花園式地下污水廠主體結構設計要點分析

董靜祎，朱曉章

(中國市政工程中南設計研究總院有限公司，武漢 430000)

隨著我國經濟建設的不斷發(fā)展，人民對環(huán)境的要求不斷提高。為改善水環(huán)境污染現狀，優(yōu)化生活與投資環(huán)境，我國近年來投資建設了一大批地下污水處理廠。地下污水廠的建設緩解了土地資源浪費及環(huán)境污染的問題，隨著我國城市化水平和居民環(huán)境要求的提高，建設能夠與周邊環(huán)境協(xié)調、封閉性強、無二次污染的地下污水處理廠成為城市污水治理工程建設的新的發(fā)展趨勢和發(fā)展方向[1]。對于我國的大型城市污水處理廠來說，盡管一般都建在郊區(qū)，然而隨著城市規(guī)模的不斷擴大，很難保證這些污水處理廠以后不會對城市的自然環(huán)境構成威脅。為了使廠區(qū)與城市發(fā)展、環(huán)境保護相協(xié)調，起到利用環(huán)境、保護環(huán)境、提升環(huán)境的作用，部分地下廠采用花園式地下污水廠，這對結構設計又帶來了新的考驗。 該篇對花園式地下污水廠主體結構設計要點進行分析，供今后的結構應用做借鑒。

花園式地下污水廠主體結構的設計主要分為設計荷載及計算、抗?jié)B控制設計、抗浮設計三大模塊。

1 設計荷載及計算

荷載按照《建筑結構荷載規(guī)范》(GB50009—2012)、《種植屋面工程技術規(guī)程》(JGJ155—2013)、《給水排水工程構筑物結構設計規(guī)范》(GB50069—2002)、《給水排水工程管道結構設計規(guī)范》(GB50332—2002)等相應有關規(guī)定取值。

鋼筋砼自重荷載按重度25 kN/m3計算；土體自重荷載按重度18 kN/m3計算；地下水自重荷載按重度10 kN/m3計算；凈水自重荷載按重度10.0～10.5 kN/m3計算；污水自重荷載按重度10.5 kN/m3計算；地面堆積荷載一般按10 kN/m2計算(若附近經常有車輛通過須另考慮)；側向土壓力按土質狀況采用水土分算或水土合算計算；簡單式種植屋面荷載不應小于1.0 kN/m2，花園式種植屋面荷載不應小于3.0 kN/m2，均應納入屋面結構永久荷載；種植土的荷載應按飽和水密度計算；植物荷載應包括初載植物荷重和植物生長增加的可變荷載。初載植物荷重具體見《種植屋面工程技術規(guī)程》(JGJ155—2013)表5.1.4，如表1所示。

表1 初載植物荷重

采用花園式地下污水廠，須考慮建筑景觀可能存在的凸起微地形，覆土荷載應充分考慮，并提醒上游景觀專業(yè)將大型喬木類植物栽種位置放在結構柱的區(qū)域。考慮到上層滯水的影響，地下水位建議考慮為齊地面。地下廠占地面積一般較大，須考慮施工時頂板可能存在走車的施工荷載，行車荷載建議按消防車或城-B考慮。由于頂板荷載普遍較大，建議頂板采用井字梁；當跨度很大時，可采用無粘結預應力混凝土結構。

按照結構實際受力過程，分施工階段、使用階段最不利荷載組合[2]。

結構構件根據承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的要求，分別進行承載力、穩(wěn)定、變形、抗裂及裂縫寬度等方面的計算和驗算；構筑物應滿足承載力、剛度、穩(wěn)定性、抗浮及允許裂縫開展寬度等要求[3]。鋼筋砼污水處理構筑物最大裂縫寬度不大于0.20 mm。

建議采用PKPM或YJK對地下箱體梁板柱進行計算，建議采用通用有限元軟件對箱體進行整體分析，并結合理正結構計算工具箱軟件復核墻板、底板配筋。有限元計算時，與做學術研究采用實體單元輸出應力應變結果分析不同，工程設計配筋需要得到彎矩剪力軸力等結果，故建模時應采用殼單元。

