某城市水厂地基处理及构筑物结构设计研究

2023-03-07郝玉东

大科技 2023年8期

郝玉东

（河北建投水务投资有限公司，河北石家庄 050000）

1 项目背景

近年来，随着城市城区的建设发展，有许多工业企业入驻城区，这些企业大多使用自备井，且管理混乱，浪费现象严重，不利于水资源的统一管理，淡水资源不足和供水设施不完善的状况，已制约了城区的经济发展步伐，作为城市“生命线”的拟建供水水厂项目，作为城市基础设施重要项目其建设已迫在眉睫。

供水水厂位于城市世纪大道南侧，安新线西侧，古城大街北侧，徐家庄村南。建设占地面积7.68hm2，每天可供水15 万m3。

2 工程建设必要性及工程概况

2.1 工程建设必要性

根据城市内的现状，发现城市内缺乏天然地表水，城市内的用水主要依靠地下水资源，用水量占全面用水量的98%，另外2%的用水主要来自城市内降水和季节性河流水。由于地下水用水程度的严重影响，20 世纪80 年代以来一直都是超采地下水状态，地下水位也是逐年降低，已经在城市中心城区形成了一个近46km2的水位下降漏斗。

结合城市目前的供水现状及存在的诸多问题，建设城市供水水厂项目，既能改善城市周围的水体环境，又能从根本上缓解城市的缺水问题。同时还可以解决水资源与城市发展、人口增长用水需求之间的矛盾，减少水资源的过度开采。

但供水水厂的建设涉及的范围是很广的，为了保障后期水厂的供水稳定性，在进行供水水厂建设过程中，就必须对供水水厂的地基处理问题进行详细的设计和加固，以防水资源的浪费。

2.2 工程概况

本工程所在场地地势平坦，现状为农林用地，自然地面标高为黄海高程35.5m，设计地坪标高为黄海高程37.5m。该供水水厂主要生产性构筑物包括：机械搅拌折板絮凝平流沉淀池（含配水井）1 座、浸没式膜滤池1座、清水池2 座、吸水井及二级泵房1 座、平衡池1 座、进料泵房及脱水机房1 座；生产性辅助建筑物包括：综合加药间1 幢、变配电间及热泵机房1 幢、机修车间及仓库1 幢，以及综合楼1 幢。

供水水厂场地位于滹沱河冲、洪积平原上，场地地貌类型单一，地形基本平坦，场地勘察深度范围内地基自上而下分为7 层：①层为表土，②层到⑥层为稍有差别的粉土层，⑦层位细砂层。根据勘察资料，场地内各层土均为不液化土，在勘察深度范围内未见地下水位，场地土、地下水对建筑材料的腐蚀等级为微腐蚀。供水水厂土层地基承载力特征值及压缩模量如表1 所示。

表1 各土层地基承载力特征值及压缩模量

3 地基处理方案

本工程主要的水处理构筑物对不均匀沉降控制要求比较高，在选择地基处理方案时，要同时考虑承载力和变形两个方面的要求。根据工艺布置，主要构筑物的底板埋深及持力土层见下表2 所示。

表2 主要构筑物的底板埋深及持力土层

从表中可以看出，沉淀池、平衡池等埋深浅，基础底板无法落于老土上，该土层的地基承载力较小，不能满足正常使用要求，需要采取措施对地基进行加固。

膜滤池为叠合水池，基底附加应力大，而邻近提升泵房基底附加压力小，两者之间的不均匀沉降差较大，为避免连接部位的橡胶止水带拉开，也需采取地基处理措施。

根据地质条件以及对当地实际情况的了解，本次设计方案主要对换填法、夯实水泥土桩两种方式进行比选。

3.1 地基加固方法

3.1.1 换填法

换填法施工简单，主要是将地面以下部分软弱土层进行挖除，用稳定性好、强度高、具有抗侵蚀性能的材料进行分层替换原状土，同时采用人工或机械对分层换填的材料进行压密、夯实，从而形成具有高承载力的人工地基。根据使用的换填材料性能的异同，垫层类型较多如砂垫层、卵石垫层、碎石垫层、灰土垫层等，这些垫层均具有稳定性好、强度高等优点[1]。

在浅层地基处理条件下应用换填法较多，适用的地质条件多为淤泥地质、淤泥质土、较为松散的素填土或杂填土等，同时在低洼地区、暗沟或暗塘区域也应用换填法[2]。

通过替换的垫层与原工程地质相比，优点众多如抗变形能力强、承载能力高等。换填法的处理深度一般不超过3m，否则压实施工质量难以保证，而且分层压实施工周期较长，同时较大的换填厚度会导致基坑开挖深度加大，增加施工难度和费用[3-4]。

3.1.2 夯实水泥土桩

夯实水泥土桩在北京、河北等地下水位较深的北方城市地区应用较为广泛，这种加固地基的方法可以原状土充分结合形成复合地基。其特点是施工简单、地基承载能力提高明显、施工质量容易控制、施工成本低、速度快，具有明显社会及经济效益，在我国北方地区这种地基加固方法已经被重点推广。

夯实水泥土桩施工过程相对简单，先在地面以下通过人工或机械成孔，同时选用单一或者水泥配比的双浆液材料，按一定厚度向孔内回填并夯实。夯实水泥土桩施工完成后可形成中等黏结强度桩，通常用于常见的淤泥质土、粉土、素或杂填土等地基的加固，当地下水位较高时，可通过井点降水对地层地下水进行降低，然后继续采用夯实水泥土桩加固地基也是非常有效的手段之一[5]。

