昆明某地下水質凈化設施（極限除磷間）結構設計要點

顧 華

中國市政工程西南設計研究總院有限公司

1 前言

近年來，世界各國開始研究并且建立地下式水質凈化設施，其實正是因為地下式水質凈化設施有它的諸多優(yōu)勢。相比較傳統(tǒng)的水質凈化設施，傳統(tǒng)方式在地面上建立，占地面積較大，而且由于許多污水的味道較大，對周圍的空氣造成一定的污染，影響了周圍居民的正常生活。相反，地下式的設施就很好地解決了以上所存在的問題，地下不會占取地面土地，節(jié)省了地面土地，這樣地面土地可以更好地用在其他方面，其次，地下式的處理方式有封閉性好的優(yōu)點不會對周圍居民空氣造成影響，噪聲等方面的問題也迎刃而解，這都是地下式的優(yōu)點，但是事物都是一把雙刃劍，有諸多優(yōu)點的同時也存在著一些問題，比如說，地下的建設成本較高，后期的生產(chǎn)使用環(huán)節(jié)成本也會相對較高，這些技術性上的問題需要我們重視起來早日找到解決的良好辦法。

2 工程概況

2.1 水文地質條件

擬建場地地貌上屬于滇池斷陷湖積盆地與邊緣山麓交接地帶，巖土體類別較多，總體上較為復雜。根據(jù)鉆探揭露，室內(nèi)外資料綜合整理，將擬建場地地基土層主要分為：第四系人工填土層（Qml）；第四系沖湖積黏土、有機質黏土、圓礫層（Qal+l）；第四系坡殘積黏土（Qdl+el）；下伏基巖為寒武系龍王廟組白云巖（∈2l）。場地地下水埋深在0.90m～11.60m 之間，穩(wěn)定標高1891.80m～1904.76m，且水位多處于填土中，具局部凸狀，為填土滲透性不均勻所引起。地下水類型主要為兩類：一為賦存于上部填土、黏性土中的少量上層滯水，富水性較弱；二為賦存于圓礫層中的第四系孔隙型潛水，微具承壓性；其主要補給來源為大氣降水及地表水（相互補給，旱季為地表水補給地下水，雨季則為地下水補給地表水），無明顯流向。場地地表水及地下水對混凝土結構及鋼筋混凝土結構中的鋼筋有微腐蝕性，地基土對混凝土結構、鋼筋混凝土結構中的鋼筋及外露鋼結構有微腐蝕性。

2.2 結構概況

本工程水質凈化設施一、二期極限脫磷工程（10萬m3∕d），極限除磷間采用地下式方式建設，地面綠化。地下除磷間地下箱體直角呈梯形布置，直角長邊約123.5m，直角短邊長64.6m，直角最短邊12.2m。通過綜合管廊、車道與普照水質凈化廠地下處理區(qū)聯(lián)通。普照極限脫磷工程與普照調(diào)蓄池工程合建。分為地下2 層，地下負一層為除磷間，地下負二層為調(diào)蓄池，地面覆土2.0m。箱體大部分深度18.2m，局部19.0m。

3 結構設計

3.1 結構布置

主要由基礎底板、中層頂板、屋面板和外墻組成。其中基礎底板采用梁板式筏板基礎；中層板作為除磷間底板，采用主次梁結構現(xiàn)澆樓蓋；屋面板為景觀區(qū)，采用梁板結構現(xiàn)澆樓蓋；外墻為鋼筋混凝土擋土墻。通過概念設計和定性分析，樓蓋結構屋面設置橫向主梁，負一層主梁梁截面尺寸主要為500mm×1200mm，次梁梁截面尺寸主要為400mm×1000mm。頂層主梁梁截面尺寸主要為700mm×1500mm，次梁梁截面尺寸主要為400mm×1000mm。柱截面采用800mm×800mm，并增設混凝土墻傳遞較大的豎向荷載利于柱軸壓比控制，加強橫向土側壓力的傳遞。底板厚1000mm，外墻主要截面厚度為800mm。

