復雜條件下的特大型清水池設計

王水華

(中國市政工程西南設計研究總院，四川成都610081)

1 工程背景及概況

目前，成都市自來水廠總全部的飲用水處理能力為160×104m3/d。而在2011年夏季用水高峰時段，需水總量已經超過了飲用水的處理能力，全靠分布于各水廠內的清水池調節，才勉強度過了難關。從近幾年成都的需水量增長情況分析，如果不及時采取工程措施增加供水能力，在2012年夏季用水高峰時段，必然會出現停水或水壓不足的情況。雖然相關部門已經著手進行成都第七水廠的建設，但遠水解不了近渴，預計2013年底才能投入使用的這個水廠，肯定無法解決成都2012年、2013年夏季可能出現的用水荒。

鳳凰山加壓泵站就是在這種背景下提出來的，工程的核心內容就是要建一座蓄水量達10×104m3的清水池和相關的加壓泵房等。這樣，就可以通過該清水池在夜間用水低谷時蓄水，在白天用水高峰往外送水來調節自來水供需矛盾。

這樣大容積的清水池是極其少見的，也是我院到目前為止設計容量最大的清水池。

2 主體結構設計的特點和優點

2.1 結構形式

清水池一般可按頂板的支撐方式進行分類，最常見的就是導流墻承重體系和無梁樓蓋體系。但鳳凰山泵站清水池并沒有采用這兩種形式，而是采用了梁板體系，導流墻用磚砌筑但不承重。

清水池模板簡圖如圖1所示。

圖1 鳳凰山清水池模板簡圖

2.2 設計的特點和優點

2.2.1 地震作用傳力途徑明確，安全可靠

清水池縱向由4條變形縫分為5個獨立的結構單元。每條變形縫兩側的中間三跨導流墻采用鋼筋混凝土墻體(其余的導流墻均為磚砌體)。這樣，在每個獨立結構單元的四周，都分布有鋼筋混凝土墻(剪力墻)。發生地震時，這些墻可有效的抵抗地震產生的水平力，保證了清水池的整體抗震安全。

清水池除了要滿足整體抗震安全要求外，還需要驗算地震時壁板及導流墻在動水壓力作用下的安全性。在汶川“5·12”地震中，就出現過磚砌導流墻承重體系的清水池因導流墻局部垮塌導致頂板向下塌陷的情況。鳳凰山清水池設計時筆者對其導流墻抗震作了細致深入的考慮。作用于磚砌導流墻上的地震動水壓力，先傳到水平圈梁，再由水平圈梁傳遞給鋼筋混凝土立柱，傳力途徑明確、可靠。最為關鍵的是，在進行水平圈梁和鋼筋混凝土立柱的強度驗算時，采用了不同的安全標準。水平圈梁嚴格按規范規定的地震烈度、分項系數進行配筋，不作任何調整。而在立柱的強度驗算時，則對其抗力進行了20%的提高。這樣，在遭受不高于設防烈度的地震時，磚砌導流墻不會破壞;在遭受罕遇地震時，磚砌導流墻會先于立柱破壞，使立柱受力大為減小，從而避免了立柱破壞引起的池頂蓋坍塌。

2.2.2 池深大，占地少，空間利用率高

鳳凰山加壓站建設場地位于鳳凰山西南側，可用面積較小(因待征地中一塊面積不小的軍事用地要在幾年后才能完成搬遷)，且為不容易利用的三角形坡地，構(建)筑物的布置難度極大。

一般的清水池，池深基本在5.00 m以內，而鳳凰山清水池的深度則達到了8.55 m，這也是我院目前為止所設計的最深的清水池。這樣的設計，使得清水池的占地面積大為減小。

設計任務書中，業主要求在站區內設一棟面積不小于800 m3的倉庫。事實上，即便采取了8.55 m深的清水池方案，場地也只能勉強布置下所有必須的生產性構(建)筑物而已，要再擺放下一座800 m3的倉庫根本就不可能。當時也考慮過其它方案，比如倉庫按兩層設計或分成兩個小倉庫擺放在場地內剩下的邊角空地處。但這些方案都因為不方便使用而被否定。

最后，又只能再次在清水池上打主意。兩格清水池之間，原本就有凈寬4.00 m的管廊(管道是埋地的)，適當加寬后，就可以成為一個良好的倉儲空間。經過核算，將管廊的凈寬增加到了5.80 m，并加設了頂蓋和吊車，形成了一座凈面積達950 m3的倉庫，滿足了業主的要求。