夯实水泥土桩的作用机制是通过两个方面作用提高地基承载力的，一种作用是夯实水泥土桩在桩夯实过程中对周围的土体进行挤压，一种作用是原状土与水泥等材料结合后能够产生一系列物理化学的离子交换反应，从而使得地基承载力提高，并且具有水硬性。在经过上述作用机制作用后，加固的复合地基抵抗变形能力和地基承载力均有不同程度提高。

综上所述，两种方案均有可行性。

3.2 不同单体处理方案

3.2.1 沉淀池

本单体基底压力约为90kPa，基础底板距离自然地坪约2m，至②层土约3m。

方案一：换填法。杂填土全部挖除至②层土，然后换填3m 厚灰土垫层，灰土垫层的边宽超出基础边缘3m，经计算，扩散至②层土顶压力约80kPa，再叠加上回填灰土自重，垫层底面压力约为135kPa，而②层土其承载力特征值只有110kPa，即使在经过深度修正后的地基承载力特征值也只有125kPa，因此可以看出其承载力无法满足要求。

方案二：夯实水泥土桩。杂填土全部挖除至②层土，然后素土回填至基底标高，压实系数0.95，再采用直径400mm 夯实水泥土桩加固，水泥掺量15%，桩长15m，桩间距1.5m 左右，总桩数1200 根，桩顶设300～450mm 厚砂石褥垫层。桩端持力层为④层粉土，经计算，处理后的地基承载力可达150kPa，满足要求。

通过上述计算分析，而且相比其他桩型，如CFG桩、预制混凝土桩等，夯实水泥土桩造价更低，因此本次方案推荐采用夯实水泥土桩进行地基加固处理。

3.2.2 平衡池

平衡池单体基底压力较小，约80kPa，而且基础下杂填土层厚度较薄，不足1m，因此采用换填法较为经济、合理。处理做法：将基础下杂填土全部挖除至②层土，再换填三七灰土，并分层压实，压实系数取0.95。

3.2.3 膜滤池及提升泵房

膜滤池沉降大，仅需对其进行地基处理，由于其埋深已经较大，如果采用灰土换填，会导致基坑开挖深度进一步加大，增加施工难度和费用，而且换填厚度有限，对沉降控制效果不明显，因此本次方案推荐采用夯实水泥土桩进行地基加固处理。

夯实水泥土桩直径400mm，水泥掺量15%，桩长10m，桩间距1.5m 左右，总桩数775 根，桩顶设300mm厚砂石褥垫层。桩端持力层为④层粉土，经计算，处理后的地基承载力可达150kPa。

3.2.4 地面建筑物

由于本工程设计地面比现状地面高约2m，属于填土地基，考虑到下卧土层承载力较高，因此对于地面建筑物的基础埋深适当加大，落于②层粉土，地基承载力特征值110kPa，采用柱下条形或筏形基础可满足要求，从而减少了地基处理费用。

4 主要构筑物结构设计

4.1 沉淀池（含配水井）

沉淀池平面尺寸为70.6m×37.2m，分成2 格，反应区净深5m，沉淀区净深4.2m，底板面高出设计地面0.2m，为地面式现浇钢筋混凝土结构。为避免温度应力产生收缩裂缝，池体延长向设两道变形缝，变形缝间距约为23m，缝宽30mm，内设橡胶止水带，沿短向设一道加强带，带宽2000mm。

沉淀池上部设保温房，采用下部钢筋混凝土柱、上部轻钢屋面的组合结构。由于跨度大，通过在中部池壁设柱，将钢梁分为两跨，以减小钢梁跨度，提高结构安全度，节省造价。钢梁采用H 型钢，主梁型号为H800×350×10×16，屋面为轻钢檩条+压型钢板。

4.2 浸没式膜滤池

浸没式膜滤池由膜滤池、反冲洗及鼓风机泵房、辅池辅助车间组成，总平面尺寸为60.43m×40m，膜滤池与泵房之间设30mm 宽变形缝脱开。膜滤池平面尺寸为46.7m×40m，中部为管廊下叠产水渠，两侧为膜池下叠排水池、中和池。膜滤池共12 格，沿管廊对称布置，每侧6 格，单格平面净尺寸为5.1m×11.2m，净深5.25m，下部叠合水池净深2.4m，底板面埋深4m。管廊净宽8m，上部净深3.8m，下部产水渠净深4.25m，底板面埋深4.35m，为现浇钢筋混凝土结构，沿长、短向各设一道加强带，带宽2000mm。

泵房平面尺寸为13.7m×40m，净深5.65m，底板面埋深5.35m，为现浇钢筋混凝土结构，沿长向设一道加强带，带宽2000mm。

膜滤池上不保温房采用下部钢筋混凝土柱、上部轻钢屋面的组合结构，设5t 电动单梁悬挂式起重机一部，钢梁采用H 型钢，主梁型号为H800×350×10×16，屋面为轻钢檩条+压型钢板。

4.3 平衡池、清水池

平衡池平面尺寸为17.25m×8.7m，分成2 格，净深4.8m，底板面埋深2m，现浇钢筋混凝土结构。

清水池为2 格水池，平面尺寸为71.23m×40.6m，净深4.8m，底板面埋深4.8m，为全埋式现浇钢筋混凝土无梁楼盖结构，池内设砖砌导流墙。为避免温度应力产生收缩裂缝，池体沿长向设一道变形缝，缝宽30mm，内设橡胶止水带，缝两侧设钢筋混凝土穿孔隔墙，沿短向设一道加强带，带宽2000mm。由于地下水位较低，水池抗浮采用自重＋覆土的措施。