給排水構(gòu)筑物抗浮設計及工程應用研究

黃建新

(江蘇省如東縣建筑工程安全監(jiān)督站，江蘇 如東 226400)

0 引 言

隨著我國環(huán)保產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，環(huán)境、市政等工程項目大量投建，其中以大型水處理構(gòu)筑物最具代表性。在進行建設于地下水位高且埋深較深的地下水池排空檢修的過程中，地下水會對水池等構(gòu)筑物產(chǎn)生較大的上浮力，影響構(gòu)筑物的安全性。所以，在構(gòu)筑物設計階段必須采取恰當?shù)目垢〈胧╊A防構(gòu)筑物因上浮力的作用而發(fā)生開裂以及周圍相連管道因受力不均而出現(xiàn)破壞，保證構(gòu)筑物長期安全穩(wěn)定運行。與此同時，不同的抗浮設計和抗浮措施既影響抗浮效果，又與工程造價直接相關(guān)，必須在充分保證構(gòu)筑物運行安全的基礎上，從技術(shù)可行性和經(jīng)濟性等角度選擇恰當適用的抗浮措施。

當前，較為常用的抗浮設計包括抗力平衡型和降水疏排型兩類?？沽ζ胶庑涂垢≡O計主要借助自重或壓重、抗拔錨桿及抗拔樁等措施加大抗力，使之超過地下水浮力后實現(xiàn)構(gòu)筑物抗浮穩(wěn)定的目的；降水疏排型抗浮設計則主要通過砂石反濾層、排水盲溝、降水井、抗浮閥等排降水措施的應用，使地下水位降至自重平衡抗浮水位，實現(xiàn)抗浮穩(wěn)定。

抗力平衡型和降水疏排型抗浮措施在設計理念、技術(shù)要求、施工難度及工程造價等方面存在較大差異?？沽ζ胶庑涂垢〈胧┕に嚤容^成熟，適用性較廣，且無需后期運營監(jiān)管等投入，對于長期處于高地下水位且土質(zhì)不良的南方及沿海地區(qū)的構(gòu)筑物較為適用，為增強抗浮效果，還可以將地基設計為承壓和抗拔一體樁[1]，使其兼具承受上部荷載和抗浮的作用。而對于地下水位長期較低運行且構(gòu)筑物僅在短時間的排空檢修期內(nèi)有抗浮安全需要的情況，如果將其按照長期最不利水位設計，則勢必增大建設成本。降水疏排型抗浮設計施工工藝簡單，周期較短，施工成本低，且只在構(gòu)筑物放空檢修期內(nèi)地下水位達設計高度的情況下，才需要以人工措施降低地下水位。降水疏排型抗浮措施對于諸如北方地區(qū)的構(gòu)筑物地下水位年平均值較低且放空檢修期可控制在枯水期進行的情況較為適用，通過設置降水井，既能在構(gòu)筑物高水位運行過程中實現(xiàn)基坑降水的目的，還能用于后期監(jiān)測。此外，若因周圍建筑物引水等因素造成地下水位升高，如果采用抗力平衡型抗浮設計將難以滿足構(gòu)筑物安全穩(wěn)定運行的需要，而改用降水疏排型抗浮設計，則可以通過加大抽水量[2]以快速消除水浮力問題。但降水疏排型抗浮措施在應用過程中需要考慮砂石反濾層的維護費用等問題。

1 工程概況

某污水處理廠三期工程所處區(qū)域表層為第四系新近沉積黏土、粉土和粉細砂，根據(jù)地勘結(jié)果，場地內(nèi)存在的地下水主要為第四系潛水，水位埋深1.8 m，不同土層地基承載力在90～150 MPa，且構(gòu)筑物中的鋼筋在長期浸水情況下具有弱腐蝕性，在干濕交替的情況下具有中等腐蝕性，場地內(nèi)不存在液化、濕陷等不良地質(zhì)，鉆孔灌注樁樁基參數(shù)詳見表1。

表1 鉆孔灌注樁樁基參數(shù)

污水處理廠三期工程二沉池為圓形敞口水池，池外徑3.8 m，池高4.90 m，池底板埋深4.0 m，地下水位埋深1.8 m，二沉池構(gòu)筑物抗浮設計必須綜合考慮并比較壓重、抗拔樁等抗浮設計措施的抗浮能力，比較結(jié)果見表2。該三期工程生化池設計尺寸70.0 m 75.5 m，池高7.5 m，池底埋深最低達5.5 m，地下水位埋深1.8 m，生化池構(gòu)筑物抗浮設計應綜合比較壓重、抗拔樁、砂石反濾層、錨桿等抗浮措施，比較結(jié)果見表3。

表2 二沉池構(gòu)筑物抗浮措施比較

表3 生化池構(gòu)筑物抗浮措施比較

2 二沉池抗浮措施設計

2.1 壓重

考慮到本污水處理廠三期工程二沉池構(gòu)筑物自重和浮力相當，可以采用壓重即增加配重的抗浮措施，即在鋼筋混凝土底板下增設厚度50 cm的C30混凝土墊層，墊層總厚度60 cm，并在墊層和底板之間增設構(gòu)造拉筋。