3.2 荷載設計

屋面覆土厚度為2.0m，并種植灌木，本工程取屋面荷載q恒=45kN∕m2，q活=5kN∕m2；管廊作為日常進出和設備安裝維修通道，需要考慮行車荷載，同時作為消防通道，需考慮消防車荷載，本工程取消防車荷載3OkN∕m2；由于屋面荷載較大，結構異形，柱距為滿足使用要求較大，最大柱距達到14.0m。

3.3 抗浮設計

抗浮設計對工程投資影響較大，同時也關系到地下結構安全的重大問題，合理選擇地下室埋深和抗浮水位的關系較為重要。地下結構抗浮水位是一個復雜的問題，場地土層差異性，場地地下水復雜多變性，給地下室抗浮水位的確定帶來了較大困難，但抗浮水位又是地下室抗浮設計中一個重要的參數(shù)。本工程周邊緊鄰河道且存在透水層，應按設計基準期的最高洪水位來確定其抗浮水位，以確保設計使用年限內(nèi)可能出現(xiàn)的最不利情況地下水質凈化處理設施結構安全，抗浮設計水位取值為河道50 年一遇最高洪水位:1900.30m 進行設計。通過計算本工程浮力為857300kN，抗浮力為571660kN，自重抗浮不能滿足要求，需增加抗浮措施。地下構筑物永久性構造的抗浮措施一般有以下幾種：增加池體厚度以增加結構重量；利用底板外伸部分增加回填土的重量；采用抗浮樁（錨桿）措施等。增加池體厚度以增加結構重量和利用底板外伸部分增加回填土的重量一般用于抗浮重量與浮力相差不大時采用，由于本工程抗浮力與浮力相差較大，抗浮措施采用抗浮樁的方式，通過多方案比選抗浮樁采用旋挖鉆孔灌注樁的方式，樁徑0.8m。本工程緊鄰河道，最大埋深達到19.0m，為避免在施工過程形成“腳盆”效應，基坑成為“大腳盆”，地下部分形成“小腳盆”，基坑內(nèi)停止降水時間為“主體結構完成并完成頂板填土”。

抗浮設計中要提前計算好抗浮樁的數(shù)量，抗浮樁分為了兩種形式，一種是利用自身重量，通過結構自重來進行抗浮，另外一種是純底板區(qū)域內(nèi)的抗浮樁，兩種不同的形式，產(chǎn)生的抗浮效果不盡相同，而且產(chǎn)生抗浮的形式不同，因此，計算抗浮樁分數(shù)量時，計算方法也不同。我們需要分別計算出抗浮樁影響區(qū)域寬度和抗浮樁影響面積，然后依據(jù)地下式水質凈化設施的整體結構重量和面積來得出抗浮樁分數(shù)量。確?？垢斗謹?shù)量在國家規(guī)定范圍內(nèi)的正常區(qū)域數(shù)據(jù)以保證地下式水質凈化設施的良好抗浮效果，進而保證整個建筑結構的安全性。本地下式水質凈化設施采用點式布置，提前計算了梁柱墻的相應受力情況，包括各個結構的相應數(shù)據(jù)。確保整個結構的抗浮作用。

3.4 抗?jié)B設計

本工程采用C40 防水混凝土，抗?jié)B等級P8，控制鋼筋混凝土構筑物表面滲水量，滲水量按池壁和底板面積總計，不得超過 2（L∕m2·d）。

3.5 構造措施

（1）為了滿足大型水處理構筑物的工藝要求，提高混凝土的防滲抗裂性能，既保證結構設計的合理性又減少水滲漏的可能性。由于結構的跨度較大，直接造成了混凝土結構跨度過大，從而產(chǎn)生了諸多的隱患，而且會造成混凝土開裂等危險情況的出現(xiàn)。究其原因，最重要的就是因為建筑材料混凝土的緣故。眾所周知混凝土材料是近代以來我們使用最多也是最方便的一種建筑材料。混凝土材料的特殊性造成了它容易在凝固前期形成開裂。接下來就地下式水質凈化設施結構分析我們結構混凝土開裂的原因，原因有兩個方面，一方面是我們上文提到的混凝土前期的材料問題，攪拌不均勻或者混凝土配比未按照設計要求進行配比，造成了前期易開裂的問題。另一方面，是混凝土澆筑后養(yǎng)護的問題，不同的地理位置，不同的當?shù)貧鉁囟紩炷敛牧显斐捎绊懀虼艘欢ㄒ诮ㄖ蟮幕炷琉B(yǎng)護上做到精細認真。還有一個方面是承重問題，可能承重未滿足設計要求，造成了稱重上的過負荷，結果產(chǎn)生了變形進而產(chǎn)生了開裂現(xiàn)象。這就要求在設計階段，嚴格計算結構的承重問題，尤其需要注意的是鋼筋骨架，配比相應的鋼筋數(shù)量，從而也能在受力上滿足強度問題，避免混凝土結構的開裂。