2 抗?jié)B控制設計

鋼筋砼構筑物結構砼的抗?jié)B等級根據深度為P6～P8，應控制地下箱體水池部分不滲水。各類貯水池滲水量按池壁和底面積總計計算，不得超過2 L/(m2·d)。

按規(guī)范規(guī)定，地下式現澆構筑物變形縫最大間距為30 m，但變形縫處往往是防水的薄弱部位，較易發(fā)生滲漏。對于可采用加強帶或后澆帶不設置變形縫的地下箱體，建議盡量選擇不設置變形縫，膨脹加強帶之間的間距宜為30～60 m，具體見《補償收縮混凝土應用技術規(guī)程》(JGJ/T178—2009)表4.0.4，如表2所示。

表2 補償收縮混凝土澆筑方式和構造形式

同時為了提高混凝土的防滲抗裂性能，可在水池混凝土中摻加低含堿量混凝土外加劑，外加劑摻量按水泥用量的一定比例計量，并以試配確認后為準，取代同等量的水泥。

因伸縮縫是池體變形設計的關鍵環(huán)節(jié)，因此設計與施工時要特別加以注意。伸縮縫處連接材料一般采用紫銅片止水片或橡膠止水帶，其中紫銅止水片具有銅含量高、可塑性強、伸縮性好、不易斷裂，止水性能持久不會損壞等優(yōu)點，廣泛用于大中型構筑物的分縫止水，使用效果佳。

地下污水廠在采用了外加劑、加強帶等措施后設置縫間距離建議最大不超過120 m，縫間板塊尺寸建議控制在30 m以內，縫間板塊還應增設加強帶或后澆帶，加強帶或后澆帶之間距離不宜大于30 m，變形縫內預埋紫銅止水片進行接縫處理，可達到良好的抗裂止水效果。由于現場施工普遍存在環(huán)境較差難以將后澆帶處清理干凈的情況，建議少采用后澆帶或后澆式膨脹加強帶，多采用連續(xù)或間歇式膨脹加強帶。連續(xù)式膨脹加強帶如圖1所示，間歇式膨脹加強帶如圖2所示。

抗震縫按《建筑抗震設計規(guī)范》(GB50011—2010)(2016年版)的要求設置，縫寬不小于100 mm，可與變形縫聯合設置。

3 抗浮設計

地下構筑物整體抗浮須滿足抗浮安全系數K≥1.05的要求。由于地下廠一般都存在抗浮問題，當建構筑物不能滿足自重抗浮要求時，可根據情況分別采用配重、抗浮樁、錨桿抗浮。樁基的選用須根據巖土工程勘察資料及相關規(guī)范、規(guī)程并結合本地區(qū)工程經驗。

若采用高強預應力管樁抗浮方案可滿足所需的承載力要求、地基沉降量要求，缺點是抗拔能力較差，接頭易遭受地下水腐蝕。若基坑較深，需待基坑開挖后再進行管樁施工，既延長了工期又增加基坑暴露時間，從而增大安全隱患；若采用普通錨桿抗浮方案，需要抗浮錨桿長度較長，錨桿成孔性能較差，施工難度較大；若采用灌注樁抗浮方案，施工方法成熟可靠，且灌注樁可適用于不同深度樁基工程可與支護結構樁同期施工，可以縮短工期的同時減少基坑暴露時間，增加基坑內作業(yè)的安全性。

4 結 語

花園式地下污水廠與常規(guī)地上污水廠不同，頂板由于覆土、植被及施工荷載的影響，頂板荷載一般較大，為避免梁板配筋率過大，建議采用井字梁將荷載分攤，對于大跨度結構建議采用預應力梁；變形縫是防水的薄弱部位，較易發(fā)生滲漏，建議減少變形縫的設置，摻入混凝土添加劑，由于現場施工環(huán)境因素，建議多采用連續(xù)或間歇式膨脹加強帶；灌注樁場地適用性較強不宜斷樁，且能與基坑同期施工，較適合作為地下廠的抗壓抗拔樁。 由于地下污水廠箱體內部結構及設備布置較為復雜，涉及專業(yè)較多，若有條件建議采用BIM建模進行碰撞分析，避免各專業(yè)之間的沖突，并為今后的水務及施工智慧平臺奠定模型基礎[4]。