.0m，結(jié)構(gòu)自重約341000kN，地下水位為4.5m時總浮力471000kN，其抗浮穩(wěn)定系數(shù)僅為0.72。

根據(jù)抗浮穩(wěn)定系數(shù)計算公式可知，為增加水池的抗浮穩(wěn)定性，可采用以下兩種方式：?增加建筑物自重及壓重，即增加水池抗浮能力；?減小浮力作用值。針對工程特點和水池結(jié)構(gòu)設(shè)計，地下水浮力按照阿基米德原理計算，僅與結(jié)構(gòu)的體積有關(guān)。限于場地布置和臨海的工程特點，減小水池的埋置深度，人工降低地下水位，則后期運行維護費用高，可靠性和有效性差，或與周邊規(guī)劃存在沖突。故實際設(shè)計中，通過增加結(jié)構(gòu)的抗浮力來解決抗浮穩(wěn)定的問題。

a.控制內(nèi)外水位差。保證池內(nèi)水位不低于-4.0m(低于水池排水口底高程)，水池內(nèi)水重約154000kN，則抗浮穩(wěn)定系數(shù)可滿足規(guī)范規(guī)定。

b.增加配重或抗拔力。在進行水池抗浮設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)水池自身的特點、場地條件、抗浮水位等因素合理確定抗浮計算的設(shè)計工況，從而合理優(yōu)化抗浮設(shè)計，過度保守或者偏于不安全都是不可取的。

例如上文對于池內(nèi)水重的考慮，雖然《水質(zhì)凈化運行手冊》中規(guī)定水廠運行水位不得低于-4.0m，但在檢修或者事故工況，存在排空水池內(nèi)所有水體的可能，故抗浮計算中原則上不得考慮水池內(nèi)水重。

因此對于本工程應(yīng)采用壓載抗浮、降排截水、抗浮錨桿、抗拔樁等工程措施來增加結(jié)構(gòu)的抗浮性能，從而滿足規(guī)范的要求。

3.2 合理確定設(shè)計水位

抗浮設(shè)計對于地下水池的安全運行非常重要，其穩(wěn)定性驗算屬承載能力極限狀態(tài)驗算。應(yīng)合理確定其設(shè)計水位，選定最不利工況。原抗浮計算中地下水位按6.0m考慮，依據(jù)的是建成后廠區(qū)地面高程為6.5m，地勘報告建議抗浮設(shè)計水位取地面標高以下0.5m。

廠區(qū)的地面標高是由綠地公園建設(shè)形成的，有局部微地形。廠區(qū)現(xiàn)狀地面及周邊規(guī)劃道路高程為5.0m左右，外側(cè)數(shù)百米即為大海，地下水基本與之連通。因此，在廠區(qū)周邊地形地貌條件下，不可能形成6.0m的穩(wěn)定水位。因此抗浮穩(wěn)定計算時，可結(jié)合當?shù)氐牡匦蔚孛?、水文地質(zhì)條件綜合分析，參考外海最高設(shè)計水位(百年一遇高潮位2.91m)加一定的安全裕度確定水位，最高不超過4.5m。

考慮到綠地公園建設(shè)需要，污水廠頂板以上覆土一般采用滲透性較好的耕植土或綠化土，不會按照工程要求進行壓實防滲處理，而且不排除大暴雨時形成局部高地下水位，最終的抗浮仍按常水位設(shè)計，按地面以下50cm的最高水位進行校核。

3.3 抗浮計算工況

彭美珍[1]介紹了污水處理廠二沉池抗浮設(shè)計考慮控制水位的案例。對于本工程，抗浮計算工況包括施工期、正常運行期和特殊檢修期。正常運行工況是長期工況，需綜合考慮最不利的水位條件。而施工期和特殊檢修期的抗浮可以通過非工程措施來解決(例如通過抽排確保基坑內(nèi)積水深度不大于某一深度、臨時在構(gòu)筑物內(nèi)部堆積重物或積水以增加抗浮)。各種工況的控制水位如下：

a.施工工況(臨時工況)：可不考慮抗浮作用，要求基坑內(nèi)積水明排，水池周邊未回填前，積水深度小于4m?；蛘咴O(shè)置后澆墻，允許超過積水深度的水進入水池。

b.完工工況1(正常運行極限狀態(tài))：地下水設(shè)計常水位+池內(nèi)設(shè)計低水位。

c.完工工況2(承載能力極限狀態(tài))：特殊檢修條件：設(shè)計最高地下水位+池內(nèi)無水。

3.4 池壁側(cè)向摩擦力的考慮

對于埋深和平面尺寸不大的構(gòu)筑物，不考慮周邊土體的抗浮作用，而僅將其作為安全裕度考慮是合適的。但對于壩光污水處理廠生化池，埋深在13.0～17.0m，平面尺寸為55.1m×56.2m，不考慮土的側(cè)向摩阻力是不合理的。對于側(cè)向摩阻力作用，可保守考慮為主動土壓力，不考慮回填土固結(jié)引起的對抗浮有利的負摩阻力。

