某地埋污水處理廠地下處理中心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

周政

（廣州市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，廣州 510060）

1 工程概況

為與周邊規(guī)劃銜接好，充分利用土地，減小對(duì)周邊環(huán)境的影響，污水處理廠采用構(gòu)筑物集約化、組團(tuán)式、全地埋方式進(jìn)行布置越來越普遍[1]。清遠(yuǎn)市某污水處理廠地下處理中心由生化池、二沉池、高效沉淀池、濾布濾池、出水提升泵房、消防水池及排空池等合建而成。地下處理中心總長(zhǎng)131.25 m，總寬56.5 m，為地下2層結(jié)構(gòu)（局部1層），其中，池底標(biāo)高為2.45～5.50 m，夾層面標(biāo)高為11.0 m/11.5 m，頂面標(biāo)高為14.50 m。地下處理中心頂部覆土厚度為0.5 m，地上新建運(yùn)動(dòng)場(chǎng)等休閑公共設(shè)施。地下處理中心平面布置示意圖如圖1所示。

圖1 地下處理中心平面布置示意圖

2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)地勘資料，綜合鉆孔深度范圍內(nèi)揭露的地質(zhì)資料詳細(xì)地層分布及其特性自上而下分述如下，鉆孔剖面圖如圖2所示。

圖2 鉆孔剖面圖

1）①1素填土：主要為粉質(zhì)黏土，未完成自重固結(jié)，地基承載力特征值fak=60 kPa。

2）②1粉質(zhì)黏土：可塑～軟塑。成分以黏粉粒為主，fak=100kPa。

3）②2淤泥質(zhì)土：軟流塑狀。成分以粉黏粒為主，fak=45 kPa。

4）③1粉質(zhì)粘土：可塑狀。成分以黏粉粒為主，fak=140 kPa。

5）③2卵石：以次圓狀中～微風(fēng)化砂巖卵石為主，少量礫石，fak=300 kPa。

6）④1殘積粉質(zhì)粘土：可塑狀。以黏粉粒為主，fak=180 kPa。

7）④2殘積軟土：軟塑、流塑狀，fak=60 kPa。

8）⑤1強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖：節(jié)理裂隙極發(fā)育，次生黏土化強(qiáng)。巖體破碎，極軟巖，fak=400 kPa。

9）⑤2中風(fēng)化粉砂巖：泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。節(jié)理裂隙較發(fā)育，軟巖，較完整，fak=1 800 kPa。

10）⑤3強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r：微晶質(zhì)狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，fak=600 kPa。

11）⑤4微風(fēng)化石灰?guī)r：微晶質(zhì)狀結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。巖體較完整，較硬巖，fak=8 000 kPa。

12）⑥1溶洞（RD）：鉆孔見溶洞率7.7%，巖溶中等發(fā)育。全充填可塑殘積土，輕微滲水，溶洞穩(wěn)定性較差或差。

場(chǎng)地地下水分布類型主要為：（1）上層滯水，主要賦存于素填土層，賦水量較為豐富；（2）孔隙性潛水，主要含水層為圓礫層，賦水量較大；（3）基巖中含裂隙水和溶裂隙溶洞水。地下水和土對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)均呈微腐蝕性。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 地基處理

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，地下處理中心底板大部分位于②2淤泥質(zhì)土層，其余部分位于③2卵石層。初步計(jì)算，地下處理中心的地基反力約為130 kPa，③2卵石層是天然基礎(chǔ)合適的持力層，②2淤泥質(zhì)土層為軟弱的不良地基土層未經(jīng)處理不宜直接作為持力層。基底巖石巖性不一，巖面起伏大，風(fēng)化不均勻。

考慮到地下處理中心各持力層的不均勻性、埋深大、體積大需要采取抗浮措施、地基承載力要求、避免產(chǎn)生不均勻沉降等因素，綜合考慮采用樁基礎(chǔ)。常用的樁基礎(chǔ)有預(yù)應(yīng)力管樁和鉆孔灌注樁；鉆孔灌注樁對(duì)鄰近建筑物及周圍環(huán)境的有害影響小，樁端可嵌入巖層，單樁承載力大等優(yōu)點(diǎn)；而預(yù)應(yīng)力管樁樁身抗剪能力較差，不能嵌巖，且穿越深厚卵石層較為困難。最終選用φ800 mm鉆孔灌注樁，樁端進(jìn)入強(qiáng)/中/微風(fēng)化層一定深度。由于勘察鉆孔揭露的地層起伏很大、差異性較大，樁長(zhǎng)從6～25 m不等，生化池、二沉池及高效池等區(qū)域單樁豎向抗壓承載力特征值要求分別不低于4 000 kN、3 200 kN、4 300 kN。

3.2 抗浮設(shè)計(jì)

地下處理中心設(shè)計(jì)地坪標(biāo)高較周圍住宅小區(qū)及道路高，根據(jù)一期項(xiàng)目抗浮設(shè)防水位、周邊住宅小區(qū)道路路面標(biāo)高結(jié)合地勘報(bào)告，最終選定抗浮設(shè)防水位為12.50 m。經(jīng)計(jì)算，僅考慮結(jié)構(gòu)自重抗浮時(shí)，地下處理中心的抗浮系數(shù)為0.80，與規(guī)范要求的抗浮力相差較大。抗浮不滿足時(shí)，常用的抗浮措施有結(jié)構(gòu)自重抗浮、壓重抗浮、抗浮樁、抗浮錨桿等[2]。抗浮措施的比選詳見表1。

