全地下污水处理厂抗浮设计要点分析

2020-09-15龚玉锋

水利建设与管理 2020年8期

龚玉锋

(深圳市广汇源环境水务有限公司，广东深圳 518001)

坝光污水处理厂作为深圳市坝光生物谷片区唯一的污水处理设施，是该片区环境保护和环境提升的重要举措之一。污水处理设计采用MBR(Membrane Bio-Reactor)膜处理工艺，总处理规模为6.0万m3/d，其出水水质需达到地Ⅳ类标准。坝光污水处理厂工艺流程见图1。

图1 坝光污水处理厂工艺流程

根据工艺布置，项目采用全地下式，上部整体覆土作为市政公园。现状地面高程在4.0～5.0m(56黄海高程，下同)，后期地面回填至6.5m，以满足公园景观及休闲等公共设施的需要。公园总用地面积9.4km2，污水处理厂顶板顶标高为5.0m，覆土厚度为1.5m，绿化荷载为3.5kN/m2。

初步设计时，考虑最不利工况提出需要设置抗浮锚杆，仅生化池就需要锚杆980余根，锚杆长度共计约10200m。此外，膜池、紫外线池和脱水间等均设置了数量不等，长短不一的抗浮锚杆。

本文根据坝光污水处理厂的工程特点，针对抗浮设计进行了较为全面的考虑，分析了各种影响因素，并提出了合理的考量和建议，为精细化考虑抗浮稳定性，实施安全且经济的抗浮工程措施提供了重要的思路和借鉴。

1 工程地质及水文地质

工程区域位于大鹏半岛东北部，属亚热带海洋性季风气候。场地水系不发育，地下水与北侧海域存在紧密的水力联系，连通性较好。

场地浅层松散岩类孔隙水赋存于填土层和砂层内，主要接受大气降水的垂直渗入和地下水的侧向补给，排泄方式为蒸发和地下径流。勘探期间，地下水埋深为0.6～1.5m，位于素填土层中，孔隙水水位略高于海水水位。根据水文资料分析，本区域地下水位年变化幅度为0.5～2.0m。

2 水池抗浮设计

本工程中生化池、膜池、紫外线池和脱水间等均采用地下式布置，实际工程中，常常由于抗浮稳定性不足而出现地下结构上浮、开裂、倾斜或漂移等现象，影响其正常使用，增加后期处理及维修费用。因此，必须重视结构的抗浮稳定问题。

针对坝光污水处理厂结构设计，本文对生化池整体及局部抗浮性进行了分析计算。根据相关建筑地基基础设计规范，结构整体抗浮稳定性按下式验算：

Gk/Nw，k≥Kw

(1)

式中Gk——建筑物自重及压重之和，kN；

Nw，k——浮力作用值，kN；

Kw——抗浮稳定安全系数，一般情况下可取1.05。

当中间柱或隔墙，除应满足整体抗浮稳定性之外，还应计算柱或隔墙局部区域的抗浮稳定性。局部抗浮验算公式为：

Gn/Nn≥Kw

(2)

式中Gn——局部受荷区域的自重及压重之和，kN；

Nn——局部受荷区域的浮力作用值，kN。

按地面标高6.5m、地下水位埋深0.5m考虑，由以上公式初步计算，底板顶标高为-9.7m，初步复核水池抗浮稳定性不满足规范要求。根据场地无排水、减压等工程措施减小水池浮力的情况，提出了在水池底板下设置锚杆的抗浮措施，抗浮锚杆平面布置见图2。

图2 生化池抗浮锚杆平面布置

生化池共布置抗浮锚杆980余根，不同区域内的锚杆长度分别为8.0～15.0m，共计约10200m。单根锚杆竖向抗拔力特征值取225kN，锚杆采用直径40mm的HRB400普通热压螺纹筋。

3 水池抗浮设计要点的考虑

3.1 抗浮不满足要求的解决途径

坝光污水处理厂生化池平面尺寸为55.10m×55.60m(长×宽)，顶板上覆土厚度1.0m，结构自重约341000kN，地下水位为4.5m时总浮力471000kN，其抗浮稳定系数仅为0.72。