（2）本工程結構異形，最大長度達到123.5m，由于長度超過了正常的范圍，已經(jīng)要用特殊結構的角度在考慮受力問題，因為長度過長混凝土結構的各個位置受力很難均勻，牽一發(fā)而動全身，一處受力不均勻就會給整個結構造成消極的影響。因此，我們要采取一定的措施，比如說，在混凝土結構中配比相應的縱向鋼筋，以增加拉應力。另一方面，可以在定段內(nèi)設置相應的變形縫，以保證受力不均勻時不至于影響到其他位置而產(chǎn)生裂縫。這樣可以防止天氣溫度變化和后期結構使用中的變形問題。膨脹加強帶寬度2.0m，后澆期28 天，采用添加微量膨脹劑的混凝土澆灌。

（3）在混凝土中摻加復合防水劑提高混凝土的抗?jié)B能力和減少混凝土早期收縮應力，改善混凝土抗?jié)B、抗裂性能，提高混凝土適應溫度變化的能力。

3.6 構筑物防腐蝕

根據(jù)地勘資料，地下水對混凝土結構有微腐蝕性，對混凝土結構中的鋼筋有微腐蝕性。對鋼結構或鋼管道具弱腐蝕性。本工程對構筑物采取以下防腐蝕措施。

2.6.1 混凝土結構防腐蝕措施

適當增加混凝土保護層厚度；構筑物外壁面與土壤接觸部分，刷冷底子油和熱瀝青各一遍。

2.6.2 鋼結構防腐蝕措施

鋼柱柱腳置于混凝土基礎上，經(jīng)常用水清理沖洗地面的，基礎頂面高出地面300mm；鋼材表面原始銹蝕等級不應低于B級，所有的鋼構件表面均應進行噴砂或拋丸除銹。達到國家標準《涂裝前鋼材表面銹蝕等級和除銹等級》（GB∕T 8923.1—2011）規(guī)定的Sa2.5 級，手動機械除銹應達到St3 級，表面粗糙度Rz40-70μm，表面處理好三小時內(nèi)應進行防腐施工；鋼構件外表面鋼構件應進行防腐防火涂裝，采用冷噴鋅防腐技術，冷噴鋅兩道（膜厚不小于80μm）加冷噴鋅封閉劑兩道（膜厚不小于100μm）加薄涂型露天用防火涂料加白色改性氟碳面漆兩道（膜厚度70μm）。

3.7 結構消防設計

（1）構件截面尺寸：墻厚度不小于200mm，耐火極限大于3.5h；框架柱采用截面不小于500mm×500mm 現(xiàn)澆鋼筋混凝土柱，耐火極限大于5.0h；梁鋼筋保護層厚度為20mm，耐火極限為2.0h；結構板板厚最小為100mm，鋼筋保護層厚度為15mm，耐火極限不小于2h。

（2）疏散樓梯部分構件截面尺寸：梯柱采用截面不小于200mm×500mm，現(xiàn)澆鋼筋混凝土柱，耐火極限不小于3.0h；梁鋼筋保護層厚度為20mm，耐火極限不小于2.0h；樓梯結構板厚不小于100mm，鋼筋保護層厚度為15mm，耐火極限不小于1.5h。

（3）填充墻均為非承重墻體，采用不小于150mm 厚加氣混凝土砌塊耐火極限不小于2h。

4 結語

大型地下式水質凈化設施結構設計，對于抗浮方案的選擇及柱距、墻距的設置較為重要，合理增加墻體可減少柱軸壓比，增強結構的整體性。才能夠保證地下式水質凈化設施安全、合理的建設及運行。