不同場地條件下埋地水池抗浮設(shè)計(jì)分析

鄭桂敏

（福州城建設(shè)計(jì)研究院有限公司，福建 福州 350001）

0 引言

隨著我國社會經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，為滿足國民生活、生產(chǎn)用水需求，保護(hù)生態(tài)環(huán)境免受污水污染，給水廠和污水處理廠建設(shè)項(xiàng)目日益增多，而根據(jù)水廠工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程需要，部分水池為埋地水池，故存在抗浮設(shè)計(jì)問題。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)勘察部門提供的抗浮設(shè)防水位對池體在施工階段、正常使用階段以及臨時(shí)檢修階段進(jìn)行池體抗浮穩(wěn)定分析，采取可靠、有效的抗浮措施來確保池體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。本文通過不同水文、地質(zhì)條件下埋地水池抗浮設(shè)計(jì)水位分析，結(jié)合實(shí)際案例采取合理抗浮措施，在確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全的情況下，實(shí)現(xiàn)抗浮設(shè)計(jì)的合理性和經(jīng)濟(jì)性。

1 抗浮設(shè)防水位的確定

福建省地處沿海丘陵地帶，水廠建設(shè)場地有濱海灘涂，也有丘陵山區(qū)，水文、地質(zhì)條件變化大，所以埋地水池的抗浮設(shè)計(jì)措施不能一概而論，應(yīng)進(jìn)行有針對性的分析論證。抗浮設(shè)計(jì)概念是根據(jù)抗浮設(shè)防水位和工程經(jīng)驗(yàn)等形成的抗浮設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思想，以及選擇抗浮措施和確定抗浮治理方案的活動(dòng)[1]?？垢≡O(shè)防水位是埋地水池的抗浮設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對抗浮設(shè)計(jì)的合理性、經(jīng)濟(jì)性起到至關(guān)重要的作用。抗浮設(shè)防水位的確定同時(shí)也是個(gè)爭議性很大的話題，抗浮水位定太高，抗浮成本急劇增加，滿足不了業(yè)主對工程成本的控制；抗浮水位定太低，存在抗浮失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。但是抗浮水位精確確定難度非常大，即使充分考慮當(dāng)?shù)厮?、地質(zhì)條件和工程經(jīng)驗(yàn)也只能初步確定，需要勘察與設(shè)計(jì)人員充分溝通，以此確定滿足安全、合理的抗浮設(shè)計(jì)水位和抗浮措施。水處理構(gòu)筑物抗浮水位的確定：

（1）建設(shè)于山地上的水廠，設(shè)計(jì)抗浮水位時(shí)，應(yīng)考慮廠區(qū)周邊水文環(huán)境，是否存在較大溪流及大型流域，是否存在匯水面積較大的沖溝等。場地總平設(shè)計(jì)時(shí)，場地周邊應(yīng)設(shè)置截洪溝，能及時(shí)將場地地表水從截洪溝排泄出場地。確定抗浮設(shè)防水位主要根據(jù)周邊水系防洪水位或場地穩(wěn)定地下水位確定。同時(shí)考慮水池單體基礎(chǔ)持力層地質(zhì)情況對抗浮水位的影響。若池體底板基礎(chǔ)持力層為排水條件較好的砂性土，地表做了可靠的排水系統(tǒng)，則不考慮地表水對池體抗浮水位影響；若基礎(chǔ)持力層為基巖，則可以考慮基底及四周設(shè)置排水盲溝，減少地表水滲入基底無法及時(shí)排走，對基底產(chǎn)生上浮力，同時(shí)抗浮設(shè)防水位較地下穩(wěn)定水位做一定提高[5]。

（2）建設(shè)于濱海灘涂的廠區(qū)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注城市防洪內(nèi)澇水位，考慮周邊水系系統(tǒng)的互補(bǔ)作用，做最不利情況的考慮。根據(jù)《福建省工程建設(shè)地方標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，當(dāng)無經(jīng)驗(yàn)時(shí)，對濱海和濱江的城鎮(zhèn)地區(qū)抗浮設(shè)防水位可取場地整平標(biāo)高按埋深0.5m 考慮抗浮設(shè)防水位[3]。

2 水池抗浮設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)