表1 抗浮措施比選表

因此，最終選用φ800 mm鉆孔灌注樁作為抗浮樁，與結(jié)構(gòu)自重、景觀覆土共同抗浮。通過調(diào)整抗拔樁的間距保證主體結(jié)構(gòu)的整體抗浮和局部抗浮的安全，同時(shí)可利用內(nèi)支撐立柱的灌注樁作為抗浮樁使用。經(jīng)計(jì)算，生化池、二沉池及高效池等區(qū)域單樁抗拔承載力特征值要求分別不低于1 600 kN、1 200 kN、1 900 kN。

3.3 池體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)地下處理中心結(jié)構(gòu)包括底板、中板、頂板、內(nèi)外壁板等組成，根據(jù)工藝平面布置確定主要柱網(wǎng)尺寸為5.5 m（二沉池區(qū)域?yàn)?0.0 m）×5.85 m，橫向分為20跨，縱向分為10跨。

底板作為貯水構(gòu)筑物底板和主體結(jié)構(gòu)的筏板基礎(chǔ)，需要滿足底板抗彎承載力要求、抗沖切承載力要求、最大裂縫寬度要求以及作為池體外壁板固定支座的剛度要求。地下處理中心采用抗浮樁+結(jié)構(gòu)自重+綠化覆土壓重進(jìn)行抗浮，無論是自重還是抗浮樁樁頂錨固長(zhǎng)度都要求底板需要一定的厚度，經(jīng)過計(jì)算確定底板的厚度為1 000 mm。

中板主要功能為連接通道、設(shè)備檢修區(qū)、設(shè)備操作區(qū)，樓面荷載較小，但是由于工藝設(shè)備要求設(shè)置了大量的檢修孔洞，大大削弱了樓板剛度，在洞口處布置次梁進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，中板采用主次梁結(jié)構(gòu)承受豎向荷載和傳遞水平荷載，中板厚度為150 mm。

頂板作為地面層，除自重外主要承受上部覆土的重量及人員活動(dòng)和檢修時(shí)的荷載，柱網(wǎng)上布置截面尺寸為350 mm×750 mm（二沉池區(qū)域橫向主梁為450 mm×1 000 mm）的主梁，并設(shè)置一道橫向和豎向300 mm×600 mm的次梁，經(jīng)計(jì)算頂板厚度為200 mm。

外池壁主要承受池外的水土壓力以及池內(nèi)的水壓力，當(dāng)池內(nèi)無水池外有土?xí)r為最不利工況，根據(jù)水土壓力自頂向底呈三角形分布的受力特點(diǎn)，并以最大裂縫寬度0.20 mm[3]為控制條件，采用變截面池壁，厚度為500～900 mm。內(nèi)側(cè)分隔墻按一側(cè)有水另一側(cè)無水的不利工況，經(jīng)計(jì)算，厚度取為400 mm/500 mm。尚應(yīng)復(fù)核計(jì)算單向板池壁角隅彎矩[4]，在池壁轉(zhuǎn)角部位設(shè)置角隅附加筋。地下處理中心結(jié)構(gòu)剖面圖如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)剖面圖

3.4 超長(zhǎng)池體結(jié)構(gòu)處理

地下處理中心平面尺寸較大，長(zhǎng)約131.2 m，約寬56.5 m，超過了GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]規(guī)定的伸縮縫最大間距30 m的要求，但是在水池中設(shè)置永久伸縮縫止水施工困難，容易出現(xiàn)滲漏問題，日后修補(bǔ)更加困難。地下處理中心為全地埋結(jié)構(gòu)，池內(nèi)常年滿水運(yùn)行，結(jié)構(gòu)內(nèi)外溫差較小，通過采取以下措施能有效避免或者減少超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展：

1）在長(zhǎng)度方向設(shè)置4道后澆帶（加強(qiáng)帶），寬度方向設(shè)置1道后澆帶（加強(qiáng)帶），以此減小混凝土的溫度應(yīng)力以及地基不均勻沉降。

2）底板采用柔性防水（TPO防水卷材），兼做滑動(dòng)層，能起到一定的隔離和軟化約束效應(yīng)，降低溫度應(yīng)力；即使出現(xiàn)微小的收縮裂縫，外防水層也能起到阻止?jié)B漏的作用；

3）使用低水化熱水泥，嚴(yán)格控制混凝土的水灰比及坍落度；利用混凝土后期強(qiáng)度，加長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間，基坑盡早回填。

4）采用細(xì)而密的鋼筋，適當(dāng)提高底板、側(cè)壁、頂板的配筋率，增加構(gòu)造配筋。

4 結(jié)語

以清遠(yuǎn)市某地埋污水處理廠地下處理中心為例，介紹在平面尺寸大、埋深較大、地質(zhì)條件復(fù)雜情況下，地埋污水處理廠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。該工程目前已通水運(yùn)行，效果良好，達(dá)到了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)如下。

1）考慮到地下處理中心各持力層的不均勻性、地基承載力要求高以及避免產(chǎn)生不均勻沉降等因素，地基處理采用樁基礎(chǔ)。

2）抗浮力與浮力相差較大，結(jié)合地基處理方式，采用鉆孔灌注樁作為抗浮樁和豎向承載力樁。

3）結(jié)合工藝平面布置特點(diǎn)、埋深及覆土厚度合理布置受力體系，并根據(jù)結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)合理確定結(jié)構(gòu)斷面尺寸。

4）超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)可通過設(shè)置后澆帶和其他技術(shù)措施減少溫度應(yīng)力以及裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，盡量避免在水池中設(shè)置結(jié)構(gòu)縫。