大型地下調蓄池結構設計

楊 兵

(南京市市政設計研究院有限責任公司，江蘇 南京 210049)

1 概述

大型地下調蓄池結構屬于特種結構的范疇。隨著國家水環境治理事業的不斷發展以及工藝設計水平的不斷提高，各種大型地下調蓄池結構在水環境治理工程中被大量使用，大型地下調蓄池也越來越多地出現在水環境治理工程中，且都呈現出大型化的趨勢。

2 工程實例

2.1 工程簡介

長春市伊通河是松花江的二級支流，是長春的母親河，伊通河水質整體處于劣Ⅴ類狀態。吉林省伊通河北段綜合治理項目中，項目治理的目標是使伊通河北段水質達到地表Ⅴ類水標準。根據工藝專業計算伊通河北段水環境容量能夠消納5萬m3以內的初期雨水溢流量。因此應建設一座初期雨水調蓄池，有效容積6萬m3，降雨時收集溢流合流雨、污水，降雨停止時將調蓄池的污水打入附近的污水處理廠進行處理。

調蓄池全長140 m，寬62 m，深15.8 m～18.9 m，為全地下式鋼筋混凝土水池，采用自重加抗浮錨桿進行抗浮設計。橫向兩道伸縮縫，三道膨脹加強帶；縱向設置兩道膨脹加強帶。調蓄池內部設沖洗廊道、真空系統、通風系統，在池頂端設有過配電間、通風口及樓梯間。

2.2 基礎處理及抗浮措施

本工程調蓄池為全地下式，水池構筑物對地基的附加荷載基本為0，天然地基能夠滿足結構荷載對地基承載力及變形的要求。調蓄池及粗格柵井基礎持力層為④層全風化泥巖，地基承載力為280 kPa。根據地質報告，建設場地內地下水屬于孔隙潛水～基巖裂隙水類型，略具承壓性，主要受大氣降水滲入及周邊河流側向補給，調蓄池工程抗浮水位暫定為設計地面以下1.5 m。

本次設計的調蓄池基坑最大開挖深度為18.9 m，開挖深度較大，整個池體為巨大的封閉箱形結構，頂板上部的覆土重量及結構整體自重不能滿足抗浮要求，需要進行結構抗浮設計。結構抗浮設計方案一般有結構自重抗浮、配重抗浮、錨桿(或基樁)抗浮等。抗浮設計時，應綜合考慮地下水位、結構特征、地形地貌、地質土層情況、施工能力等因素，經技術、經濟比選后，最終確定抗浮措施。本工程為巖質地基，錨桿方案具有工藝成熟，投資低廉、施工快速等優點，是巖質地基理想的抗浮措施，因此本工程采用錨桿抗浮設計。

錨桿的橫斷面圖和限位器大樣圖如圖1，圖2所示。

錨桿設計要點如下：

1)錨桿成孔直徑200，錨桿長度為6 m。錨固體采用M30水泥漿(水灰比為0.4)，錨孔初次注漿壓力為0.8 MPa，二次注漿采用水灰比0.5的純水泥漿，注漿壓力為2 MPa～3 MPa，二次注漿在一次注漿體初凝后進行。

2)錨桿上下端應設置限位鋼筋，確保錨桿位于錨桿孔的中心位置。為確保施工質量，在錨桿施工前，應進行注漿密實檢驗。

3)錨桿施工前應進行試桿，以確定錨桿施工工藝及可行性。并做單根錨桿豎向抗拔靜載試驗以確定單根錨桿抗拔承載力特征值，試桿數量不應少于3根。本工程的錨桿為永久性抗拔錨桿，錨桿的抗拔承載力特征值為300 kN[1]。

2.3 水池結構設計

2.3.1調蓄池結構方案比選

本工程地下調蓄池結構平面尺寸約140 m×62 m，深15.8 m～18.9 m。平面尺寸超長，深度很深。在滿足結構受力的基礎上，此類結構的主要難點還在于如何避免超長現澆鋼筋混凝土結構由混凝土水化熱和溫度應力帶來的裂縫[1]。

結合各專業要求及本工程實際情況，可供采用的結構設計方案主要有：利用支護地下連續墻或排樁兼做主體結構方案、設縫分塊整體現澆鋼筋混凝土框架結構體系、預應力結構現澆鋼筋混凝土框架結構體系、不設縫整體現澆鋼筋混凝土框架結構體系這四種結構設計方案。各設計方案優缺點分述如下：

1)地下連續墻支護結構和調蓄池壁板結構合二為一設計方案。

本方案利用地下連續墻支護結構作為地下調蓄池的池壁，將支護結構和池體結構合二為一，造價較省，但受力體系不明確，缺乏實際工程經驗。

2)設縫分塊整體現澆鋼筋混凝土框架結構設計方案。

按《給水排水工程構筑物設計規范》第6.2.1條及《混凝土結構設計規范》第8.1.1條，現澆地下池體側墻伸縮縫最大間距30 m，同時規范也指出當混凝土中添加外加劑或者池體設置后澆帶時，伸縮縫的間距可以根據經驗確定，適當增大[2]。

結合本工程實際，沿縱向設置兩道伸縮縫，沿橫向設置一道伸縮縫，均設橡膠止水帶止水，池體分割為六塊。為滿足受力要求，設縫部位兩側設置邊框架。此方案較大程度的滿足了規范對地下池體側墻伸縮縫間距的要求，但犧牲了地下池體的結構整體性。地下調蓄池設縫后，結構整體受力不佳，且伸縮縫處容易滲漏，不易維修，對調蓄池的長期運行不利。