抗浮工程應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件的復(fù)雜程度、地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級、使用功能要求及抗浮失效可能造成的對正常使用影響程度或危害程度進(jìn)行重點(diǎn)分析、論證。給水廠及污水廠水處理構(gòu)筑物一般采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，常規(guī)工藝流程中，凈水廠埋深較大的建構(gòu)筑物主要有：二級泵房、清水池、排泥水調(diào)節(jié)池；污水廠中埋深較大，體量大，抗浮失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)較高的有：氧化溝、二沉池、生化池，這些池體是抗浮設(shè)計(jì)的重點(diǎn)關(guān)注對象。其他埋深小，體量不大的池體，采用結(jié)構(gòu)自重抗浮最為經(jīng)濟(jì)、有效。

對需要重點(diǎn)關(guān)注的池體的抗浮設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、技術(shù)比較，確定合理、有效的抗浮工程設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)人員應(yīng)主動(dòng)與上游專業(yè)溝通，在滿足上游專業(yè)工藝流程、使用功能要求的情況下，盡可能減少池體埋深，減小設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的水浮力作用；若無法減少池體埋深，則通過改善結(jié)構(gòu)體系，增加受力構(gòu)件，避免出現(xiàn)整體抗浮滿足，而局部抗浮不足的情況；若整體和局部抗浮都不滿足要求時(shí)，則應(yīng)增加配重層（又稱壓重法），或增設(shè)抗浮錨桿、抗拔樁等抗浮措施。每種方案應(yīng)經(jīng)過可實(shí)施性、可靠性、安全性論證，選擇相對經(jīng)濟(jì)、合理的方案實(shí)施。

由于水廠水處理構(gòu)筑物在正常使用階段，除了凈水廠二泵房為地下空間結(jié)構(gòu)，必須考慮常態(tài)抗浮，其他蓄水池池體空池概率極低，而在池內(nèi)蓄水狀態(tài)，不需要考慮抗浮問題。故這些蓄水水池使用階段的檢修期可通過適當(dāng)?shù)墓芾碇贫?，?guī)定池體空池檢修時(shí)間應(yīng)避開雨季、臺風(fēng)季節(jié)，并在池體外周設(shè)置地下水位監(jiān)測井，底板下設(shè)置濾水層、匯水層及集水管，并形成有效連通系統(tǒng)，在監(jiān)測井內(nèi)設(shè)置液位控制泵，做好臨時(shí)應(yīng)急抽排水，將抗浮設(shè)計(jì)水位調(diào)整至合理標(biāo)高，可大幅度減少抗浮設(shè)計(jì)措施費(fèi)用。

3 抗浮設(shè)計(jì)措施

（1）根據(jù)抗浮設(shè)防水位，結(jié)合上部結(jié)構(gòu)形式，計(jì)算空池時(shí)抗浮設(shè)防水位下的水浮力作用，抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算包括整體抗浮與局部抗浮兩個(gè)方面。兩者驗(yàn)算后抗浮系數(shù)均滿足規(guī)范要求時(shí)，稱之為結(jié)構(gòu)自重抗浮[2]。

（2）對抗浮驗(yàn)算不滿足整體或局部抗浮驗(yàn)算時(shí)，應(yīng)采取其他抗浮措施，對只存在較小的整體抗浮不滿足時(shí)，可以通過增大結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面增加自重，特別是頂板或底板厚度，也可通過增加底板外挑尺寸，增加覆土重或底板配重來保證抗浮。對于局部抗浮不滿足要求時(shí)，可增加傳力構(gòu)件，比如增設(shè)內(nèi)隔墻，以減少局部區(qū)域水浮力，也可通過局部設(shè)置抗浮錨桿、抗浮樁來增加抗浮能力，底板面增設(shè)混凝土配重層也能有效解決局部抗浮不足的問題[4]。

（3）施工、使用階段嚴(yán)格控制地下水位來保證抗浮穩(wěn)定。池體施工階段，池體內(nèi)外均有進(jìn)出預(yù)留未封堵的管道貫通，基坑做好降水排水措施，能確保池體抗浮穩(wěn)定；使用階段，池內(nèi)大概率工況為蓄水狀態(tài)，不存在抗浮問題；池體需要臨時(shí)放空檢修，但由于檢修時(shí)間長短、頻率不能確定，可以在池體四周設(shè)置水位觀測井，并在放空檢修期間，設(shè)置液位控制泵，及時(shí)抽排地下水至抗浮設(shè)防水位標(biāo)高，即泄水降壓法。采用降壓法具有局限性，如果池體體量大，底板結(jié)構(gòu)剛度太小的池體，短時(shí)強(qiáng)降雨后地表水涌入和地下來水無法及時(shí)排走，則容易引起底板突發(fā)上浮事故，不建議采用。

