大磡河河口左岸調蓄池結構設計研究

鄭富春

(深圳市水務規(guī)劃設計院股份有限公司，廣東 深圳 518000)

0 引 言

為了確保西麗水庫的入庫水質達標，廣東省深圳市南山區(qū)規(guī)劃實施了建成區(qū)徑流調蓄轉輸出庫的工程措施，項目區(qū)域包括白芒村、大磡村、麻磡村及王京坑村，大磡河流域水環(huán)境綜合治理工程(徑流調蓄轉輸工程)就是以上工程的組成部分。實施工程位于大磡河河口左岸的調蓄池，現(xiàn)場與大磡商業(yè)街毗鄰。調蓄容積8萬m3，占地17620m2。調蓄池占地區(qū)域內平均高程為40.70m，調蓄池基坑開挖深度為23.00-21.50m，基坑底部標高為18.90-20.80m[1]。

1 調蓄池結構設計相關參數(shù)

1.1 設計荷載

1.1.1 頂板荷載分析

回填土可取取調蓄池頂綠化部分最不利處，容重取值17N/m2，取覆土最大深度為2.00m，池頂高程38.70m。由此獲得土壓力荷載密度標準值為：2.50×17=42.50kN/m2。

1.1.2 調蓄池頂部水荷載

根據(jù)工程勘察報告所述，調蓄池設防水位為地面高程-0.50m，即40.70-0.50m=40.20m。

1.1.3 汽車及人群荷載部分

調蓄池上方可遵循《建筑結構荷載規(guī)范》GB50009-2012設定汽車荷載的標準值為20kN/m2，中間層設定汽車(消防車)荷載標準值為20kN/m2，人群荷載設定標準值為3.50kN/m2。

1.2 結構構件撓度限值

鋼筋混凝土屋蓋、鋼筋混凝土樓蓋以及樓梯撓度限值≤ l0/200(l0<7m)，式中 l0代表構件的計算跨度。

1.3 正常使用極限狀態(tài)抗裂度及裂縫寬度要求

因為調蓄池屬于地下結構，接觸的地下水具備輕度化學腐蝕性，歸為三類環(huán)境類別，鋼筋混凝土結構在施工時期的荷載作用下裂縫寬度最大限值為ωmax≤ 0.25mm。

2 調蓄池主體結構設計

2.1 主要材料

2.1.1 混凝土

調蓄池框架結構上部和構筑物結構上部皆為混凝土構件，梁、樓板、柱、池壁、底板等均采用C35混凝土；墊層采用C15，抗?jié)B等級S8。

2.1.2 鋼筋及鋼材

采用的型鋼規(guī)格為HPB300、HRB400，鋼板型號為Q235。

2.2 結構形式

2.2.1 整體

調蓄池的兩層結構均埋藏于地下。其結構為鋼筋混凝土的梯形箱體。池體長度為127.50m，寬度為97.50m，調蓄池底高程為20.00-21.80m，池頂部高程為37.80m，地面高程設定為40-42m。

2.2.2 頂板及柱網(wǎng)

頂板和底板都是鋼筋混凝土結構，采用立柱支撐頂板，頂板由網(wǎng)格主梁和次梁構成，立柱的支撐點就是網(wǎng)格主梁的交叉點，調蓄池柱網(wǎng)的布置要根據(jù)工藝特點進行，確保立柱的間距等同于最佳的經濟柱距。立柱規(guī)格設定為1m×1m，上面的次梁設置在相鄰兩根主梁中間?？梢愿鶕?jù)6m×6m間距布置頂板網(wǎng)格主、次梁，設定主梁寬0.50m、高1m，次梁寬為0.40m、高0.80m。在高程的28.35m處布設一層拉梁，起到連接框架柱的作用，拉梁的寬和高為0.50m×1.00m。設定頂板厚度為0.30m。調蓄池上面覆蓋1.50-2.50m的土，同時根據(jù)施工特點進行周邊綠化處理。

2.2.3 側壁

2.2.4 底板

相關建筑物的框架結構也是鋼筋混凝土，基礎為鋼筋混凝土筏板。調蓄池底板厚度可以按照受力計算和抗沖切計算獲得，本設計初定底板厚度1.30-2.00m。

2.3 結構計算

2.3.1 頂板及柱網(wǎng)計算

可以實施建模計算，采用盈建科YJKS1.9.3軟件。頂板主梁和次梁的間距布置根據(jù)6m×6m進行，立柱為1m×1m的尺寸，設定頂板厚度為0.30m。主梁的寬和高分別為0.50m和1.00m，次梁的寬和高分別為0.40m和0.80m，調蓄池上部覆土1.50-2.50m。通過軟件進行結構尺寸和配筋的計算，完全可以滿足設計要求。計算模型見圖1。

圖1 調蓄池整體結構計算模型

2.3.2 側壁計算

可以利用單構件建模的形式計算側墻，計算軟件可以選擇理正結構設計工具箱6.50PB2。側墻厚度為1.30-2.00m，總高度為18.10m。通過該軟件進行側墻的計算，完全符合設計要求。

