半地下污水处理厂结构设计探析

（中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300074）

0 前言

随着城市的扩大，人口的增长，城市的污水量相应提高，因此污水处理厂的建设、提标也会不断增加。与传统的地上污水处理厂相比，半地下污水处理厂由于占地面积小，并且主要污水处理构筑物均位于地下，对周边环境影响小，因此近年来半地下污水处理厂的建设逐渐增多。本文以一运行阶段半地下污水处理厂为实例，对半地下污水处理厂结构设计关键问题进行探讨。

1 工程概况

本项目半地下污水处理厂设计规模13 万m3/d，其中，主要水池构筑物位于地下，分别为预处理单元、生物池、膜格栅间以及MBR 膜池，所有构筑物联建形成地下箱体，总设计尺寸为120x97m，埋深9.20m；地上部分为钢结构厂房。本文主要针对地下箱体部分设计要点进行分析。

2 地下箱体设计

2.1 箱体池壁设计

箱体外池壁按单向板进行设计，分别考虑池外有土和池内有水两种不同工况，对池壁进行受力计算，以裂缝作为控制条件，最大裂缝宽度不大于0.20mm。针对于半地下污水处理厂，箱体池壁计算时应考虑上部结构柱端传递的荷载。

根据外池壁受力特点，采用变截面池壁，厚度为500～850mm。对于单向板池壁，尚应对池壁角隅弯矩[1]进行复核计算，在池壁转角部位设置角隅附加筋；箱体池壁高度超过3.6m，在池壁高度的水平中线部位上下500mm 范围内，对水平筋加密[2]，以提高混凝土抗裂能力。

2.2 箱体底板设计

半地下污水处理厂箱体底板受地基特性、不同区域箱体的布局、底板刚度以及上部建筑物及荷载等不同因素的影响，受力状态复杂，计算时应选取更符合底板实际受力的方法。

本项目中，由于底板下部存在较厚的淤泥质土，基础形式选用筏板+钻孔灌注桩，灌注桩桩径800mm，桩长约15m，桩间距3m，桩端进入中风化花岗岩层；底板厚度分为1000mm 和600mm 两种，1000mm 厚底板设置于受力较大的池壁下方。在进行底板内力分析时，首先排除地基反力直线分布假定[1]，此方法不考虑底板在荷载作用下的弹性变形，底板反力按均布荷载计算，对于大型水池，采用此方法计算的结果与实际底板受力偏差很大。文克尔假定和半无限弹性体假定[1]考虑了底板下地基土和底板的弹性变形，但对于桩筏基础，往往难以确定地基土和桩基的变形模量，若不考虑桩的加固作用，则会造成较大的浪费。根据本项目的实际情况，最终将端承型灌注桩做为支点，按照无梁楼盖模型进行底板内力计算，并通过盈建科软件建立整体模型，对底板配筋进行复核，使计算结果与实际受力情况尽可能相符。下图为箱体生物池区域底板池壁剖面示意图。

图1 箱体生物池区域底板池壁剖面图

3 抗浮设计

半地下污水处理厂由于箱体往往埋深较大，由地下水产生的浮力较大，必须进行抗浮稳定性验算。本项目中，箱体抗浮验算包括整体抗浮验算和局部抗浮验算两方面[1]。抗浮验算中，抗浮部分只考虑箱体及上部建筑物自重、覆土重以及桩基抗拔承载力，按标准值计算，不考虑池壁与侧向土的摩擦力作用[3]。整体抗浮验算满足的前提下，对箱体内立柱、内池壁所辖区域进行局部抗浮验算，确保整体抗浮和局部抗浮均满足要求。值得注意的时，设计时也应考虑施工期间箱体的抗浮满足规范要求，并应在图纸中针对施工期间基坑降水等事宜予以明确。