根據(jù)地勘報告給出的各巖土層物理力學(xué)性質(zhì)試驗成果統(tǒng)計表，取回填土有效摩擦角為15°,摩阻力系數(shù)為0.35，計算得總摩阻力為154000kN。在考慮土側(cè)向摩阻力的條件下，無須其他附加抗浮工程措施，均可滿足最不利完工工況:正常運行期Kw大于1.25；特殊檢修期Kw大于1.05。

3.5 抗拔錨桿取值

本工程還從安全角度出發(fā)，完全不考慮側(cè)向土壓力的摩阻效應(yīng)，對抗浮錨桿進行設(shè)計。需要說明的是，采用抗浮結(jié)構(gòu)如抗拔樁、抗浮錨桿等，其抗拔力隨著樁或錨桿的變形而變化，直至達到極限大值。但不允許對結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)產(chǎn)生過大的位移量。

本工程采用有限元進行計算分析，單根抗浮錨桿達到設(shè)計抗拔承載力特征值225kN時，結(jié)構(gòu)變形僅為0.23mm，滿足水池底板位移控制要求。

3.6 浮力計算

一般按靜水壓力計算浮力，但規(guī)范條文說明中指出，對于基底有一定厚度的弱透水性地層，可根據(jù)滲流計算浮力，或根據(jù)當?shù)亟?jīng)驗，對水壓力進行適當折減。對于本工程基底主要位于風(fēng)化泥巖—強風(fēng)化粉砂巖。根據(jù)地勘報告：粉質(zhì)黏土為弱透水性，殘積土為微透水性，全—微風(fēng)化巖為弱透水性。

實際上作用在底板上的浮力僅僅是孔隙水壓力，在孔隙水壓力之外是土顆粒的有效應(yīng)力，浮力及抗浮力計算簡圖見圖3。土體孔隙率在全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖中為0.6～0.9，即水壓力(浮力)作用的應(yīng)該只是土體孔隙中與底板不接觸的部分。

圖3 浮力及抗浮力計算簡圖

由于本工程未進行滲流計算，也無當?shù)毓こ探?jīng)驗，故提出不考慮折減，僅作為安全裕度考慮。

3.7 其他

郭曉品等[2]、劉中吉等[3]提到利用底板外挑，通過墻趾以上部分的覆土重增加抗浮力，這也是抗浮設(shè)計常用的方法之一。但此方法限于周邊建筑及外挑長度，一般增加的幅度不大，且對局部抗浮基本不起作用?？山Y(jié)合基坑支護設(shè)計，適當調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計，充分發(fā)揮現(xiàn)有工程作用。

a.本工程基坑北側(cè)為樁錨支護，可將墻趾外挑至樁錨側(cè)，見圖4，從而利用樁錨支護的抗浮作用進一步優(yōu)化抗浮錨桿或提高抗浮安全裕度。

圖4 墻趾外挑示意 (單位：mm)

b.在結(jié)構(gòu)平面對角位置分別設(shè)置2.0m的永久水位觀測圓形井，在需要完全放空池內(nèi)水的情況下，可采用一定的降水措施確保在不考慮土體摩阻力抗浮作用的情況下，保證結(jié)構(gòu)的整體抗浮。

c.與樁錨側(cè)的回填，材料選用6%的水泥石粉渣，可采用小型機械碾壓，進一步增加墻側(cè)摩阻力，提高抗浮穩(wěn)定系數(shù)。其他具備碾壓施工條件的，可按一般回填土壓實要求，壓實系數(shù)不小于92%。

4 結(jié) 語

a.在進行水池抗浮設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)水池自身的特點、場地條件、抗浮水位等因素合理確定抗浮計算的邊界條件，從而合理優(yōu)化抗浮設(shè)計，避免不必要的浪費或過度設(shè)計。

b.本文通過分析增加抗浮穩(wěn)定性的多種方式，提出了合理考慮影響水池結(jié)構(gòu)整體抗浮穩(wěn)定的因素。對工程采用的抗浮錨桿設(shè)計進行了優(yōu)化。

c.從結(jié)構(gòu)設(shè)計的角度，提出了增加趾板挑寬、利用基坑支護結(jié)構(gòu)、設(shè)置永久水位觀測井等非結(jié)構(gòu)性措施來保障水池的抗浮穩(wěn)定性，增加安全裕度。

以上各種措施，均應(yīng)用到實際設(shè)計，降低了工程造價，縮短了工期，提升了工程效益。本工程的膜池、紫外線池和脫水間等均采用以上方法進行了合理優(yōu)化，也可為其他類似工程的抗浮設(shè)計提供思路。