全地下污水處理廠抗浮設計要點分析

龔玉鋒

(深圳市廣匯源環境水務有限公司，廣東 深圳 518001)

壩光污水處理廠作為深圳市壩光生物谷片區唯一的污水處理設施，是該片區環境保護和環境提升的重要舉措之一。污水處理設計采用MBR(Membrane Bio-Reactor)膜處理工藝，總處理規模為6.0萬m3/d，其出水水質需達到地Ⅳ類標準。壩光污水處理廠工藝流程見圖1。

圖1 壩光污水處理廠工藝流程

根據工藝布置，項目采用全地下式，上部整體覆土作為市政公園。現狀地面高程在4.0～5.0m(56黃海高程，下同)，后期地面回填至6.5m，以滿足公園景觀及休閑等公共設施的需要。公園總用地面積9.4km2，污水處理廠頂板頂標高為5.0m，覆土厚度為1.5m，綠化荷載為3.5kN/m2。

初步設計時，考慮最不利工況提出需要設置抗浮錨桿，僅生化池就需要錨桿980余根，錨桿長度共計約10200m。此外，膜池、紫外線池和脫水間等均設置了數量不等，長短不一的抗浮錨桿。

本文根據壩光污水處理廠的工程特點，針對抗浮設計進行了較為全面的考慮，分析了各種影響因素，并提出了合理的考量和建議，為精細化考慮抗浮穩定性，實施安全且經濟的抗浮工程措施提供了重要的思路和借鑒。

1 工程地質及水文地質

工程區域位于大鵬半島東北部，屬亞熱帶海洋性季風氣候。場地水系不發育，地下水與北側海域存在緊密的水力聯系，連通性較好。

場地淺層松散巖類孔隙水賦存于填土層和砂層內，主要接受大氣降水的垂直滲入和地下水的側向補給，排泄方式為蒸發和地下徑流。勘探期間，地下水埋深為0.6～1.5m，位于素填土層中，孔隙水水位略高于海水水位。根據水文資料分析，本區域地下水位年變化幅度為0.5～2.0m。

2 水池抗浮設計

本工程中生化池、膜池、紫外線池和脫水間等均采用地下式布置，實際工程中，常常由于抗浮穩定性不足而出現地下結構上浮、開裂、傾斜或漂移等現象，影響其正常使用，增加后期處理及維修費用。因此，必須重視結構的抗浮穩定問題。

針對壩光污水處理廠結構設計，本文對生化池整體及局部抗浮性進行了分析計算。根據相關建筑地基基礎設計規范，結構整體抗浮穩定性按下式驗算：

Gk/Nw，k≥Kw

(1)

式中Gk——建筑物自重及壓重之和，kN；

Nw，k——浮力作用值，kN；

Kw——抗浮穩定安全系數，一般情況下可取1.05。

當中間柱或隔墻，除應滿足整體抗浮穩定性之外，還應計算柱或隔墻局部區域的抗浮穩定性。局部抗浮驗算公式為：

Gn/Nn≥Kw

(2)

式中Gn——局部受荷區域的自重及壓重之和，kN；

Nn——局部受荷區域的浮力作用值，kN。

按地面標高6.5m、地下水位埋深0.5m考慮，由以上公式初步計算，底板頂標高為-9.7m，初步復核水池抗浮穩定性不滿足規范要求。根據場地無排水、減壓等工程措施減小水池浮力的情況，提出了在水池底板下設置錨桿的抗浮措施，抗浮錨桿平面布置見圖2。

圖2 生化池抗浮錨桿平面布置

生化池共布置抗浮錨桿980余根，不同區域內的錨桿長度分別為8.0～15.0m，共計約10200m。單根錨桿豎向抗拔力特征值取225kN，錨桿采用直徑40mm的HRB400普通熱壓螺紋筋。

3 水池抗浮設計要點的考慮

3.1 抗浮不滿足要求的解決途徑

壩光污水處理廠生化池平面尺寸為55.10m×55.60m(長×寬)，頂板上覆土厚度1.0m，結構自重約341000kN，地下水位為4.5m時總浮力471000kN，其抗浮穩定系數僅為0.72。