根据抗浮稳定系数计算公式可知，为增加水池的抗浮稳定性，可采用以下两种方式：ⓐ增加建筑物自重及压重，即增加水池抗浮能力；ⓑ减小浮力作用值。针对工程特点和水池结构设计，地下水浮力按照阿基米德原理计算，仅与结构的体积有关。限于场地布置和临海的工程特点，减小水池的埋置深度，人工降低地下水位，则后期运行维护费用高，可靠性和有效性差，或与周边规划存在冲突。故实际设计中，通过增加结构的抗浮力来解决抗浮稳定的问题。

a.控制内外水位差。保证池内水位不低于-4.0m(低于水池排水口底高程)，水池内水重约154000kN，则抗浮稳定系数可满足规范规定。

b.增加配重或抗拔力。在进行水池抗浮设计时，应根据水池自身的特点、场地条件、抗浮水位等因素合理确定抗浮计算的设计工况，从而合理优化抗浮设计，过度保守或者偏于不安全都是不可取的。

例如上文对于池内水重的考虑，虽然《水质净化运行手册》中规定水厂运行水位不得低于-4.0m，但在检修或者事故工况，存在排空水池内所有水体的可能，故抗浮计算中原则上不得考虑水池内水重。

因此对于本工程应采用压载抗浮、降排截水、抗浮锚杆、抗拔桩等工程措施来增加结构的抗浮性能，从而满足规范的要求。

3.2 合理确定设计水位

抗浮设计对于地下水池的安全运行非常重要，其稳定性验算属承载能力极限状态验算。应合理确定其设计水位，选定最不利工况。原抗浮计算中地下水位按6.0m考虑，依据的是建成后厂区地面高程为6.5m，地勘报告建议抗浮设计水位取地面标高以下0.5m。

厂区的地面标高是由绿地公园建设形成的，有局部微地形。厂区现状地面及周边规划道路高程为5.0m左右，外侧数百米即为大海，地下水基本与之连通。因此，在厂区周边地形地貌条件下，不可能形成6.0m的稳定水位。因此抗浮稳定计算时，可结合当地的地形地貌、水文地质条件综合分析，参考外海最高设计水位(百年一遇高潮位2.91m)加一定的安全裕度确定水位，最高不超过4.5m。

考虑到绿地公园建设需要，污水厂顶板以上覆土一般采用渗透性较好的耕植土或绿化土，不会按照工程要求进行压实防渗处理，而且不排除大暴雨时形成局部高地下水位，最终的抗浮仍按常水位设计，按地面以下50cm的最高水位进行校核。

3.3 抗浮计算工况

彭美珍[1]介绍了污水处理厂二沉池抗浮设计考虑控制水位的案例。对于本工程，抗浮计算工况包括施工期、正常运行期和特殊检修期。正常运行工况是长期工况，需综合考虑最不利的水位条件。而施工期和特殊检修期的抗浮可以通过非工程措施来解决(例如通过抽排确保基坑内积水深度不大于某一深度、临时在构筑物内部堆积重物或积水以增加抗浮)。各种工况的控制水位如下：

a.施工工况(临时工况)：可不考虑抗浮作用，要求基坑内积水明排，水池周边未回填前，积水深度小于4m。或者设置后浇墙，允许超过积水深度的水进入水池。

b.完工工况1(正常运行极限状态)：地下水设计常水位+池内设计低水位。

c.完工工况2(承载能力极限状态)：特殊检修条件：设计最高地下水位+池内无水。

3.4 池壁侧向摩擦力的考虑

对于埋深和平面尺寸不大的构筑物，不考虑周边土体的抗浮作用，而仅将其作为安全裕度考虑是合适的。但对于坝光污水处理厂生化池，埋深在13.0～17.0m，平面尺寸为55.1m×56.2m，不考虑土的侧向摩阻力是不合理的。对于侧向摩阻力作用，可保守考虑为主动土压力，不考虑回填土固结引起的对抗浮有利的负摩阻力。

根据地勘报告给出的各岩土层物理力学性质试验成果统计表，取回填土有效摩擦角为15°,摩阻力系数为0.35，计算得总摩阻力为154000kN。在考虑土侧向摩阻力的条件下，无须其他附加抗浮工程措施，均可满足最不利完工工况:正常运行期Kw大于1.25；特殊检修期Kw大于1.05。