大型地下調(diào)蓄池結(jié)構(gòu)設(shè)計

楊 兵

(南京市市政設(shè)計研究院有限責任公司，江蘇 南京 210049)

1 概述

大型地下調(diào)蓄池結(jié)構(gòu)屬于特種結(jié)構(gòu)的范疇。隨著國家水環(huán)境治理事業(yè)的不斷發(fā)展以及工藝設(shè)計水平的不斷提高，各種大型地下調(diào)蓄池結(jié)構(gòu)在水環(huán)境治理工程中被大量使用，大型地下調(diào)蓄池也越來越多地出現(xiàn)在水環(huán)境治理工程中，且都呈現(xiàn)出大型化的趨勢。

2 工程實例

2.1 工程簡介

長春市伊通河是松花江的二級支流，是長春的母親河，伊通河水質(zhì)整體處于劣Ⅴ類狀態(tài)。吉林省伊通河北段綜合治理項目中，項目治理的目標是使伊通河北段水質(zhì)達到地表Ⅴ類水標準。根據(jù)工藝專業(yè)計算伊通河北段水環(huán)境容量能夠消納5萬m3以內(nèi)的初期雨水溢流量。因此應建設(shè)一座初期雨水調(diào)蓄池，有效容積6萬m3，降雨時收集溢流合流雨、污水，降雨停止時將調(diào)蓄池的污水打入附近的污水處理廠進行處理。

調(diào)蓄池全長140 m，寬62 m，深15.8 m～18.9 m，為全地下式鋼筋混凝土水池，采用自重加抗浮錨桿進行抗浮設(shè)計。橫向兩道伸縮縫，三道膨脹加強帶；縱向設(shè)置兩道膨脹加強帶。調(diào)蓄池內(nèi)部設(shè)沖洗廊道、真空系統(tǒng)、通風系統(tǒng)，在池頂端設(shè)有過配電間、通風口及樓梯間。

2.2 基礎(chǔ)處理及抗浮措施

本工程調(diào)蓄池為全地下式，水池構(gòu)筑物對地基的附加荷載基本為0，天然地基能夠滿足結(jié)構(gòu)荷載對地基承載力及變形的要求。調(diào)蓄池及粗格柵井基礎(chǔ)持力層為④層全風化泥巖，地基承載力為280 kPa。根據(jù)地質(zhì)報告，建設(shè)場地內(nèi)地下水屬于孔隙潛水～基巖裂隙水類型，略具承壓性，主要受大氣降水滲入及周邊河流側(cè)向補給，調(diào)蓄池工程抗浮水位暫定為設(shè)計地面以下1.5 m。

本次設(shè)計的調(diào)蓄池基坑最大開挖深度為18.9 m，開挖深度較大，整個池體為巨大的封閉箱形結(jié)構(gòu)，頂板上部的覆土重量及結(jié)構(gòu)整體自重不能滿足抗浮要求，需要進行結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計。結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計方案一般有結(jié)構(gòu)自重抗浮、配重抗浮、錨桿(或基樁)抗浮等?？垢≡O(shè)計時，應綜合考慮地下水位、結(jié)構(gòu)特征、地形地貌、地質(zhì)土層情況、施工能力等因素，經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟比選后，最終確定抗浮措施。本工程為巖質(zhì)地基，錨桿方案具有工藝成熟，投資低廉、施工快速等優(yōu)點，是巖質(zhì)地基理想的抗浮措施，因此本工程采用錨桿抗浮設(shè)計。

錨桿的橫斷面圖和限位器大樣圖如圖1，圖2所示。

錨桿設(shè)計要點如下：

1)錨桿成孔直徑200，錨桿長度為6 m。錨固體采用M30水泥漿(水灰比為0.4)，錨孔初次注漿壓力為0.8 MPa，二次注漿采用水灰比0.5的純水泥漿，注漿壓力為2 MPa～3 MPa，二次注漿在一次注漿體初凝后進行。

2)錨桿上下端應設(shè)置限位鋼筋，確保錨桿位于錨桿孔的中心位置。為確保施工質(zhì)量，在錨桿施工前，應進行注漿密實檢驗。

3)錨桿施工前應進行試桿，以確定錨桿施工工藝及可行性。并做單根錨桿豎向抗拔靜載試驗以確定單根錨桿抗拔承載力特征值，試桿數(shù)量不應少于3根。本工程的錨桿為永久性抗拔錨桿，錨桿的抗拔承載力特征值為300 kN[1]。

2.3 水池結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.3.1調(diào)蓄池結(jié)構(gòu)方案比選