3)預應力水池結構設計方案。

預應力水池結構是解決超長水池結構裂縫問題最常見也是最有效的方法之一。在控制超長地下室側墻及頂、底板的工程中也早有應用。按《混凝土結構設計規范》第8.1.3條“采用專門的預加應力措施”時，伸縮縫間距可適當增大。根據國內外實際工程經驗，在采取合理分布預應力筋，減小預應力損失等結構措施的前提下，預應力結構方案可滿足本工程平面尺寸超長的不設縫要求。但預應力結構方案相對普通鋼筋混凝土結構方案造價較高，施工難度大，并因預應力筋的布置，對結構開孔穿管道限制多，部分節點較難處理。

4)不設縫整體現澆鋼筋混凝土框架結構體系。

本方案為整個地下調蓄池不設變形縫。

混凝土裂縫從大的方面可分為受力裂縫和變形裂縫兩種，受力裂縫可通過結構計算控制，變形裂縫往往是工程中混凝土結構裂縫控制的難點。溫度變形和收縮變形是引起混凝土變形裂縫的主要原因，混凝土的收縮包括塑性收縮、干燥收縮、碳化收縮[3]。本工程調蓄池為完全地下結構，結構頂部及側壁都被土壤包圍，形成了天然的保溫層，調蓄池在使用期間受到溫度和濕度的影響很小。本調蓄池地基持力層為⑤層強風化泥巖，地基土質很好，調蓄池沉降小，因此本工程最關鍵的就是要控制混凝土變形裂縫，要控制溫度變形和收縮變形，主要就是控制混凝土的溫度，以及控制混凝土自身的干縮。

本方案擬沿縱向設置兩道后澆帶和三道膨脹加強帶，沿橫向設置兩道膨脹加強帶，以盡量減小溫度變化對結構的影響。不設縫整體現澆水池結構體系結構整體性好，剛度分布均勻，結構受力好，抗不均勻沉降能力較強，對工藝布置的限制能最大程度的減小。但同時水池為超長無縫結構，為控制超長及大面積混凝土的裂縫，施工中應切實加強養護及合理選用材料以減少混凝土的收縮。在材料的選用上應優選水化熱低收縮率低和抗裂性高的礦渣硅酸鹽水泥。為減少混凝土的收縮，提高抗滲摻入膨脹纖維抗裂防水劑(限制膨脹率：水中7 d≥0.03%)，后澆帶的摻量建議值為膠凝材料的8%，其余部分建議值為6%，并須經試驗確定[4]。

以上各方案優缺點列表比選如表1所示。

表1 調蓄池結構設計方案綜合比選

綜合比較以上四個方案的優缺點，方案四無論是結構受力合理性，還是造價控制及施工難度上均有優勢，但應結合相關工程經驗，在設計施工過程中應對后澆帶、加強帶、混凝土配合比、防滲抗裂外加劑的選擇還有對施工混凝土的澆筑及養護均應嚴格要求。

2.3.2地下調蓄池結構推薦方案

本工程地下調蓄池推薦方案為不設縫整體現澆鋼筋混凝土框架結構體系。

縱橫向分別設置24榀、11榀框架抗側力結構(包括地下室側墻)，結合工藝平面布置，于池體頂面處設置框架梁減小框架壁柱計算長度?？v向于第8、第16跨設置后澆帶，第4跨、第12跨、第20跨設置膨脹加強帶；橫向于第4跨、第9跨設置膨脹加強帶，后澆帶均根據一次混凝土現澆段長度、結構荷載及施工方便合理布置。其結構平面布置如圖3所示。實際現場完成圖如圖4所示。

壁板水平框架壁柱采用尺寸1 500 mm×2 500 mm，框架梁根據跨度不同分別采用500 mm×1 200 mm。頂板考慮結構受力及防水要求，適當加強，設計厚度為500 mm厚；壁板根據受力及混凝土自防水要求參考相關工程經驗，設計厚度1 000 mm；底板根據受力計算，設計厚度為1 200 mm。

地下調蓄池計算采用計算軟件為理正結構工具箱中平面剛桁架模塊。頂板、壁板、底板等構件分別按跨度按雙向板、單向板計算。

2.4 設計中應注意的重點問題

1)地下調蓄池結構防水方案。由于本工程的部分埋深已超過10 m，所以防水混凝土的設計防滲等級S8(P8)，地下調蓄池內側迎水面結合防腐做法設置柔性防水層(防水卷材)。

2)調蓄池的防腐要求：存儲污水水池迎水面需涂刷防腐涂料，可采用2 mm厚PMC-421聚合物水泥防水灰漿，1.5 mm乙烯基酯防腐防水涂料。

3)調蓄池基坑設計：本工程開挖深度達到18 m屬于深基坑工程，因此基坑工程設計非常重要。在調蓄池基坑設計中，常用的基坑支護設計方案主要有拉森樁、水泥土重力式圍護墻、型鋼水泥土攪拌樁、排樁圍護體、地下連續墻等形式，結合本工程地質情況，設計采用樁錨支護方式。

4)超長水池混凝土養護：混凝土澆筑完成后應進行覆蓋，派專人養護。對混凝土壁板，必須采用塑料薄膜或麻袋(草包)覆蓋，構件上方設水管進行噴淋養護(或用其他有效養護措施)，拆模時間不早于5 d(冬季時不早于7 d)，澆水養護不少于14 d，使混凝土始終處于濕潤狀態。在池外壁回填土前仍應采取適當的養護措施，以防混凝土開裂滲水。

3 結語

隨著國家水環境治理事業的不斷發展以及工藝設計水平的不斷提高，各種大型地下調蓄池結構在水環境治理工程中被大量使用。本文通過工程實例，對大型地下調蓄池結構設計方案的優劣比選和對設計及施工中應注意的重點問題進行了充分的闡述。目前本工程已經通水運行，工程質量優良。本文可以為其他類似工程提供參考。