半地下污水處理廠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探析

（中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300074）

0 前言

隨著城市的擴(kuò)大，人口的增長(zhǎng)，城市的污水量相應(yīng)提高，因此污水處理廠的建設(shè)、提標(biāo)也會(huì)不斷增加。與傳統(tǒng)的地上污水處理廠相比，半地下污水處理廠由于占地面積小，并且主要污水處理構(gòu)筑物均位于地下，對(duì)周邊環(huán)境影響小，因此近年來(lái)半地下污水處理廠的建設(shè)逐漸增多。本文以一運(yùn)行階段半地下污水處理廠為實(shí)例，對(duì)半地下污水處理廠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行探討。

1 工程概況

本項(xiàng)目半地下污水處理廠設(shè)計(jì)規(guī)模13 萬(wàn)m3/d，其中，主要水池構(gòu)筑物位于地下，分別為預(yù)處理單元、生物池、膜格柵間以及MBR 膜池，所有構(gòu)筑物聯(lián)建形成地下箱體，總設(shè)計(jì)尺寸為120x97m，埋深9.20m；地上部分為鋼結(jié)構(gòu)廠房。本文主要針對(duì)地下箱體部分設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行分析。

2 地下箱體設(shè)計(jì)

2.1 箱體池壁設(shè)計(jì)

箱體外池壁按單向板進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別考慮池外有土和池內(nèi)有水兩種不同工況，對(duì)池壁進(jìn)行受力計(jì)算，以裂縫作為控制條件，最大裂縫寬度不大于0.20mm。針對(duì)于半地下污水處理廠，箱體池壁計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮上部結(jié)構(gòu)柱端傳遞的荷載。

根據(jù)外池壁受力特點(diǎn)，采用變截面池壁，厚度為500～850mm。對(duì)于單向板池壁，尚應(yīng)對(duì)池壁角隅彎矩[1]進(jìn)行復(fù)核計(jì)算，在池壁轉(zhuǎn)角部位設(shè)置角隅附加筋；箱體池壁高度超過(guò)3.6m，在池壁高度的水平中線部位上下500mm 范圍內(nèi)，對(duì)水平筋加密[2]，以提高混凝土抗裂能力。

2.2 箱體底板設(shè)計(jì)

半地下污水處理廠箱體底板受地基特性、不同區(qū)域箱體的布局、底板剛度以及上部建筑物及荷載等不同因素的影響，受力狀態(tài)復(fù)雜，計(jì)算時(shí)應(yīng)選取更符合底板實(shí)際受力的方法。

本項(xiàng)目中，由于底板下部存在較厚的淤泥質(zhì)土，基礎(chǔ)形式選用筏板+鉆孔灌注樁，灌注樁樁徑800mm，樁長(zhǎng)約15m，樁間距3m，樁端進(jìn)入中風(fēng)化花崗巖層；底板厚度分為1000mm 和600mm 兩種，1000mm 厚底板設(shè)置于受力較大的池壁下方。在進(jìn)行底板內(nèi)力分析時(shí)，首先排除地基反力直線分布假定[1]，此方法不考慮底板在荷載作用下的彈性變形，底板反力按均布荷載計(jì)算，對(duì)于大型水池，采用此方法計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際底板受力偏差很大。文克爾假定和半無(wú)限彈性體假定[1]考慮了底板下地基土和底板的彈性變形，但對(duì)于樁筏基礎(chǔ)，往往難以確定地基土和樁基的變形模量，若不考慮樁的加固作用，則會(huì)造成較大的浪費(fèi)。根據(jù)本項(xiàng)目的實(shí)際情況，最終將端承型灌注樁做為支點(diǎn)，按照無(wú)梁樓蓋模型進(jìn)行底板內(nèi)力計(jì)算，并通過(guò)盈建科軟件建立整體模型，對(duì)底板配筋進(jìn)行復(fù)核，使計(jì)算結(jié)果與實(shí)際受力情況盡可能相符。下圖為箱體生物池區(qū)域底板池壁剖面示意圖。

圖1 箱體生物池區(qū)域底板池壁剖面圖

3 抗浮設(shè)計(jì)

半地下污水處理廠由于箱體往往埋深較大，由地下水產(chǎn)生的浮力較大，必須進(jìn)行抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算。本項(xiàng)目中，箱體抗浮驗(yàn)算包括整體抗浮驗(yàn)算和局部抗浮驗(yàn)算兩方面[1]?？垢◎?yàn)算中，抗浮部分只考慮箱體及上部建筑物自重、覆土重以及樁基抗拔承載力，按標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算，不考慮池壁與側(cè)向土的摩擦力作用[3]。整體抗浮驗(yàn)算滿足的前提下，對(duì)箱體內(nèi)立柱、內(nèi)池壁所轄區(qū)域進(jìn)行局部抗浮驗(yàn)算，確保整體抗浮和局部抗浮均滿足要求。值得注意的時(shí)，設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)考慮施工期間箱體的抗浮滿足規(guī)范要求，并應(yīng)在圖紙中針對(duì)施工期間基坑降水等事宜予以明確。