本工程地下調(diào)蓄池結(jié)構(gòu)平面尺寸約140 m×62 m，深15.8 m～18.9 m。平面尺寸超長，深度很深。在滿足結(jié)構(gòu)受力的基礎(chǔ)上，此類結(jié)構(gòu)的主要難點還在于如何避免超長現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由混凝土水化熱和溫度應力帶來的裂縫[1]。

結(jié)合各專業(yè)要求及本工程實際情況，可供采用的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案主要有：利用支護地下連續(xù)墻或排樁兼做主體結(jié)構(gòu)方案、設(shè)縫分塊整體現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系、預應力結(jié)構(gòu)現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系、不設(shè)縫整體現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系這四種結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。各設(shè)計方案優(yōu)缺點分述如下：

1)地下連續(xù)墻支護結(jié)構(gòu)和調(diào)蓄池壁板結(jié)構(gòu)合二為一設(shè)計方案。

本方案利用地下連續(xù)墻支護結(jié)構(gòu)作為地下調(diào)蓄池的池壁，將支護結(jié)構(gòu)和池體結(jié)構(gòu)合二為一，造價較省，但受力體系不明確，缺乏實際工程經(jīng)驗。

2)設(shè)縫分塊整體現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

按《給水排水工程構(gòu)筑物設(shè)計規(guī)范》第6.2.1條及《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》第8.1.1條，現(xiàn)澆地下池體側(cè)墻伸縮縫最大間距30 m，同時規(guī)范也指出當混凝土中添加外加劑或者池體設(shè)置后澆帶時，伸縮縫的間距可以根據(jù)經(jīng)驗確定，適當增大[2]。

結(jié)合本工程實際，沿縱向設(shè)置兩道伸縮縫，沿橫向設(shè)置一道伸縮縫，均設(shè)橡膠止水帶止水，池體分割為六塊。為滿足受力要求，設(shè)縫部位兩側(cè)設(shè)置邊框架。此方案較大程度的滿足了規(guī)范對地下池體側(cè)墻伸縮縫間距的要求，但犧牲了地下池體的結(jié)構(gòu)整體性。地下調(diào)蓄池設(shè)縫后，結(jié)構(gòu)整體受力不佳，且伸縮縫處容易滲漏，不易維修，對調(diào)蓄池的長期運行不利。

3)預應力水池結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

預應力水池結(jié)構(gòu)是解決超長水池結(jié)構(gòu)裂縫問題最常見也是最有效的方法之一。在控制超長地下室側(cè)墻及頂、底板的工程中也早有應用。按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》第8.1.3條“采用專門的預加應力措施”時，伸縮縫間距可適當增大。根據(jù)國內(nèi)外實際工程經(jīng)驗，在采取合理分布預應力筋，減小預應力損失等結(jié)構(gòu)措施的前提下，預應力結(jié)構(gòu)方案可滿足本工程平面尺寸超長的不設(shè)縫要求。但預應力結(jié)構(gòu)方案相對普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)方案造價較高，施工難度大，并因預應力筋的布置，對結(jié)構(gòu)開孔穿管道限制多，部分節(jié)點較難處理。

4)不設(shè)縫整體現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系。

本方案為整個地下調(diào)蓄池不設(shè)變形縫。

混凝土裂縫從大的方面可分為受力裂縫和變形裂縫兩種，受力裂縫可通過結(jié)構(gòu)計算控制，變形裂縫往往是工程中混凝土結(jié)構(gòu)裂縫控制的難點。溫度變形和收縮變形是引起混凝土變形裂縫的主要原因，混凝土的收縮包括塑性收縮、干燥收縮、碳化收縮[3]。本工程調(diào)蓄池為完全地下結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)頂部及側(cè)壁都被土壤包圍，形成了天然的保溫層，調(diào)蓄池在使用期間受到溫度和濕度的影響很小。本調(diào)蓄池地基持力層為⑤層強風化泥巖，地基土質(zhì)很好，調(diào)蓄池沉降小，因此本工程最關(guān)鍵的就是要控制混凝土變形裂縫，要控制溫度變形和收縮變形，主要就是控制混凝土的溫度，以及控制混凝土自身的干縮。

本方案擬沿縱向設(shè)置兩道后澆帶和三道膨脹加強帶，沿橫向設(shè)置兩道膨脹加強帶，以盡量減小溫度變化對結(jié)構(gòu)的影響。不設(shè)縫整體現(xiàn)澆水池結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)整體性好，剛度分布均勻，結(jié)構(gòu)受力好，抗不均勻沉降能力較強，對工藝布置的限制能最大程度的減小。但同時水池為超長無縫結(jié)構(gòu)，為控制超長及大面積混凝土的裂縫，施工中應切實加強養(yǎng)護及合理選用材料以減少混凝土的收縮。在材料的選用上應優(yōu)選水化熱低收縮率低和抗裂性高的礦渣硅酸鹽水泥。為減少混凝土的收縮，提高抗?jié)B摻入膨脹纖維抗裂防水劑(限制膨脹率：水中7 d≥0.03%)，后澆帶的摻量建議值為膠凝材料的8%，其余部分建議值為6%，并須經(jīng)試驗確定[4]。

