花園式地下污水廠(chǎng)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

董靜祎，朱曉章

(中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，武漢 430000)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展，人民對(duì)環(huán)境的要求不斷提高。為改善水環(huán)境污染現(xiàn)狀，優(yōu)化生活與投資環(huán)境，我國(guó)近年來(lái)投資建設(shè)了一大批地下污水處理廠(chǎng)。地下污水廠(chǎng)的建設(shè)緩解了土地資源浪費(fèi)及環(huán)境污染的問(wèn)題，隨著我國(guó)城市化水平和居民環(huán)境要求的提高，建設(shè)能夠與周邊環(huán)境協(xié)調(diào)、封閉性強(qiáng)、無(wú)二次污染的地下污水處理廠(chǎng)成為城市污水治理工程建設(shè)的新的發(fā)展趨勢(shì)和發(fā)展方向[1]。對(duì)于我國(guó)的大型城市污水處理廠(chǎng)來(lái)說(shuō)，盡管一般都建在郊區(qū)，然而隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大，很難保證這些污水處理廠(chǎng)以后不會(huì)對(duì)城市的自然環(huán)境構(gòu)成威脅。為了使廠(chǎng)區(qū)與城市發(fā)展、環(huán)境保護(hù)相協(xié)調(diào)，起到利用環(huán)境、保護(hù)環(huán)境、提升環(huán)境的作用，部分地下廠(chǎng)采用花園式地下污水廠(chǎng)，這對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)又帶來(lái)了新的考驗(yàn)。 該篇對(duì)花園式地下污水廠(chǎng)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行分析，供今后的結(jié)構(gòu)應(yīng)用做借鑒。

花園式地下污水廠(chǎng)主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要分為設(shè)計(jì)荷載及計(jì)算、抗?jié)B控制設(shè)計(jì)、抗浮設(shè)計(jì)三大模塊。

1 設(shè)計(jì)荷載及計(jì)算

荷載按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009—2012)、《種植屋面工程技術(shù)規(guī)程》(JGJ155—2013)、《給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50069—2002)、《給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50332—2002)等相應(yīng)有關(guān)規(guī)定取值。

鋼筋砼自重荷載按重度25 kN/m3計(jì)算；土體自重荷載按重度18 kN/m3計(jì)算；地下水自重荷載按重度10 kN/m3計(jì)算；凈水自重荷載按重度10.0～10.5 kN/m3計(jì)算；污水自重荷載按重度10.5 kN/m3計(jì)算；地面堆積荷載一般按10 kN/m2計(jì)算(若附近經(jīng)常有車(chē)輛通過(guò)須另考慮)；側(cè)向土壓力按土質(zhì)狀況采用水土分算或水土合算計(jì)算；簡(jiǎn)單式種植屋面荷載不應(yīng)小于1.0 kN/m2，花園式種植屋面荷載不應(yīng)小于3.0 kN/m2，均應(yīng)納入屋面結(jié)構(gòu)永久荷載；種植土的荷載應(yīng)按飽和水密度計(jì)算；植物荷載應(yīng)包括初載植物荷重和植物生長(zhǎng)增加的可變荷載。初載植物荷重具體見(jiàn)《種植屋面工程技術(shù)規(guī)程》(JGJ155—2013)表5.1.4，如表1所示。

表1 初載植物荷重

采用花園式地下污水廠(chǎng)，須考慮建筑景觀(guān)可能存在的凸起微地形，覆土荷載應(yīng)充分考慮，并提醒上游景觀(guān)專(zhuān)業(yè)將大型喬木類(lèi)植物栽種位置放在結(jié)構(gòu)柱的區(qū)域。考慮到上層滯水的影響，地下水位建議考慮為齊地面。地下廠(chǎng)占地面積一般較大，須考慮施工時(shí)頂板可能存在走車(chē)的施工荷載，行車(chē)荷載建議按消防車(chē)或城-B考慮。由于頂板荷載普遍較大，建議頂板采用井字梁；當(dāng)跨度很大時(shí)，可采用無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。

按照結(jié)構(gòu)實(shí)際受力過(guò)程，分施工階段、使用階段最不利荷載組合[2]。

結(jié)構(gòu)構(gòu)件根據(jù)承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)的要求，分別進(jìn)行承載力、穩(wěn)定、變形、抗裂及裂縫寬度等方面的計(jì)算和驗(yàn)算；構(gòu)筑物應(yīng)滿(mǎn)足承載力、剛度、穩(wěn)定性、抗浮及允許裂縫開(kāi)展寬度等要求[3]。鋼筋砼污水處理構(gòu)筑物最大裂縫寬度不大于0.20 mm。

建議采用PKPM或YJK對(duì)地下箱體梁板柱進(jìn)行計(jì)算，建議采用通用有限元軟件對(duì)箱體進(jìn)行整體分析，并結(jié)合理正結(jié)構(gòu)計(jì)算工具箱軟件復(fù)核墻板、底板配筋。有限元計(jì)算時(shí)，與做學(xué)術(shù)研究采用實(shí)體單元輸出應(yīng)力應(yīng)變結(jié)果分析不同，工程設(shè)計(jì)配筋需要得到彎矩剪力軸力等結(jié)果，故建模時(shí)應(yīng)采用殼單元。

2 抗?jié)B控制設(shè)計(jì)

