某地埋污水处理厂地下处理中心结构设计

周政

（广州市市政工程设计研究总院有限公司，广州 510060）

1 工程概况

为与周边规划衔接好，充分利用土地，减小对周边环境的影响，污水处理厂采用构筑物集约化、组团式、全地埋方式进行布置越来越普遍[1]。清远市某污水处理厂地下处理中心由生化池、二沉池、高效沉淀池、滤布滤池、出水提升泵房、消防水池及排空池等合建而成。地下处理中心总长131.25 m，总宽56.5 m，为地下2层结构（局部1层），其中，池底标高为2.45～5.50 m，夹层面标高为11.0 m/11.5 m，顶面标高为14.50 m。地下处理中心顶部覆土厚度为0.5 m，地上新建运动场等休闲公共设施。地下处理中心平面布置示意图如图1所示。

图1 地下处理中心平面布置示意图

2 工程地质条件

根据地勘资料，综合钻孔深度范围内揭露的地质资料详细地层分布及其特性自上而下分述如下，钻孔剖面图如图2所示。

图2 钻孔剖面图

1）①1素填土：主要为粉质黏土，未完成自重固结，地基承载力特征值fak=60 kPa。

2）②1粉质黏土：可塑～软塑。成分以黏粉粒为主，fak=100kPa。

3）②2淤泥质土：软流塑状。成分以粉黏粒为主，fak=45 kPa。

4）③1粉质粘土：可塑状。成分以黏粉粒为主，fak=140 kPa。

5）③2卵石：以次圆状中～微风化砂岩卵石为主，少量砾石，fak=300 kPa。

6）④1残积粉质粘土：可塑状。以黏粉粒为主，fak=180 kPa。

7）④2残积软土：软塑、流塑状，fak=60 kPa。

8）⑤1强风化粉砂岩：节理裂隙极发育，次生黏土化强。岩体破碎，极软岩，fak=400 kPa。

9）⑤2中风化粉砂岩：泥质结构，块状构造。节理裂隙较发育，软岩，较完整，fak=1 800 kPa。

10）⑤3强风化灰岩：微晶质状结构，块状构造。裂隙较发育，岩体较破碎，fak=600 kPa。

11）⑤4微风化石灰岩：微晶质状结构，块状构造。岩体较完整，较硬岩，fak=8 000 kPa。

12）⑥1溶洞（RD）：钻孔见溶洞率7.7%，岩溶中等发育。全充填可塑残积土，轻微渗水，溶洞稳定性较差或差。

场地地下水分布类型主要为：（1）上层滞水，主要赋存于素填土层，赋水量较为丰富；（2）孔隙性潜水，主要含水层为圆砾层，赋水量较大；（3）基岩中含裂隙水和溶裂隙溶洞水。地下水和土对混凝土结构均呈微腐蚀性。

3 结构设计

3.1 地基处理

根据地质勘察报告，地下处理中心底板大部分位于②2淤泥质土层，其余部分位于③2卵石层。初步计算，地下处理中心的地基反力约为130 kPa，③2卵石层是天然基础合适的持力层，②2淤泥质土层为软弱的不良地基土层未经处理不宜直接作为持力层。基底岩石岩性不一，岩面起伏大，风化不均匀。

考虑到地下处理中心各持力层的不均匀性、埋深大、体积大需要采取抗浮措施、地基承载力要求、避免产生不均匀沉降等因素，综合考虑采用桩基础。常用的桩基础有预应力管桩和钻孔灌注桩；钻孔灌注桩对邻近建筑物及周围环境的有害影响小，桩端可嵌入岩层，单桩承载力大等优点；而预应力管桩桩身抗剪能力较差，不能嵌岩，且穿越深厚卵石层较为困难。最终选用φ800 mm钻孔灌注桩，桩端进入强/中/微风化层一定深度。由于勘察钻孔揭露的地层起伏很大、差异性较大，桩长从6～25 m不等，生化池、二沉池及高效池等区域单桩竖向抗压承载力特征值要求分别不低于4 000 kN、3 200 kN、4 300 kN。

3.2 抗浮设计

地下处理中心设计地坪标高较周围住宅小区及道路高，根据一期项目抗浮设防水位、周边住宅小区道路路面标高结合地勘报告，最终选定抗浮设防水位为12.50 m。经计算，仅考虑结构自重抗浮时，地下处理中心的抗浮系数为0.80，与规范要求的抗浮力相差较大。抗浮不满足时，常用的抗浮措施有结构自重抗浮、压重抗浮、抗浮桩、抗浮锚杆等[2]。抗浮措施的比选详见表1。