根據抗浮穩定系數計算公式可知，為增加水池的抗浮穩定性，可采用以下兩種方式：?增加建筑物自重及壓重，即增加水池抗浮能力；?減小浮力作用值。針對工程特點和水池結構設計，地下水浮力按照阿基米德原理計算，僅與結構的體積有關。限于場地布置和臨海的工程特點，減小水池的埋置深度，人工降低地下水位，則后期運行維護費用高，可靠性和有效性差，或與周邊規劃存在沖突。故實際設計中，通過增加結構的抗浮力來解決抗浮穩定的問題。

a.控制內外水位差。保證池內水位不低于-4.0m(低于水池排水口底高程)，水池內水重約154000kN，則抗浮穩定系數可滿足規范規定。

b.增加配重或抗拔力。在進行水池抗浮設計時，應根據水池自身的特點、場地條件、抗浮水位等因素合理確定抗浮計算的設計工況，從而合理優化抗浮設計，過度保守或者偏于不安全都是不可取的。

例如上文對于池內水重的考慮，雖然《水質凈化運行手冊》中規定水廠運行水位不得低于-4.0m，但在檢修或者事故工況，存在排空水池內所有水體的可能，故抗浮計算中原則上不得考慮水池內水重。

因此對于本工程應采用壓載抗浮、降排截水、抗浮錨桿、抗拔樁等工程措施來增加結構的抗浮性能，從而滿足規范的要求。

3.2 合理確定設計水位

抗浮設計對于地下水池的安全運行非常重要，其穩定性驗算屬承載能力極限狀態驗算。應合理確定其設計水位，選定最不利工況。原抗浮計算中地下水位按6.0m考慮，依據的是建成后廠區地面高程為6.5m，地勘報告建議抗浮設計水位取地面標高以下0.5m。

廠區的地面標高是由綠地公園建設形成的，有局部微地形。廠區現狀地面及周邊規劃道路高程為5.0m左右，外側數百米即為大海，地下水基本與之連通。因此，在廠區周邊地形地貌條件下，不可能形成6.0m的穩定水位。因此抗浮穩定計算時，可結合當地的地形地貌、水文地質條件綜合分析，參考外海最高設計水位(百年一遇高潮位2.91m)加一定的安全裕度確定水位，最高不超過4.5m。

考慮到綠地公園建設需要，污水廠頂板以上覆土一般采用滲透性較好的耕植土或綠化土，不會按照工程要求進行壓實防滲處理，而且不排除大暴雨時形成局部高地下水位，最終的抗浮仍按常水位設計，按地面以下50cm的最高水位進行校核。

3.3 抗浮計算工況

彭美珍[1]介紹了污水處理廠二沉池抗浮設計考慮控制水位的案例。對于本工程，抗浮計算工況包括施工期、正常運行期和特殊檢修期。正常運行工況是長期工況，需綜合考慮最不利的水位條件。而施工期和特殊檢修期的抗浮可以通過非工程措施來解決(例如通過抽排確保基坑內積水深度不大于某一深度、臨時在構筑物內部堆積重物或積水以增加抗浮)。各種工況的控制水位如下：

a.施工工況(臨時工況)：可不考慮抗浮作用，要求基坑內積水明排，水池周邊未回填前，積水深度小于4m。或者設置后澆墻，允許超過積水深度的水進入水池。

b.完工工況1(正常運行極限狀態)：地下水設計常水位+池內設計低水位。

c.完工工況2(承載能力極限狀態)：特殊檢修條件：設計最高地下水位+池內無水。

3.4 池壁側向摩擦力的考慮

對于埋深和平面尺寸不大的構筑物，不考慮周邊土體的抗浮作用，而僅將其作為安全裕度考慮是合適的。但對于壩光污水處理廠生化池，埋深在13.0～17.0m，平面尺寸為55.1m×56.2m，不考慮土的側向摩阻力是不合理的。對于側向摩阻力作用，可保守考慮為主動土壓力，不考慮回填土固結引起的對抗浮有利的負摩阻力。