水池抗浮方案的選擇直接影響結(jié)構(gòu)的合理性、安全性和項(xiàng)目的工程造價(jià)，應(yīng)引起足夠重視。常用的抗浮方案有自重抗浮、配重抗浮、抗拔樁或抗浮錨桿抗浮、以及設(shè)置排水系統(tǒng)降低地下水等[4]，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)不同的抗浮方案進(jìn)行比選，選出合理、安全、經(jīng)濟(jì)的抗浮方案。本項(xiàng)目箱體采用筏板+灌注樁基礎(chǔ)，灌注樁在污水廠池體排空檢修時(shí)作為抗拔樁抵抗水浮力作用。通過(guò)合理布置樁間距，整體抗浮和局部抗浮滿足規(guī)范要求。

4 超長(zhǎng)鋼筋混凝土箱體設(shè)計(jì)

在以往污水池設(shè)計(jì)中，根據(jù)規(guī)范要求，采用伸縮縫將超長(zhǎng)池體分割，保證每個(gè)區(qū)域的長(zhǎng)寬均不超過(guò)30m。而在工程實(shí)踐中，由于伸縮縫處鋼筋較密，還有橡膠止水帶、填縫板的存在，導(dǎo)致伸縮縫部位容易發(fā)生混凝土振搗不充分，或橡膠止水帶偏移，施工完成后伸縮縫部位成為漏水點(diǎn)，且后期修復(fù)困難。另外，伸縮縫的設(shè)置也會(huì)降低結(jié)構(gòu)的整體剛度，改變結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型。

本項(xiàng)目中，通過(guò)在箱體混凝土中摻入高性能膨脹抗裂劑，配制補(bǔ)償收縮混凝土，并確保膨脹混凝土水中14d 限制膨脹率達(dá)到0.02%～0.03%[2]；在箱體120m 方向居中設(shè)置一道后澆式膨脹加強(qiáng)帶，以后澆式膨脹加強(qiáng)帶為界，在兩側(cè)約60mx97m 區(qū)格中設(shè)置兩橫一縱，共計(jì)3 道現(xiàn)澆式膨脹加強(qiáng)帶。膨脹加強(qiáng)帶內(nèi)混凝土標(biāo)號(hào)提高一級(jí)，水中14d 限制膨脹率0.03%～0.04.5%[2]，膨脹加強(qiáng)帶兩側(cè)設(shè)密孔鋼絲網(wǎng)與周邊混凝土分隔[5]。此外，采用細(xì)筋密布方案，在同樣配筋率的情況下優(yōu)先選擇較細(xì)鋼筋較小間距布置，并在池壁中間高度1m范圍內(nèi)加密水平鋼筋間距。通過(guò)上述措施，可以有效避免混凝土早期在溫差、干縮、自收縮等不利因素的聯(lián)合作用下產(chǎn)生早期收縮裂縫，實(shí)現(xiàn)整個(gè)地下箱體不設(shè)置伸縮縫，將漏水隱患降至最低。膨脹加強(qiáng)帶做法如下圖所示。

圖2 膨脹加強(qiáng)帶做法示意圖

5 防腐設(shè)計(jì)

箱體防腐主要包括兩部分：第一部分，場(chǎng)地地下水、土對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)具有弱腐蝕性，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具有中度腐蝕性；第二部分，對(duì)箱體內(nèi)與污水接觸的構(gòu)筑物內(nèi)側(cè)，應(yīng)進(jìn)行防腐處理。

本工程鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限為50年，混凝土結(jié)構(gòu)的環(huán)境類別為二b 類，首先，根據(jù)腐蝕性能級(jí)和環(huán)境類別，混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性基本要求以及最小保護(hù)層厚度按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》及《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》綜合取定，詳見(jiàn)下表。

混凝土結(jié)構(gòu)耐久性基本要求表

混凝土結(jié)構(gòu)耐久性基本要求表（單位：mm）

其次，在箱體池壁、底板外側(cè)以及池內(nèi)與污水接觸的構(gòu)筑物內(nèi)側(cè)涂刷柔性的聚脲防腐涂料。池壁、底板外側(cè)防腐層應(yīng)具有較高的延伸率，用以抵御混凝土收縮裂縫；對(duì)箱體內(nèi)側(cè)防腐層要求具有較高的剛度，以防止防腐層被切割、劃痕破壞[6]。

除采用上述防腐措施外，本工程通過(guò)在箱體混凝土中添加防腐劑、阻銹劑，提高混凝土密實(shí)性和對(duì)鋼筋的阻銹能力，從而提高混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。為減少水泥和混凝土中堿的含量，采用低堿水泥，同時(shí)合理使用粉煤灰、礦渣等礦物摻和料，提高混凝土抗裂和耐久性能，以提高混凝土自防腐蝕性能。

6 結(jié)語(yǔ)

半地下污水處理廠由多個(gè)構(gòu)筑物集成為地下箱體，受力分析復(fù)雜，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選擇合理的計(jì)算方法，充分考慮不同的受力工況；在滿足承載力要求的條件下，還應(yīng)考慮超長(zhǎng)箱體結(jié)構(gòu)收縮裂縫處理、箱體的防腐防滲、抗浮穩(wěn)定等問(wèn)題，在確保箱體結(jié)構(gòu)安全的同時(shí)，延長(zhǎng)污水處理廠使用壽命，提升工程的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。