地下式污水處理工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探究

劉探梅 李 玎

（西安市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710068）

為改善水環(huán)境污染現(xiàn)狀，優(yōu)化人們生活與投資環(huán)境。我國(guó)近年來(lái)投資建設(shè)了一大批污水處理廠，其工藝組成和建設(shè)規(guī)模各異，但在建設(shè)模式上，絕大多數(shù)的污水處理廠均采用地上式設(shè)計(jì)。隨著我國(guó)城市化水平和對(duì)生活環(huán)境要求的不斷提高，特別是大型城市，其土地資源短缺及環(huán)境污染的問(wèn)題日益突出，建設(shè)占用空間少、節(jié)省土地資源、環(huán)境污染小，并能與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)的地下式污水處理廠將成為大型城市污水治理工程新的發(fā)展趨勢(shì)和發(fā)展方向。

1 污水處理廠布置形式及特點(diǎn)

1.1 地上式污水處理廠

目前，地上式污水處理廠在改善城市生態(tài)環(huán)境、節(jié)約水資源、提高人們生活質(zhì)量方面發(fā)揮了巨大的作用，已成為市政、環(huán)保基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。但由于其自身的特殊性，絕大多數(shù)地上式污水處理廠在凈化污水的同時(shí)，又成為新的污染源，不僅影響了周邊居民的正常生活。而且在一定程度上制約了周邊地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。對(duì)商業(yè)、房地產(chǎn)業(yè)、服務(wù)業(yè)的影響尤其明顯。另外，地上式污水處理廠占用大量寶貴的土地資源，并因受到處理工藝的限制，很難與周?chē)沫h(huán)境相協(xié)調(diào)。

1.2 地下式污水處理廠

占用空間少。在地下式污水處理廠設(shè)計(jì)中，考慮到地下空間和投資的限制，構(gòu)筑物設(shè)計(jì)都比較緊湊，技術(shù)上也盡量選用占地面積小的處理工藝。地下污水處理廠不需考慮綠化及隔離帶等要求，故占地面積較小。例如，日本神奈川縣葉山鎮(zhèn)地下污水處理廠占地面積僅是地上污水處理廠用地面積的1/3。

噪音污染小。地下污水處理廠的主要處理設(shè)備均處于地下，許多機(jī)械的噪聲和振動(dòng)將對(duì)地面的建筑和居民基本不產(chǎn)生影響，有效地防止了噪音對(duì)周?chē)用裆钆c工作的影響。

臭味污染小。由于處于地下全封閉管理，地下污水處理廠可以對(duì)產(chǎn)生的臭氣進(jìn)行全面的處理，對(duì)環(huán)境和城市居民生活不產(chǎn)生影響。英國(guó)伊斯特本的新奇地下污水處理廠雖然建在繁忙的街道和海灘之間，但未對(duì)休斯特本的旅游區(qū)自然景觀產(chǎn)生任何不利影響。

節(jié)省土地資源。地下污水處理廠由于只有部分輔助建筑物建在地面，占用土地資源很少，節(jié)省了城市開(kāi)闊空間，不會(huì)使周邊土地貶值，對(duì)于周邊區(qū)域的未來(lái)發(fā)展沒(méi)有障礙。地下污水處理廠上部空間利用價(jià)值亦較高，可用于綠化、公園等公益事業(yè)，也可用于商業(yè)開(kāi)發(fā)。

溫度較恒定。地下污水處理廠由于處于地下，除受進(jìn)水水質(zhì)條件的影響以外，基本不受外部環(huán)境因素的影響，特別是地下常年溫差較地面溫差要小，溫度比較恒定，有利于各種污水生物處理工藝的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 地下式污水處理工程與民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)異同

2.1 地下式污水處理工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

地下式污水處理工程結(jié)構(gòu)分為頂板、底板(基礎(chǔ))、池壁及局部地上式結(jié)構(gòu)體系組成。頂板、底板和地上式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相同，頂板可采用梁板或無(wú)梁板。底板結(jié)構(gòu)分為梁板或平板式筏板，計(jì)算模型按正、反向兩種工況考慮:正向計(jì)算除構(gòu)、筑物自重、頂板覆土外，另附加構(gòu)筑物內(nèi)部污水及設(shè)備等恒載及活載;反向計(jì)算一般采用倒樓蓋法，主要考慮地下水浮力作用。池壁分為外墻及內(nèi)墻，內(nèi)墻按受力情況分為內(nèi)隔墻與承重水墻，內(nèi)隔墻因污水流通需要設(shè)置大洞口形成連通墻，不承擔(dān)水壓力，僅承擔(dān)豎向荷載，一般按構(gòu)造設(shè)計(jì)，并滿(mǎn)足墻體穩(wěn)定性。承重水墻既承擔(dān)豎向荷載，又承擔(dān)水壓力，為拉彎或壓彎構(gòu)件。外墻的內(nèi)側(cè)墻面承擔(dān)水壓力，外側(cè)墻面承擔(dān)水、土壓力及其它活荷載作用。當(dāng)結(jié)構(gòu)試水時(shí)未回填土，僅受單側(cè)水壓力作用為拉彎構(gòu)件，正常使用時(shí)受水、土等荷載作用，為壓彎作用。污水結(jié)構(gòu)的池壁不同于民用建筑落地剪力墻，與外墻、人防墻類(lèi)似，但人防墻不考慮裂縫，池壁考慮裂縫，以單、雙向板受力為主，現(xiàn)行規(guī)范最小配筋率取單側(cè)計(jì)算值，水平鋼筋布置于豎向筋外側(cè)。

