花园式地下污水厂主体结构设计要点分析

董静祎，朱晓章

(中国市政工程中南设计研究总院有限公司，武汉 430000)

随着我国经济建设的不断发展，人民对环境的要求不断提高。为改善水环境污染现状，优化生活与投资环境，我国近年来投资建设了一大批地下污水处理厂。地下污水厂的建设缓解了土地资源浪费及环境污染的问题，随着我国城市化水平和居民环境要求的提高，建设能够与周边环境协调、封闭性强、无二次污染的地下污水处理厂成为城市污水治理工程建设的新的发展趋势和发展方向[1]。对于我国的大型城市污水处理厂来说，尽管一般都建在郊区，然而随着城市规模的不断扩大，很难保证这些污水处理厂以后不会对城市的自然环境构成威胁。为了使厂区与城市发展、环境保护相协调，起到利用环境、保护环境、提升环境的作用，部分地下厂采用花园式地下污水厂，这对结构设计又带来了新的考验。 该篇对花园式地下污水厂主体结构设计要点进行分析，供今后的结构应用做借鉴。

花园式地下污水厂主体结构的设计主要分为设计荷载及计算、抗渗控制设计、抗浮设计三大模块。

1 设计荷载及计算

荷载按照《建筑结构荷载规范》(GB50009—2012)、《种植屋面工程技术规程》(JGJ155—2013)、《给水排水工程构筑物结构设计规范》(GB50069—2002)、《给水排水工程管道结构设计规范》(GB50332—2002)等相应有关规定取值。

钢筋砼自重荷载按重度25 kN/m3计算；土体自重荷载按重度18 kN/m3计算；地下水自重荷载按重度10 kN/m3计算；净水自重荷载按重度10.0～10.5 kN/m3计算；污水自重荷载按重度10.5 kN/m3计算；地面堆积荷载一般按10 kN/m2计算(若附近经常有车辆通过须另考虑)；侧向土压力按土质状况采用水土分算或水土合算计算；简单式种植屋面荷载不应小于1.0 kN/m2，花园式种植屋面荷载不应小于3.0 kN/m2，均应纳入屋面结构永久荷载；种植土的荷载应按饱和水密度计算；植物荷载应包括初载植物荷重和植物生长增加的可变荷载。初载植物荷重具体见《种植屋面工程技术规程》(JGJ155—2013)表5.1.4，如表1所示。

表1 初载植物荷重

采用花园式地下污水厂，须考虑建筑景观可能存在的凸起微地形，覆土荷载应充分考虑，并提醒上游景观专业将大型乔木类植物栽种位置放在结构柱的区域。考虑到上层滞水的影响，地下水位建议考虑为齐地面。地下厂占地面积一般较大，须考虑施工时顶板可能存在走车的施工荷载，行车荷载建议按消防车或城-B考虑。由于顶板荷载普遍较大，建议顶板采用井字梁；当跨度很大时，可采用无粘结预应力混凝土结构。

按照结构实际受力过程，分施工阶段、使用阶段最不利荷载组合[2]。

结构构件根据承载力极限状态和正常使用极限状态的要求，分别进行承载力、稳定、变形、抗裂及裂缝宽度等方面的计算和验算；构筑物应满足承载力、刚度、稳定性、抗浮及允许裂缝开展宽度等要求[3]。钢筋砼污水处理构筑物最大裂缝宽度不大于0.20 mm。

建议采用PKPM或YJK对地下箱体梁板柱进行计算，建议采用通用有限元软件对箱体进行整体分析，并结合理正结构计算工具箱软件复核墙板、底板配筋。有限元计算时，与做学术研究采用实体单元输出应力应变结果分析不同，工程设计配筋需要得到弯矩剪力轴力等结果，故建模时应采用壳单元。

2 抗渗控制设计

钢筋砼构筑物结构砼的抗渗等级根据深度为P6～P8，应控制地下箱体水池部分不渗水。各类贮水池渗水量按池壁和底面积总计计算，不得超过2 L/(m2·d)。

按规范规定，地下式现浇构筑物变形缝最大间距为30 m，但变形缝处往往是防水的薄弱部位，较易发生渗漏。对于可采用加强带或后浇带不设置变形缝的地下箱体，建议尽量选择不设置变形缝，膨胀加强带之间的间距宜为30～60 m，具体见《补偿收缩混凝土应用技术规程》(JGJ/T178—2009)表4.0.4，如表2所示。

表2 补偿收缩混凝土浇筑方式和构造形式

同时为了提高混凝土的防渗抗裂性能，可在水池混凝土中掺加低含碱量混凝土外加剂，外加剂掺量按水泥用量的一定比例计量，并以试配确认后为准，取代同等量的水泥。

因伸缩缝是池体变形设计的关键环节，因此设计与施工时要特别加以注意。伸缩缝处连接材料一般采用紫铜片止水片或橡胶止水带，其中紫铜止水片具有铜含量高、可塑性强、伸缩性好、不易断裂，止水性能持久不会损坏等优点，广泛用于大中型构筑物的分缝止水，使用效果佳。

地下污水厂在采用了外加剂、加强带等措施后设置缝间距离建议最大不超过120 m，缝间板块尺寸建议控制在30 m以内，缝间板块还应增设加强带或后浇带，加强带或后浇带之间距离不宜大于30 m，变形缝内预埋紫铜止水片进行接缝处理，可达到良好的抗裂止水效果。由于现场施工普遍存在环境较差难以将后浇带处清理干净的情况，建议少采用后浇带或后浇式膨胀加强带，多采用连续或间歇式膨胀加强带。连续式膨胀加强带如图1所示，间歇式膨胀加强带如图2所示。

抗震缝按《建筑抗震设计规范》(GB50011—2010)(2016年版)的要求设置，缝宽不小于100 mm，可与变形缝联合设置。

3 抗浮设计

地下构筑物整体抗浮须满足抗浮安全系数K≥1.05的要求。由于地下厂一般都存在抗浮问题，当建构筑物不能满足自重抗浮要求时，可根据情况分别采用配重、抗浮桩、锚杆抗浮。桩基的选用须根据岩土工程勘察资料及相关规范、规程并结合本地区工程经验。

若采用高强预应力管桩抗浮方案可满足所需的承载力要求、地基沉降量要求，缺点是抗拔能力较差，接头易遭受地下水腐蚀。若基坑较深，需待基坑开挖后再进行管桩施工，既延长了工期又增加基坑暴露时间，从而增大安全隐患；若采用普通锚杆抗浮方案，需要抗浮锚杆长度较长，锚杆成孔性能较差，施工难度较大；若采用灌注桩抗浮方案，施工方法成熟可靠，且灌注桩可适用于不同深度桩基工程可与支护结构桩同期施工，可以缩短工期的同时减少基坑暴露时间，增加基坑内作业的安全性。

4 结 语

花园式地下污水厂与常规地上污水厂不同，顶板由于覆土、植被及施工荷载的影响，顶板荷载一般较大，为避免梁板配筋率过大，建议采用井字梁将荷载分摊，对于大跨度结构建议采用预应力梁；变形缝是防水的薄弱部位，较易发生渗漏，建议减少变形缝的设置，掺入混凝土添加剂，由于现场施工环境因素，建议多采用连续或间歇式膨胀加强带；灌注桩场地适用性较强不宜断桩，且能与基坑同期施工，较适合作为地下厂的抗压抗拔桩。 由于地下污水厂箱体内部结构及设备布置较为复杂，涉及专业较多，若有条件建议采用BIM建模进行碰撞分析，避免各专业之间的冲突，并为今后的水务及施工智慧平台奠定模型基础[4]。