水池抗浮方案的选择直接影响结构的合理性、安全性和项目的工程造价，应引起足够重视。常用的抗浮方案有自重抗浮、配重抗浮、抗拔桩或抗浮锚杆抗浮、以及设置排水系统降低地下水等[4]，设计时应根据实际情况，对不同的抗浮方案进行比选，选出合理、安全、经济的抗浮方案。本项目箱体采用筏板+灌注桩基础，灌注桩在污水厂池体排空检修时作为抗拔桩抵抗水浮力作用。通过合理布置桩间距，整体抗浮和局部抗浮满足规范要求。

4 超长钢筋混凝土箱体设计

在以往污水池设计中，根据规范要求，采用伸缩缝将超长池体分割，保证每个区域的长宽均不超过30m。而在工程实践中，由于伸缩缝处钢筋较密，还有橡胶止水带、填缝板的存在，导致伸缩缝部位容易发生混凝土振捣不充分，或橡胶止水带偏移，施工完成后伸缩缝部位成为漏水点，且后期修复困难。另外，伸缩缝的设置也会降低结构的整体刚度，改变结构的计算模型。

本项目中，通过在箱体混凝土中掺入高性能膨胀抗裂剂，配制补偿收缩混凝土，并确保膨胀混凝土水中14d 限制膨胀率达到0.02%～0.03%[2]；在箱体120m 方向居中设置一道后浇式膨胀加强带，以后浇式膨胀加强带为界，在两侧约60mx97m 区格中设置两横一纵，共计3 道现浇式膨胀加强带。膨胀加强带内混凝土标号提高一级，水中14d 限制膨胀率0.03%～0.04.5%[2]，膨胀加强带两侧设密孔钢丝网与周边混凝土分隔[5]。此外，采用细筋密布方案，在同样配筋率的情况下优先选择较细钢筋较小间距布置，并在池壁中间高度1m范围内加密水平钢筋间距。通过上述措施，可以有效避免混凝土早期在温差、干缩、自收缩等不利因素的联合作用下产生早期收缩裂缝，实现整个地下箱体不设置伸缩缝，将漏水隐患降至最低。膨胀加强带做法如下图所示。

图2 膨胀加强带做法示意图

5 防腐设计

箱体防腐主要包括两部分：第一部分，场地地下水、土对混凝土结构具有弱腐蚀性，对混凝土结构中钢筋具有中度腐蚀性；第二部分，对箱体内与污水接触的构筑物内侧，应进行防腐处理。

本工程钢筋混凝土结构设计使用年限为50年，混凝土结构的环境类别为二b 类，首先，根据腐蚀性能级和环境类别，混凝土结构的耐久性基本要求以及最小保护层厚度按《混凝土结构设计规范》及《工业建筑防腐蚀设计标准》综合取定，详见下表。

混凝土结构耐久性基本要求表

混凝土结构耐久性基本要求表（单位：mm）

其次，在箱体池壁、底板外侧以及池内与污水接触的构筑物内侧涂刷柔性的聚脲防腐涂料。池壁、底板外侧防腐层应具有较高的延伸率，用以抵御混凝土收缩裂缝；对箱体内侧防腐层要求具有较高的刚度，以防止防腐层被切割、划痕破坏[6]。

除采用上述防腐措施外，本工程通过在箱体混凝土中添加防腐剂、阻锈剂，提高混凝土密实性和对钢筋的阻锈能力，从而提高混凝土结构的耐久性。为减少水泥和混凝土中碱的含量，采用低碱水泥，同时合理使用粉煤灰、矿渣等矿物掺和料，提高混凝土抗裂和耐久性能，以提高混凝土自防腐蚀性能。

6 结语

半地下污水处理厂由多个构筑物集成为地下箱体，受力分析复杂，设计时应选择合理的计算方法，充分考虑不同的受力工况；在满足承载力要求的条件下，还应考虑超长箱体结构收缩裂缝处理、箱体的防腐防渗、抗浮稳定等问题，在确保箱体结构安全的同时，延长污水处理厂使用寿命，提升工程的经济和社会效益。