半地下污水處理廠結構設計探析

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津 300074）

0 前言

隨著城市的擴大，人口的增長，城市的污水量相應提高，因此污水處理廠的建設、提標也會不斷增加。與傳統的地上污水處理廠相比，半地下污水處理廠由于占地面積小，并且主要污水處理構筑物均位于地下，對周邊環境影響小，因此近年來半地下污水處理廠的建設逐漸增多。本文以一運行階段半地下污水處理廠為實例，對半地下污水處理廠結構設計關鍵問題進行探討。

1 工程概況

本項目半地下污水處理廠設計規模13 萬m3/d，其中，主要水池構筑物位于地下，分別為預處理單元、生物池、膜格柵間以及MBR 膜池，所有構筑物聯建形成地下箱體，總設計尺寸為120x97m，埋深9.20m；地上部分為鋼結構廠房。本文主要針對地下箱體部分設計要點進行分析。

2 地下箱體設計

2.1 箱體池壁設計

箱體外池壁按單向板進行設計，分別考慮池外有土和池內有水兩種不同工況，對池壁進行受力計算，以裂縫作為控制條件，最大裂縫寬度不大于0.20mm。針對于半地下污水處理廠，箱體池壁計算時應考慮上部結構柱端傳遞的荷載。

根據外池壁受力特點，采用變截面池壁，厚度為500～850mm。對于單向板池壁，尚應對池壁角隅彎矩[1]進行復核計算，在池壁轉角部位設置角隅附加筋；箱體池壁高度超過3.6m，在池壁高度的水平中線部位上下500mm 范圍內，對水平筋加密[2]，以提高混凝土抗裂能力。

2.2 箱體底板設計

半地下污水處理廠箱體底板受地基特性、不同區域箱體的布局、底板剛度以及上部建筑物及荷載等不同因素的影響，受力狀態復雜，計算時應選取更符合底板實際受力的方法。

本項目中，由于底板下部存在較厚的淤泥質土，基礎形式選用筏板+鉆孔灌注樁，灌注樁樁徑800mm，樁長約15m，樁間距3m，樁端進入中風化花崗巖層；底板厚度分為1000mm 和600mm 兩種，1000mm 厚底板設置于受力較大的池壁下方。在進行底板內力分析時，首先排除地基反力直線分布假定[1]，此方法不考慮底板在荷載作用下的彈性變形，底板反力按均布荷載計算，對于大型水池，采用此方法計算的結果與實際底板受力偏差很大。文克爾假定和半無限彈性體假定[1]考慮了底板下地基土和底板的彈性變形，但對于樁筏基礎，往往難以確定地基土和樁基的變形模量，若不考慮樁的加固作用，則會造成較大的浪費。根據本項目的實際情況，最終將端承型灌注樁做為支點，按照無梁樓蓋模型進行底板內力計算，并通過盈建科軟件建立整體模型，對底板配筋進行復核，使計算結果與實際受力情況盡可能相符。下圖為箱體生物池區域底板池壁剖面示意圖。

圖1 箱體生物池區域底板池壁剖面圖

3 抗浮設計

半地下污水處理廠由于箱體往往埋深較大，由地下水產生的浮力較大，必須進行抗浮穩定性驗算。本項目中，箱體抗浮驗算包括整體抗浮驗算和局部抗浮驗算兩方面[1]。抗浮驗算中，抗浮部分只考慮箱體及上部建筑物自重、覆土重以及樁基抗拔承載力，按標準值計算，不考慮池壁與側向土的摩擦力作用[3]。整體抗浮驗算滿足的前提下，對箱體內立柱、內池壁所轄區域進行局部抗浮驗算，確保整體抗浮和局部抗浮均滿足要求。值得注意的時，設計時也應考慮施工期間箱體的抗浮滿足規范要求，并應在圖紙中針對施工期間基坑降水等事宜予以明確。