以上各方案優(yōu)缺點列表比選如表1所示。

表1 調(diào)蓄池結(jié)構(gòu)設(shè)計方案綜合比選

綜合比較以上四個方案的優(yōu)缺點，方案四無論是結(jié)構(gòu)受力合理性，還是造價控制及施工難度上均有優(yōu)勢，但應結(jié)合相關(guān)工程經(jīng)驗，在設(shè)計施工過程中應對后澆帶、加強帶、混凝土配合比、防滲抗裂外加劑的選擇還有對施工混凝土的澆筑及養(yǎng)護均應嚴格要求。

2.3.2地下調(diào)蓄池結(jié)構(gòu)推薦方案

本工程地下調(diào)蓄池推薦方案為不設(shè)縫整體現(xiàn)澆鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)體系。

縱橫向分別設(shè)置24榀、11榀框架抗側(cè)力結(jié)構(gòu)(包括地下室側(cè)墻)，結(jié)合工藝平面布置，于池體頂面處設(shè)置框架梁減小框架壁柱計算長度。縱向于第8、第16跨設(shè)置后澆帶，第4跨、第12跨、第20跨設(shè)置膨脹加強帶；橫向于第4跨、第9跨設(shè)置膨脹加強帶，后澆帶均根據(jù)一次混凝土現(xiàn)澆段長度、結(jié)構(gòu)荷載及施工方便合理布置。其結(jié)構(gòu)平面布置如圖3所示。實際現(xiàn)場完成圖如圖4所示。

壁板水平框架壁柱采用尺寸1 500 mm×2 500 mm，框架梁根據(jù)跨度不同分別采用500 mm×1 200 mm。頂板考慮結(jié)構(gòu)受力及防水要求，適當加強，設(shè)計厚度為500 mm厚；壁板根據(jù)受力及混凝土自防水要求參考相關(guān)工程經(jīng)驗，設(shè)計厚度1 000 mm；底板根據(jù)受力計算，設(shè)計厚度為1 200 mm。

地下調(diào)蓄池計算采用計算軟件為理正結(jié)構(gòu)工具箱中平面剛桁架模塊。頂板、壁板、底板等構(gòu)件分別按跨度按雙向板、單向板計算。

2.4 設(shè)計中應注意的重點問題

1)地下調(diào)蓄池結(jié)構(gòu)防水方案。由于本工程的部分埋深已超過10 m，所以防水混凝土的設(shè)計防滲等級S8(P8)，地下調(diào)蓄池內(nèi)側(cè)迎水面結(jié)合防腐做法設(shè)置柔性防水層(防水卷材)。

2)調(diào)蓄池的防腐要求：存儲污水水池迎水面需涂刷防腐涂料，可采用2 mm厚PMC-421聚合物水泥防水灰漿，1.5 mm乙烯基酯防腐防水涂料。

3)調(diào)蓄池基坑設(shè)計：本工程開挖深度達到18 m屬于深基坑工程，因此基坑工程設(shè)計非常重要。在調(diào)蓄池基坑設(shè)計中，常用的基坑支護設(shè)計方案主要有拉森樁、水泥土重力式圍護墻、型鋼水泥土攪拌樁、排樁圍護體、地下連續(xù)墻等形式，結(jié)合本工程地質(zhì)情況，設(shè)計采用樁錨支護方式。

4)超長水池混凝土養(yǎng)護：混凝土澆筑完成后應進行覆蓋，派專人養(yǎng)護。對混凝土壁板，必須采用塑料薄膜或麻袋(草包)覆蓋，構(gòu)件上方設(shè)水管進行噴淋養(yǎng)護(或用其他有效養(yǎng)護措施)，拆模時間不早于5 d(冬季時不早于7 d)，澆水養(yǎng)護不少于14 d，使混凝土始終處于濕潤狀態(tài)。在池外壁回填土前仍應采取適當?shù)酿B(yǎng)護措施，以防混凝土開裂滲水。

3 結(jié)語

隨著國家水環(huán)境治理事業(yè)的不斷發(fā)展以及工藝設(shè)計水平的不斷提高，各種大型地下調(diào)蓄池結(jié)構(gòu)在水環(huán)境治理工程中被大量使用。本文通過工程實例，對大型地下調(diào)蓄池結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的優(yōu)劣比選和對設(shè)計及施工中應注意的重點問題進行了充分的闡述。目前本工程已經(jīng)通水運行，工程質(zhì)量優(yōu)良。本文可以為其他類似工程提供參考。