2.3.3 底板計算

改革開放40周年，讓我們停下腳步來重新審視過去取得的成就，然后，帶著前人的智慧與堅持，加快邁向未來的步伐。

建模計算底板的軟件為盈建科YJKS1.9.3。設定底板厚度為1.30-2.00m。通過該軟件計算底板尺寸和配筋，完全可以符合規(guī)范要求。詳情可見圖2。

圖2 調蓄池整體內力云圖

2.3.4 地基計算

通過調蓄池的總體計算和單元分析計算，綜合了池中水滿、地下水位已經超過底板上1.50m、上面的人行和車行產生的荷載等不利的情況下，求得地基應力最大值為244kPa。并且地基所處的地質條件為中風化花崗巖上段、強風化花崗巖下段、微風化花崗巖中，該計算取最小承載力特征值為500kPa，所以，天然地基地承載力完全能夠符合調蓄池地基的要求[2]。

基于調蓄池地下結構是整體空箱，浮力作用會影響其實際運行，本計算采取在最不利的情況下實施抗浮驗算，最不利的情況為：地面以下2.50m以下是地下水位、池內沒有水，上部沒有車輛和行人荷載，計算公式如下：

(1)

式中：G為水池結構自重標準值，kN；F為頂板上部覆土重量和底板外延覆土重標準值，kN；W為地下水浮力標準值，kN；ηfw為浮托力折減系數(shù)；K為抗浮的安全系數(shù)。

2.3.5 局部抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)計算

Kf=q/rwHC

(2)

式中：Kf為抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)，取1.05；q為底板上單位面積的重量，kN；H為底板上面地下水位高度，kN；rw為水容重，取10kN/m3；C為滲透折減系數(shù)，取值為1；自重及壓重之和Gk(kN)為1702669.50；浮力作用值為2107215.00；Gk/Nw,k0.80<1.05難以滿足抗浮穩(wěn)定性，必須制定相應的抗浮措施。

2.4 構造措施

調蓄池長127.40m，寬97.40m，基于調蓄池過大的池體平面尺寸，會存在大體積混凝土溫度應力、不均勻地池體沉降等問題，決定在區(qū)域內池體設置沿長度方向的后澆帶，設置1m的寬度，30-40m的間距，柱距位置距離框架柱柱邊1/3。采用C40微膨脹鋼筋混凝土。

2.5 防腐設計

利用適量的抗裂抗腐蝕外加劑進行構筑物防腐。該防腐劑的摻入量通常為膠泥材料重量的5%-7%，實際的摻入量要根據(jù)級配試驗結果滿足強度、抗?jié)B等級、含堿量、限制膨脹率的基礎上進行確定。內壁防腐可考慮利用厚度不低于20mm的聚合物防腐水泥砂漿抹面，結構的外池壁和底板從設計地面到池底均采用環(huán)氧瀝青防腐防水處理。

3 調蓄池抗浮穩(wěn)定設計

因為該調蓄池體積較大，很厚的埋深，計算結果顯示，僅僅依靠構筑物的自身重量難以滿足抗浮穩(wěn)定的需求?？垢∫酶洕行У氖侄?，普遍應用的抗浮措施包括自重抗浮、錨固抗浮、配重抗浮等。按照現(xiàn)場地勘資料顯示，該調節(jié)池底板下的土層為殘積土、根據(jù)初設地勘資料調節(jié)池底板下土層依次為殘積土、中風化花崗巖、強風化花崗巖、全風化花崗巖，而土層承載力高的為微風化花崗巖，該地質與基樁的摩擦阻力、與錨固體之間黏結度都很大。所以，該調節(jié)池抗浮手段可利用灌注樁的方式[3]。

通過廠區(qū)支護樁設計與抗浮方案的結合，決定利用灌注樁抗浮，結合灌注樁φ1200進行6m×6m的廠區(qū)柱網(wǎng)布置，廠區(qū)設計布置280根抗浮樁?？紤]到周圍那些不利的樁孔，決定設置四區(qū)的抗浮樁廠區(qū)，抗浮樁布置圖如圖3所示。

圖3 大磡東調蓄池抗浮樁布置平面圖

按照地勘數(shù)據(jù)資料，相關設計參數(shù)如表1所示。

表1 樁參數(shù)建議值表

對于抗拔樁，其中樁側土摩阻力特征值建議值見表1，抗拔摩阻力折減系數(shù)如表2所示。

表2 抗拔摩阻力折減系數(shù)

按照以上抗浮方案的設計規(guī)定，大磡河河口左岸調蓄池設計抗拔承載特征值404545.50kN，廠區(qū)共設置抗浮樁280根。通過計算后顯示，單根抗拔樁所需抗拔力=404545.50/300=1348.50kN。

4 結 語

綜上所述，大磡河河口左岸調蓄池結構設計完全符合整體工程的各項技術要求。通過磡河流域水環(huán)境綜合治理工程(徑流調蓄轉輸工程)新建的調蓄池及相應的工程內容，將大磡村建成區(qū)雨水調蓄轉輸出庫，既確保下游承泄河道滿足防洪要求，也確保進入西麗水庫的水質達標。