某大型埋地式污水厂结构设计浅析

2017-09-15高彦君

城市道桥与防洪 2017年8期

关键词：沉池构筑物集约化

高彦君

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 201210）

某大型埋地式污水厂结构设计浅析

高彦君

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市 201210）

以某埋地式污水厂为例，从基坑设计、结构设计等多方面介绍了埋地式污水厂结构设计中的重点和难点，并提出其中不足和改进内容，可供类似工程借鉴和参考。

埋地式污水厂；集约化；结构布置；抗浮

0 引言

针对现在城市用地愈发紧张的现状，在市区建设污水厂不可避免要影响环境。常规的污水处理厂单体多为分散布置，厂区占地面积较大，不便于臭气收集和集中治理。为了使污水厂的建设减少对环境的影响，最近几年陆续出现了部分埋地或全埋地的污水厂结构。埋地式污水厂具有环境污染小，噪声污染小，节约土地资源等优点，既解决了城市的污水处理问题，与周边环境也有较好的协调发展[1]。本文以某埋地式污水厂为例，介绍埋地式污水厂结构的难点和重点。

1 工程概况

该工程为某埋地式污水厂，处理规模10万m3/d，按两层进行集约化布置，下层为水处理结构，上层为操作层。图1为集约化埋地式污水厂的鸟瞰图。按照工艺总体布局，该工程生产性建（构）筑物采用集约化的整体地下式结构。该整体结构总计有上部箱体1座，其余均为下部构筑物，包括：粗格栅及进水泵房1座，细格栅及曝气沉砂池1座，初沉池2座，生物反应池2座，二沉池2座，二次提升泵房1座，高效沉淀池1座2池，反硝化深床滤池1座，紫外线消毒渠1座，鼓风机房1座，加药间1座，乙酸钠投加间1座，污泥均质池1座，污泥浓缩脱水机房1座，初沉污泥泵房1座。

其中，上部箱体为操作层，净高在5.2 m左右，下层为水处理构筑物，池高在3～8.7 m，进水泵房区域较深，池高12.1 m。

图1 集约化埋地式污水厂鸟瞰图

图2、图3为集约化构筑物下层平面布置图和主要单体高程图。

图2 集约化构筑物下层平面图（单位：mm）

图3 集约化构筑物主要单体高程图（采用相对标高，单位：m）

2 工程地质条件

2.1 土层情况

拟建场地污水场站部分原为耕地、苗圃及荒地，场地中部分布有4个较大范围水塘，现已经初步整理，表层植被基本清除，水塘已填平。厂区地形平缓，场地地面高程16.70～17.20 m，最大高差约为0.50 m。

拟建场地地基岩土分布自上而下依次为：①层杂填土、②1层粉质黏土、②3层粉质黏土、③层黏土、④层粉质黏土夹粉土、⑤层粉土、粉细砂与粉质黏土互层、⑥层粉质黏土夹粉土、⑦层粉细砂夹粉土、⑧1层强风化泥质砂岩、⑧2层中风化泥质砂岩。

该工程主体结构基本落在③、④、⑤层土，承载力均可，经过结构计算，可满足构筑物承载力要求。设计地面标高16.50 m，基本与现状地坪相同，场地平整工作相对较少。表1为主要土层参数表。

表1 主要土层参数表

2.2 水文地质

地表水主要分布于配套管线沿线派河及支流河道、水塘内，勘探期间实测水深一般0.7 m左右，水量不大。根据勘察揭示，场地主要有上层滞水、潜水和承压水。承压水初见水位约地表下6～8 m，现阶段静止水位在地面下2.5～4.5 m，承压水头一般2～3 m，丰水期水位可至地表下1.5～2.0 m，水量丰富。按照详勘报告所述，抗浮设防水位取设计地面以下1.0 m。

3 结构设计

埋地式污水厂有别于一般污水厂的主要特点，在于将生产区的水处理构筑物集中在一起布置，整体考虑，占地面积较小。集中式的特点会造成相邻分块的结构设计交叉和衔接，需要综合考虑基坑支护、地基处理、工艺流程布置、结构搭接、施工通道等诸多因素[2]。地下式的布置也会使得水土压力荷载比一般水处理构筑物所受荷载大，对结构方案的合理性无疑提出更高的要求。针对这两个方面，结构设计在前期与工艺专业进行大量沟通交流的前提下，做了如下工作。

3.1 结构整体设计及传力路径

该工程污水厂按照整体布置的思路，将生反池、二沉池等埋深较大的单体布置在中间位置，两侧布置反硝化滤池、高效沉淀池、细格栅、初沉池等单体。结构基本上采用中间深、两边浅的布置，便于土压力的平衡。后期基坑开挖，也可以采用两边对称开挖，增加基坑整体稳定性。结构传力路径示意如图4，采用屋面板、顶板、底板3条传力路径。