表1 抗浮措施比选表

因此，最终选用φ800 mm钻孔灌注桩作为抗浮桩，与结构自重、景观覆土共同抗浮。通过调整抗拔桩的间距保证主体结构的整体抗浮和局部抗浮的安全，同时可利用内支撑立柱的灌注桩作为抗浮桩使用。经计算，生化池、二沉池及高效池等区域单桩抗拔承载力特征值要求分别不低于1 600 kN、1 200 kN、1 900 kN。

3.3 池体结构设计

整个地下处理中心结构包括底板、中板、顶板、内外壁板等组成，根据工艺平面布置确定主要柱网尺寸为5.5 m（二沉池区域为10.0 m）×5.85 m，横向分为20跨，纵向分为10跨。

底板作为贮水构筑物底板和主体结构的筏板基础，需要满足底板抗弯承载力要求、抗冲切承载力要求、最大裂缝宽度要求以及作为池体外壁板固定支座的刚度要求。地下处理中心采用抗浮桩+结构自重+绿化覆土压重进行抗浮，无论是自重还是抗浮桩桩顶锚固长度都要求底板需要一定的厚度，经过计算确定底板的厚度为1 000 mm。

中板主要功能为连接通道、设备检修区、设备操作区，楼面荷载较小，但是由于工艺设备要求设置了大量的检修孔洞，大大削弱了楼板刚度，在洞口处布置次梁进行补强，中板采用主次梁结构承受竖向荷载和传递水平荷载，中板厚度为150 mm。

顶板作为地面层，除自重外主要承受上部覆土的重量及人员活动和检修时的荷载，柱网上布置截面尺寸为350 mm×750 mm（二沉池区域横向主梁为450 mm×1 000 mm）的主梁，并设置一道横向和竖向300 mm×600 mm的次梁，经计算顶板厚度为200 mm。

外池壁主要承受池外的水土压力以及池内的水压力，当池内无水池外有土时为最不利工况，根据水土压力自顶向底呈三角形分布的受力特点，并以最大裂缝宽度0.20 mm[3]为控制条件，采用变截面池壁，厚度为500～900 mm。内侧分隔墙按一侧有水另一侧无水的不利工况，经计算，厚度取为400 mm/500 mm。尚应复核计算单向板池壁角隅弯矩[4]，在池壁转角部位设置角隅附加筋。地下处理中心结构剖面图如图3所示。

图3 结构剖面图

3.4 超长池体结构处理

地下处理中心平面尺寸较大，长约131.2 m，约宽56.5 m，超过了GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》[5]规定的伸缩缝最大间距30 m的要求，但是在水池中设置永久伸缩缝止水施工困难，容易出现渗漏问题，日后修补更加困难。地下处理中心为全地埋结构，池内常年满水运行，结构内外温差较小，通过采取以下措施能有效避免或者减少超长结构裂缝的产生和发展：

1）在长度方向设置4道后浇带（加强带），宽度方向设置1道后浇带（加强带），以此减小混凝土的温度应力以及地基不均匀沉降。

2）底板采用柔性防水（TPO防水卷材），兼做滑动层，能起到一定的隔离和软化约束效应，降低温度应力；即使出现微小的收缩裂缝，外防水层也能起到阻止渗漏的作用；

3）使用低水化热水泥，严格控制混凝土的水灰比及坍落度；利用混凝土后期强度，加长养护时间，基坑尽早回填。

4）采用细而密的钢筋，适当提高底板、侧壁、顶板的配筋率，增加构造配筋。

4 结语

以清远市某地埋污水处理厂地下处理中心为例，介绍在平面尺寸大、埋深较大、地质条件复杂情况下，地埋污水处理厂的结构设计要点。该工程目前已通水运行，效果良好，达到了结构设计目标，总结经验如下。

1）考虑到地下处理中心各持力层的不均匀性、地基承载力要求高以及避免产生不均匀沉降等因素，地基处理采用桩基础。

2）抗浮力与浮力相差较大，结合地基处理方式，采用钻孔灌注桩作为抗浮桩和竖向承载力桩。

3）结合工艺平面布置特点、埋深及覆土厚度合理布置受力体系，并根据结构受力特点合理确定结构断面尺寸。

4）超长结构可通过设置后浇带和其他技术措施减少温度应力以及裂缝的产生和发展，尽量避免在水池中设置结构缝。