鋼筋砼構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)砼的抗?jié)B等級(jí)根據(jù)深度為P6～P8，應(yīng)控制地下箱體水池部分不滲水。各類(lèi)貯水池滲水量按池壁和底面積總計(jì)計(jì)算，不得超過(guò)2 L/(m2·d)。

按規(guī)范規(guī)定，地下式現(xiàn)澆構(gòu)筑物變形縫最大間距為30 m，但變形縫處往往是防水的薄弱部位，較易發(fā)生滲漏。對(duì)于可采用加強(qiáng)帶或后澆帶不設(shè)置變形縫的地下箱體，建議盡量選擇不設(shè)置變形縫，膨脹加強(qiáng)帶之間的間距宜為30～60 m，具體見(jiàn)《補(bǔ)償收縮混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T178—2009)表4.0.4，如表2所示。

表2 補(bǔ)償收縮混凝土澆筑方式和構(gòu)造形式

同時(shí)為了提高混凝土的防滲抗裂性能，可在水池混凝土中摻加低含堿量混凝土外加劑，外加劑摻量按水泥用量的一定比例計(jì)量，并以試配確認(rèn)后為準(zhǔn)，取代同等量的水泥。

因伸縮縫是池體變形設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此設(shè)計(jì)與施工時(shí)要特別加以注意。伸縮縫處連接材料一般采用紫銅片止水片或橡膠止水帶，其中紫銅止水片具有銅含量高、可塑性強(qiáng)、伸縮性好、不易斷裂，止水性能持久不會(huì)損壞等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于大中型構(gòu)筑物的分縫止水，使用效果佳。

地下污水廠(chǎng)在采用了外加劑、加強(qiáng)帶等措施后設(shè)置縫間距離建議最大不超過(guò)120 m，縫間板塊尺寸建議控制在30 m以?xún)?nèi)，縫間板塊還應(yīng)增設(shè)加強(qiáng)帶或后澆帶，加強(qiáng)帶或后澆帶之間距離不宜大于30 m，變形縫內(nèi)預(yù)埋紫銅止水片進(jìn)行接縫處理，可達(dá)到良好的抗裂止水效果。由于現(xiàn)場(chǎng)施工普遍存在環(huán)境較差難以將后澆帶處清理干凈的情況，建議少采用后澆帶或后澆式膨脹加強(qiáng)帶，多采用連續(xù)或間歇式膨脹加強(qiáng)帶。連續(xù)式膨脹加強(qiáng)帶如圖1所示，間歇式膨脹加強(qiáng)帶如圖2所示。

抗震縫按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011—2010)(2016年版)的要求設(shè)置，縫寬不小于100 mm，可與變形縫聯(lián)合設(shè)置。

3 抗浮設(shè)計(jì)

地下構(gòu)筑物整體抗浮須滿(mǎn)足抗浮安全系數(shù)K≥1.05的要求。由于地下廠(chǎng)一般都存在抗浮問(wèn)題，當(dāng)建構(gòu)筑物不能滿(mǎn)足自重抗浮要求時(shí)，可根據(jù)情況分別采用配重、抗浮樁、錨桿抗浮。樁基的選用須根據(jù)巖土工程勘察資料及相關(guān)規(guī)范、規(guī)程并結(jié)合本地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn)。

若采用高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁抗浮方案可滿(mǎn)足所需的承載力要求、地基沉降量要求，缺點(diǎn)是抗拔能力較差，接頭易遭受地下水腐蝕。若基坑較深，需待基坑開(kāi)挖后再進(jìn)行管樁施工，既延長(zhǎng)了工期又增加基坑暴露時(shí)間，從而增大安全隱患；若采用普通錨桿抗浮方案，需要抗浮錨桿長(zhǎng)度較長(zhǎng)，錨桿成孔性能較差，施工難度較大；若采用灌注樁抗浮方案，施工方法成熟可靠，且灌注樁可適用于不同深度樁基工程可與支護(hù)結(jié)構(gòu)樁同期施工，可以縮短工期的同時(shí)減少基坑暴露時(shí)間，增加基坑內(nèi)作業(yè)的安全性。

4 結(jié) 語(yǔ)

花園式地下污水廠(chǎng)與常規(guī)地上污水廠(chǎng)不同，頂板由于覆土、植被及施工荷載的影響，頂板荷載一般較大，為避免梁板配筋率過(guò)大，建議采用井字梁將荷載分?jǐn)偅瑢?duì)于大跨度結(jié)構(gòu)建議采用預(yù)應(yīng)力梁；變形縫是防水的薄弱部位，較易發(fā)生滲漏，建議減少變形縫的設(shè)置，摻入混凝土添加劑，由于現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境因素，建議多采用連續(xù)或間歇式膨脹加強(qiáng)帶；灌注樁場(chǎng)地適用性較強(qiáng)不宜斷樁，且能與基坑同期施工，較適合作為地下廠(chǎng)的抗壓抗拔樁。 由于地下污水廠(chǎng)箱體內(nèi)部結(jié)構(gòu)及設(shè)備布置較為復(fù)雜，涉及專(zhuān)業(yè)較多，若有條件建議采用BIM建模進(jìn)行碰撞分析，避免各專(zhuān)業(yè)之間的沖突，并為今后的水務(wù)及施工智慧平臺(tái)奠定模型基礎(chǔ)[4]。