4 抗浮設(shè)計(jì)案例分析

福建省某縣級污水處理廠建設(shè)工程，建設(shè)場地為山地，其中二沉池埋深4m（場地整平面至基礎(chǔ)底），為內(nèi)直徑28m 圓形水池，僅外周設(shè)400mm 厚側(cè)壁，底板厚500mm，底板外挑500mm。

根據(jù)勘察報(bào)告，地下水埋藏條件和含水性質(zhì)分類，場地地下水主要為賦存于各巖土層中孔隙潛水，主要接受地表水及大氣降水的補(bǔ)給，與場地西側(cè)溪流存在補(bǔ)給關(guān)系。場地排洪系統(tǒng)通暢，不存在場外大面積匯水入場內(nèi)，抗浮設(shè)防水位按溪流洪水期最高水位定為整平標(biāo)高以下2m。由于本單體底板面積大，且無內(nèi)隔墻，底板局部抗浮不滿足要求，需要進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)。

根據(jù)規(guī)范要求，水處理構(gòu)筑物抗浮工程設(shè)計(jì)等級為乙級，使用期抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)w=1.05?；A(chǔ)底板持力層以下6m 范圍均為碎石層，初步確定可采用以下兩種方案進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)驗(yàn)算：

（1）底板增設(shè)毛石砼配重層抗浮

施工工序：基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)底板施工完畢，澆筑毛石砼配重層?？垢∨渲貙庸こ淘靸r(jià)約為22 萬。

（2）底板底增設(shè)錨桿抗浮

根據(jù)《建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》錨桿法要求確定錨桿參數(shù)：錨桿直徑至少150mm，錨桿長度暫定6m；錨固體細(xì)石混凝土強(qiáng)度等級C30；注漿錨固體與土層間粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值qsia=110kPa。由于錨固段土體為碎石層，為確保成孔質(zhì)量，需要設(shè)鋼套筒護(hù)壁。單根錨桿極限抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值=πd∑λi qsia1i=3.14×0.15×0.8×110×6=240kN。

根據(jù)規(guī)范要求：抗浮設(shè)計(jì)等級為乙級的工程，按裂縫控制進(jìn)行設(shè)計(jì)，在荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下錨固漿體中拉應(yīng)力不應(yīng)大于錨固漿體軸心受拉強(qiáng)度，取錨桿直徑200mm，錨桿抗拔承載力特征值取70kN。

施工工序?yàn)椋菏┕?zhǔn)備→錨桿支座、鋼套管加工→定位→打入鋼套管→鋼套管內(nèi)鉆孔→清孔→下錨桿→一次注漿→拔出鋼套管→二次注漿→養(yǎng)護(hù)→錨桿抗拔試驗(yàn)。定額綜合單價(jià)約330 元/m?？傇靸r(jià)（含檢測費(fèi)）約18 萬。

兩種方案從安全性、可實(shí)施性、施工工期以及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較，見表1。

表1 兩種方案比較

經(jīng)過分析比較，采用增設(shè)配重層抗浮安全性更高，可實(shí)施性更強(qiáng)，施工工期短，不可確定因素少，更為合理。目前項(xiàng)目已實(shí)施并運(yùn)行，效果良好。

5 結(jié)束語

水廠建設(shè)工程為生命線工程，與人們生活息息相關(guān)。滿足設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的抗浮設(shè)計(jì)是埋地水池結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的關(guān)鍵要素，但同時(shí)抗浮設(shè)計(jì)也對工程造價(jià)產(chǎn)生直接的影響，所以勘察單位應(yīng)通過收集復(fù)雜的水文、地質(zhì)資料，科學(xué)的分析，確定合理的設(shè)計(jì)抗浮水位，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)多方案比較，選擇合適的抗浮措施，并加強(qiáng)使用階段臨時(shí)檢修時(shí)間內(nèi)地下水位控制，在安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)上確?？垢≡O(shè)計(jì)有更好的經(jīng)濟(jì)性和合理性。