2.2 荷載作用

民用建筑除人防荷載外，活荷載一般取用5kN/m2 (包含可能停放消防車(chē)的室外地面)，地下水、土壓力等按恒載考慮;活載分項(xiàng)系數(shù)取1.4，恒載分項(xiàng)系數(shù)取1.2。水池外墻地面的堆積荷載取用10kN/m2，土壓力、構(gòu)筑物內(nèi)部水壓力按恒載考慮，地下水浮力按活載考慮，水、土分項(xiàng)系數(shù)取1.27，其他活荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.4。

2.3 土壓力與內(nèi)摩擦角

不同工程地質(zhì)條件的內(nèi)摩擦角φ 差異較大，設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)場(chǎng)地土、回填土情況及地下邊坡支護(hù)條件綜合確定。根據(jù)土壓力理論計(jì)算中的墻后填土，指墻后土體楔形體范圍，而不是施工的前后肥槽范圍內(nèi)的回填土，它屬于地質(zhì)條件提供的原狀土，墻后肥槽填土的選擇和質(zhì)量，對(duì)土壓力影響不大;主動(dòng)土壓力的土楔形體范圍小，被動(dòng)土壓力的楔形體范圍相對(duì)較大。墻后填土為粘性土可以削減主動(dòng)土壓力，但對(duì)被動(dòng)土壓力起增大作用。民用建筑外墻的土壓力采用靜止土壓力，靜止土壓力系數(shù)k0=1－sin (φ) =0.5，即內(nèi)摩擦角φ=30°。靜止土壓力系數(shù)宜由試驗(yàn)確定，無(wú)試驗(yàn)條件時(shí)，對(duì)砂類(lèi)土可取0.34～0.45，對(duì)粘性土可取0.5～0.7。當(dāng)?shù)叵率沂┕げ捎米o(hù)坡樁或連續(xù)墻支護(hù)時(shí)，靜止土壓力系數(shù)取用k0=0.33。污水處理工程的外墻一般采用主動(dòng)土壓力，主動(dòng)土壓力系數(shù)為ka=tan(45－φ/2)，對(duì)于砂類(lèi)土或粉土可取1/3，對(duì)粘性土可取1/3～1/4，工程上一般取大值ka=0.333，即內(nèi)摩擦角φ=30°。

3 污水處理工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

3.1 污水處理工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化對(duì)策

地下式污水處理工程最大用鋼量在于池壁，底板次之，頂板再次之。池壁作用荷載的選取、合理截面及邊界條件、計(jì)算模型的合理假定等對(duì)經(jīng)濟(jì)性、安全性影響較大。一般情況下基礎(chǔ)采用平板式筏板較經(jīng)濟(jì)，或采用局部布梁板式筏板，少用梁板式筏板。在條件允許情況下盡量少用樁基，當(dāng)需局部處理場(chǎng)地可采用置換處理，或采用復(fù)合地基，一般優(yōu)選水泥攪拌樁處理較經(jīng)濟(jì)。頂板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)亦為經(jīng)濟(jì)控制的重要環(huán)節(jié)，受荷載作用較大，充分利用已有壁板，合理布置梁數(shù)量及截面尺寸，當(dāng)條件允許盡量少布梁、柱，或不布置，或必要時(shí)可采用板加腋處理，并盡量避免大跨梁，可增設(shè)柱處理。板跨需根據(jù)荷載及池壁布置情況進(jìn)行有效分割板塊，板塊跨度不宜大于7m，車(chē)載作用不宜大于6m，否則不經(jīng)濟(jì)。

3.2 污水處理工程經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

地下式污水處理工程采用結(jié)構(gòu)空間單位體積的含鋼量及含砼量進(jìn)行比較，地上建筑參照民用建筑預(yù)算以單位建筑面積的含鋼量及含砼量評(píng)定為宜。以廈門(mén)某10 個(gè)地下污水項(xiàng)目統(tǒng)計(jì)，水池鋼筋總用量/地下式污水工程空間體積比為:31.97～77.78kg/m3，其中77.78kg/m3 為基礎(chǔ)樁筏結(jié)構(gòu)，砼/地下式污水工程空間體積比為:0.226～0.582，兩者變化趨勢(shì)一致，當(dāng)其比值越小，表明相應(yīng)的結(jié)構(gòu)工程經(jīng)濟(jì)性?xún)r(jià)比越高，所選用結(jié)構(gòu)截面與配筋越合理。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，地下污水廠的內(nèi)力計(jì)算采用整體有限元分析與傳統(tǒng)計(jì)算模型相結(jié)合方法，安全、經(jīng)濟(jì)、可靠。除結(jié)構(gòu)計(jì)算外，無(wú)縫設(shè)計(jì)、補(bǔ)償收縮混凝土的應(yīng)用、主體混凝土材料的配合比控制及專(zhuān)門(mén)的防腐蝕措施，均是保證結(jié)構(gòu)正常功能的重要部分。日后，在進(jìn)行地下污水處理廠的設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)該對(duì)這些問(wèn)題有一個(gè)充分的重視。