增加配重的抗浮措施施工過程簡便，無需后續(xù)運行管理，但是在設計過程中必須將挖方增加、降水等費用及池壁長度加長、底板配筋量增大等因素和不利影響考慮進去，若墊層配重過厚，會因墊層和底板之間的拉筋而增大施工難度，對于地下水有腐蝕性的施工及運行環(huán)境，還會因底板與墊層間微小縫隙受地下水腐蝕后導致底板與配重墊層分離而引發(fā)抗浮設計失效。

2.2 抗拔樁

抗拔樁抗浮措施主要借助樁側(cè)摩阻力抵抗地下水對構(gòu)筑物施加的浮力，抗拔樁樁徑通常在40～60 cm之間，樁距為200～300 cm，抗拔樁主要有灌注樁和預制樁等樁型?？紤]到污水處理廠三期工程二沉池構(gòu)筑物為平板基礎，樁徑越小則同體積樁表面積所產(chǎn)生的摩擦力越大，所以，必須選擇樁徑小、單樁抗拔力小的抗拔樁密布布置，并根據(jù)地勘結(jié)果所顯示的不同土層摩阻力及構(gòu)筑物設計抗浮力進行樁長和樁徑的確定。在二沉池底板下增設樁徑50 cm、樁長600 cm、樁間距280 cm的C35混凝土鉆孔灌注樁150根，單樁豎向抗拔承載力設計值為200 kPa?？拱螛犊垢〈胧┦┕ず啽?，耐久性好，且對地下水環(huán)境有較好的適用性。

通過表2中對壓重和抗拔樁兩種二沉池構(gòu)筑物抗浮措施的工程量及施工費用的比較可以看出，污水處理廠三期工程二沉池構(gòu)筑物應當選擇壓重的抗浮設計，在減少工程量的同時控制施工費用，故選擇壓重的抗浮設計。

3 生化池抗浮措施設計

3.1 壓重

在生化池池底增加1.8 m厚的C20混凝土墊層配重，若墊層厚度較大可能會在底板和墊層之間引發(fā)裂縫、降低拉筋強度而導致墊層和底板發(fā)生分離，引起抗浮措施失效，無法保證抗浮施工質(zhì)量。根據(jù)地勘結(jié)果將配重墊層厚度設計為1.8 m。

3.2 抗拔樁

在生化池池底板以下增設直徑50 cm、長度9.8 m的C35混凝土鉆孔灌注樁，并結(jié)合生化池內(nèi)部所采取的分隔情況，將樁間距設定為2.2～3.0 m，單樁豎向抗拔承載力設計值為350 kPa，灌注樁設置數(shù)量為960根。

3.3 砂石反濾層

砂石反濾層通常由3、4層粒徑不同的砂石、碎石等材料構(gòu)成，在反濾層施工過程中必須加強砂石顆粒的分級和排列，以保證順水流向的顆粒粒徑逐層增大，并防止細顆粒土在持續(xù)水壓的影響下堵塞有效滲水孔隙和通道，達到水位穩(wěn)定的要求。反濾層的施工必須嚴格按照層次和厚度進行，在鋪設反濾層的過程中應當通過平板振搗器振搗密實，且濾料應當選擇質(zhì)地堅硬、不易風化水解的石料，并用土工布包裹碎石。與其余抗浮措施相比，砂石反濾層造價低廉、施工簡便，但是反濾層容易遭堵塞，如遇非正常排空且無法及時實現(xiàn)降水，則會增大構(gòu)筑物上浮的風險[3]。本生化池池底墊層下鋪設30 cm厚的砂石反濾層和5座降水井，并通過盲溝將降水井和砂石層項鏈。

通過表3中對污水處理廠三期工程生化池構(gòu)筑物壓重、抗拔樁、砂石反濾層等抗浮設計進行的工程量及費用的比較可以看出，壓重設計的總費用為1 682 800元，抗拔樁設計的總費用為2 822 400元，砂石反濾層措施的總費用136 400元，結(jié)合各項措施的施工難易程度綜合考慮后，最終選擇砂石反濾層抗浮設計。

4 結(jié) 論

結(jié)合工程應用可以看出，給排水構(gòu)筑物抗浮設計及抗浮措施的選擇對工程造價及結(jié)構(gòu)受力有較大影響，在抗浮設計過程中為實現(xiàn)安全性、經(jīng)濟性及技術(shù)可行性的目標，必須結(jié)合地勘資料和場地具體情況、地下水位變化等進行抗浮水位的合理確定，并據(jù)此進行抗浮方案的選擇。分析結(jié)果表明，該污水處理廠三期工程二沉池選擇壓重的抗浮設計，生化池采用砂石反濾層抗浮設計。