水池抗浮方案的選擇直接影響結構的合理性、安全性和項目的工程造價，應引起足夠重視。常用的抗浮方案有自重抗浮、配重抗浮、抗拔樁或抗浮錨桿抗浮、以及設置排水系統降低地下水等[4]，設計時應根據實際情況，對不同的抗浮方案進行比選，選出合理、安全、經濟的抗浮方案。本項目箱體采用筏板+灌注樁基礎，灌注樁在污水廠池體排空檢修時作為抗拔樁抵抗水浮力作用。通過合理布置樁間距，整體抗浮和局部抗浮滿足規范要求。

4 超長鋼筋混凝土箱體設計

在以往污水池設計中，根據規范要求，采用伸縮縫將超長池體分割，保證每個區域的長寬均不超過30m。而在工程實踐中，由于伸縮縫處鋼筋較密，還有橡膠止水帶、填縫板的存在，導致伸縮縫部位容易發生混凝土振搗不充分，或橡膠止水帶偏移，施工完成后伸縮縫部位成為漏水點，且后期修復困難。另外，伸縮縫的設置也會降低結構的整體剛度，改變結構的計算模型。

本項目中，通過在箱體混凝土中摻入高性能膨脹抗裂劑，配制補償收縮混凝土，并確保膨脹混凝土水中14d 限制膨脹率達到0.02%～0.03%[2]；在箱體120m 方向居中設置一道后澆式膨脹加強帶，以后澆式膨脹加強帶為界，在兩側約60mx97m 區格中設置兩橫一縱，共計3 道現澆式膨脹加強帶。膨脹加強帶內混凝土標號提高一級，水中14d 限制膨脹率0.03%～0.04.5%[2]，膨脹加強帶兩側設密孔鋼絲網與周邊混凝土分隔[5]。此外，采用細筋密布方案，在同樣配筋率的情況下優先選擇較細鋼筋較小間距布置，并在池壁中間高度1m范圍內加密水平鋼筋間距。通過上述措施，可以有效避免混凝土早期在溫差、干縮、自收縮等不利因素的聯合作用下產生早期收縮裂縫，實現整個地下箱體不設置伸縮縫，將漏水隱患降至最低。膨脹加強帶做法如下圖所示。

圖2 膨脹加強帶做法示意圖

5 防腐設計

箱體防腐主要包括兩部分：第一部分，場地地下水、土對混凝土結構具有弱腐蝕性，對混凝土結構中鋼筋具有中度腐蝕性；第二部分，對箱體內與污水接觸的構筑物內側，應進行防腐處理。

本工程鋼筋混凝土結構設計使用年限為50年，混凝土結構的環境類別為二b 類，首先，根據腐蝕性能級和環境類別，混凝土結構的耐久性基本要求以及最小保護層厚度按《混凝土結構設計規范》及《工業建筑防腐蝕設計標準》綜合取定，詳見下表。

混凝土結構耐久性基本要求表

混凝土結構耐久性基本要求表（單位：mm）

其次，在箱體池壁、底板外側以及池內與污水接觸的構筑物內側涂刷柔性的聚脲防腐涂料。池壁、底板外側防腐層應具有較高的延伸率，用以抵御混凝土收縮裂縫；對箱體內側防腐層要求具有較高的剛度，以防止防腐層被切割、劃痕破壞[6]。

除采用上述防腐措施外，本工程通過在箱體混凝土中添加防腐劑、阻銹劑，提高混凝土密實性和對鋼筋的阻銹能力，從而提高混凝土結構的耐久性。為減少水泥和混凝土中堿的含量，采用低堿水泥，同時合理使用粉煤灰、礦渣等礦物摻和料，提高混凝土抗裂和耐久性能，以提高混凝土自防腐蝕性能。

6 結語

半地下污水處理廠由多個構筑物集成為地下箱體，受力分析復雜，設計時應選擇合理的計算方法，充分考慮不同的受力工況；在滿足承載力要求的條件下，還應考慮超長箱體結構收縮裂縫處理、箱體的防腐防滲、抗浮穩定等問題，在確保箱體結構安全的同時，延長污水處理廠使用壽命，提升工程的經濟和社會效益。