图4 结构传力路径示意图

3.2 操作层柱网结构布置

根据工艺专业要求，屋面考虑1 m厚覆土用于种植绿化，荷载较大。考虑到结构整体的经济性，上层操作层柱网不宜过大，一般而言跨度在6～8 m较为经济。但是，个别区域受到工艺条件限制，如脱水机房等区域，柱网尺寸在9～10 m，局部因吊装原因考虑屋面抬高。

3.3 池内结构布置

设计水处理区构筑物主要由初沉池、生反池、二沉池组成。由于整体式考虑，二沉池舍弃了常规的圆形设计，采用矩形二沉池。初沉池、生反池、二沉池基本占到平面布置的60%～70%以上。上层柱子的布置结合生反池、二沉池的池壁进行布置，尽量不影响水流条件。整体区域西侧主要为反硝化深床滤池和高效沉淀池，局部考虑设备吊装，屋面设置为膜加盖屋面。

东侧主要为脱水机房、粗细格栅、储泥池，局部考虑吊装，基本上两侧结构对称，局部与工艺专业进行沟通协商，做了相应结构优化调整，对结构整体受力较好。

3.4 结构变形缝设计

整个单体长218.95 m，宽127.1 m。按照规范要求，长度方向设置3条变形缝，宽度方向设置2条伸缩缝[3]。结合建筑及工艺要求，选用较为成熟的变形缝做法（见图5）。底板、池壁采用中埋止水带结合外贴止水带的方式，同时结合混凝土自防水，形成3道防水体系，可以较好地满足集约化箱体结构的结构防水要求。

图5 结构变形缝详图（单位：mm）

3.5 结构抗浮设计

该工程的抗浮水位按照勘察报告要求，取设计标高以下1 m。根据计算，仅依靠结构自重难以满足抗浮要求，需增加基础配重或增加抗浮锚杆。

由于考虑到结构屋顶覆土的作用，对抗浮有一定帮助作用，为节约工程造价，结构设计时以使用阶段的工况作为控制工况，在抗浮设计中，考虑自重和屋顶绿化覆土的共同作用，并在设计图纸和施工交底中着重强调，在屋顶覆土完成前不进行基坑的回填。

施工阶段的抗浮以施工措施为主，在基坑周边、坑内设置管井，控制基坑水位。雨季还需做好坑内积水的明排工作。

3.6 结构防腐设计

水池防腐是需要重点考虑的内容。根据设计经验，污水厂水池在设计液面位置附近容易腐蚀，在设计液面位置上下1 m考虑采用弹性聚氨酯防腐涂料，在满足防腐要求的同时兼顾到经济性。

3.7 结构抗震设计

根据详勘报告，该工程所在场地抗震设防烈度为7度（第一组），设计基本地震加速度0.10 g，场地类别为Ⅱ类，场地的特征周期取0.35 s。集约化构筑物按重点设防类进行抗震设计，按照8度（二级）采取抗震构造措施。

3.8 基坑设计

根据详勘报告，该工程所在场地地下水位较高，且有承压水，水量丰富，因此基坑采用浅层放坡，深层钻孔灌注咬合桩+锚索施工的方式。两侧埋深较浅的区域，除进水泵房采用内支撑支护开挖外，脱水机房、污泥浓缩池、初沉池、反硝化深床滤池等埋深较浅的区域，均采用放坡开挖施工；中间二沉池、生反池区域采用放坡+钻孔灌注咬合桩+预应力锚索的方式进行支护开挖，基坑中心、周围均布置管井降水。放坡与支护相结合，不设置内支撑的方式，使得基坑施工较为快速，有利保障了施工的顺利进行。

3.9 待改进内容

对于如此大体量、集约化的埋地式结构的设计，由于经验不足、时间仓促、设备资料不全等因素，还有不少地方值得商榷和完善。设计中由于设备进场较晚，小部分设备安装与土建结构发生冲突，需调整设备或修改土建条件才能满足功能要求。

此外，国内对于埋地式污水厂上面的操作层防火分区划分，没有明确的规范要求，现阶段仅依据民用建筑防火规范进行布置设计，容易受到当地消防部门的质疑。设计前期阶段应与当地的消防部门就防火分区进行深入对接，尽早确定操作层建筑方案的布置，避免后期结构设计的大量返工。

后期，运营公司进场，进行试水运行，也提出一些建议，如能在前期有所沟通，整个设计会更精细化，更满足生产使用的要求。