根據地勘報告給出的各巖土層物理力學性質試驗成果統計表，取回填土有效摩擦角為15°,摩阻力系數為0.35，計算得總摩阻力為154000kN。在考慮土側向摩阻力的條件下，無須其他附加抗浮工程措施，均可滿足最不利完工工況:正常運行期Kw大于1.25；特殊檢修期Kw大于1.05。

3.5 抗拔錨桿取值

本工程還從安全角度出發，完全不考慮側向土壓力的摩阻效應，對抗浮錨桿進行設計。需要說明的是，采用抗浮結構如抗拔樁、抗浮錨桿等，其抗拔力隨著樁或錨桿的變形而變化，直至達到極限大值。但不允許對結構基礎產生過大的位移量。

本工程采用有限元進行計算分析，單根抗浮錨桿達到設計抗拔承載力特征值225kN時，結構變形僅為0.23mm，滿足水池底板位移控制要求。

3.6 浮力計算

一般按靜水壓力計算浮力，但規范條文說明中指出，對于基底有一定厚度的弱透水性地層，可根據滲流計算浮力，或根據當地經驗，對水壓力進行適當折減。對于本工程基底主要位于風化泥巖—強風化粉砂巖。根據地勘報告：粉質黏土為弱透水性，殘積土為微透水性，全—微風化巖為弱透水性。

實際上作用在底板上的浮力僅僅是孔隙水壓力，在孔隙水壓力之外是土顆粒的有效應力，浮力及抗浮力計算簡圖見圖3。土體孔隙率在全風化泥質粉砂巖中為0.6～0.9，即水壓力(浮力)作用的應該只是土體孔隙中與底板不接觸的部分。

圖3 浮力及抗浮力計算簡圖

由于本工程未進行滲流計算，也無當地工程經驗，故提出不考慮折減，僅作為安全裕度考慮。

3.7 其他

郭曉品等[2]、劉中吉等[3]提到利用底板外挑，通過墻趾以上部分的覆土重增加抗浮力，這也是抗浮設計常用的方法之一。但此方法限于周邊建筑及外挑長度，一般增加的幅度不大，且對局部抗浮基本不起作用。可結合基坑支護設計，適當調整結構設計，充分發揮現有工程作用。

a.本工程基坑北側為樁錨支護，可將墻趾外挑至樁錨側，見圖4，從而利用樁錨支護的抗浮作用進一步優化抗浮錨桿或提高抗浮安全裕度。

圖4 墻趾外挑示意 (單位：mm)

b.在結構平面對角位置分別設置2.0m的永久水位觀測圓形井，在需要完全放空池內水的情況下，可采用一定的降水措施確保在不考慮土體摩阻力抗浮作用的情況下，保證結構的整體抗浮。

c.與樁錨側的回填，材料選用6%的水泥石粉渣，可采用小型機械碾壓，進一步增加墻側摩阻力，提高抗浮穩定系數。其他具備碾壓施工條件的，可按一般回填土壓實要求，壓實系數不小于92%。

4 結 語

a.在進行水池抗浮設計時，應根據水池自身的特點、場地條件、抗浮水位等因素合理確定抗浮計算的邊界條件，從而合理優化抗浮設計，避免不必要的浪費或過度設計。

b.本文通過分析增加抗浮穩定性的多種方式，提出了合理考慮影響水池結構整體抗浮穩定的因素。對工程采用的抗浮錨桿設計進行了優化。

c.從結構設計的角度，提出了增加趾板挑寬、利用基坑支護結構、設置永久水位觀測井等非結構性措施來保障水池的抗浮穩定性，增加安全裕度。

以上各種措施，均應用到實際設計，降低了工程造價，縮短了工期，提升了工程效益。本工程的膜池、紫外線池和脫水間等均采用以上方法進行了合理優化，也可為其他類似工程的抗浮設計提供思路。