利用清水池管廊作為倉庫，也是鳳凰山清水池有別于其它清水池的一大特點。當然，這樣的做法，也給清水池的設計增加了不少的難度。

2.2.3 節省投資，便于施工

如果鳳凰山清水池采用四川地區常用的導流墻承重體系，就必須采用鋼筋混凝土導流墻。這是因為8.55 m高的承重導流墻，如果采用磚砌體，根本無法保證其在地震動水壓力作用下的安全。而采用鋼筋混凝土導流墻，必然會增加不少的投資，還會使清水池施工時間增加。

雖然采用無梁樓蓋體系在技術上是沒有問題的，但由于無梁樓蓋體系的柱帽在施工時支模非常麻煩，施工周期較長，顯然是不適合在工期如此緊張的本工程中采用的。并且，多年以來，四川地區新建的清水池，特別是大型清水池，極少采用無梁樓蓋體系，相關的施工經驗也較為缺乏。而我院在鳳凰山清水池所采用的結構體系，只有最為普通的梁、板、墻、柱等結構構件，沒有任何施工難度，有利于縮短工期。

3 復雜的地質條件及地基處理

3.1 地質、水文條件

根據地質勘查報告，地層從上到下可分為:

(1)人工填土層:

①雜填土，主要為建渣、磚瓦塊、砂卵石及少量黏性土等組成，結構雜亂，分布不連續。

②素填土，主要由黏性土組成，混少量磚、瓦碎屑等，分布不連續。

(2)黏土層:

硬塑為主，局部可塑，全場地分布。屬膨脹土，膨脹潛勢為弱～中，地基的脹縮等級為Ⅱ級。

(3)泥巖層:

①全風化泥巖:巖體結構已全部破壞，呈土狀，硬塑為主。

②強風化泥巖:巖體結構已大部分破壞，構造層理不清晰。巖體較完整。

③中風化泥巖:巖體結構基本未破壞。巖體基本完整，不易擊碎。

富存于人工填土中的上層滯水，水量較大，水位不穩定，埋深最淺處距地面僅0.50 m。

3.2 地基處理

如果單從土層情況來看，黏土層和泥巖層都是很好的持力層，似乎沒有什么問題。但是，由于場地限制，清水池的長度方向是順坡方向布置的，而各土層的分布，也是基本沿順坡方向變化的，這樣就使得清水池的底板橫跨了中風化泥巖、強風化泥巖、全風化泥巖、黏土層(膨脹土)和素填土層，地基極不均勻。

雖然，清水池荷載不大，但它對沉降很敏感。地基不均勻，就容易產生沉降差。沉降差過大時，正常運行就會受到影響。

針對地基不均勻且有膨脹土和場地上層滯水水量大的特點，設計采用了換填三合土墊層的方法進行處理。三合土體積配合比為灰 ∶土 ∶碎石=2∶5∶3。墊層厚度為500 mm，局部素填土則全部清除后進行換填。通過這樣的處理，在泥巖地基上形成了一個褥墊層，而在黏土地基上則形成了一個硬殼層，改善了地基的均勻性。為什么不采用當地最常用的砂卵石作為換填材料，而要采用三合土呢?這是因為砂卵石滲透性強，上層滯水很容易通過它滲透到底板下，對底板的局部抗浮產生不利影響，同時也會使膨脹性黏土的含水率經常變化而產生脹縮變形。三合土材料則不會產生這樣的問題。同時因為石灰對膨脹土有改性作用，可以直接采用場地內的膨脹性黏土作為配合土料，有利于節省投資。

3.3 上層滯水的處理

場地人工填土層中，富存有大量的上層滯水。由此可以推斷，在清水池建成后，其基坑的回填土中，也必將會有大量滯水存在。如果不及時將這些滯水排出，就會形成水壓，對清水池池壁產生極為不利的影響。為此，設計在清水池周邊設置了一圈盲溝，并用管道將盲溝與低處的排水系統相連。這樣，滲入填土層中的地表水就可以通過盲溝進入排水系統，而不會滯留在基坑填土中，更不會形成水壓力對池壁造成影響。其排水盲溝的做法如圖2所示。

圖2 排水盲溝做法

4 結束語

現在，鳳凰山加壓泵站正在加緊進行建設，工程進展非常順利。相信通過參建各方的共同努力，在2012年夏季的用水高峰期來臨之際，這座特大型的清水池一定會順利完工并發揮其重要作用，讓成都市民免受缺水之苦。