地下污水處理廠結構設計關鍵問題分析

【中圖分類號】：TU93 【文獻標志碼】：A 【文章編號】：1008-3197（2025）04-37-04

【DOI編碼】：10.3969/j.issn.1008-3197.2025.04.009

Analysis on the Key Points of Structural Design for Underground Sewage TreatmentPlants

WANG Xingxing，AI Daowu

（Guizhou Institute of Architectural Design，Gui yang 55oo52，China）

【Abstract】：Inviewofthedifcultiesfaced inthestructuraldesignofundergroundsewage treatment plant，taking anunderground sewage treatment project in Weining Autonomous County as an example，this paper expounds the main structure scheme，foundation pit excavation and support，box antifloating design，super long reinforced concrete structural design measures，waterproofing，anti-corrosion and other aspects.

【Key Words】：undergroundsewage treatmentplant;structuraldesign;anti-float;crackcontrol;waterproof;anti-corrosion

地下污水處理廠因集約化布置、對周邊環境影響較小、占地面積小與周邊環境景觀效果突出等優點具有較好的應用前景。目前，國內地埋式污水處理廠主要采用全地下式雙層加蓋和半地下式雙層加蓋污水處理廠：全地下式雙層加蓋-2層為污水處理層、-1層為設備操作層；半地下式雙層加蓋污水處理廠的污水處理池部分埋地，操作層位于地面上部。全地下式污水處理廠一般埋深超過 19m ；因地下水埋藏較淺，抗浮水頭極高；結構通常采用一體式箱體設計，根據污水處理工藝要求，地下箱體結構空間布置比較復雜。地下污水處理廠結構設計通常面臨深基坑開挖與支護設計、地下箱體外池壁受力分析、結構抗浮設計、超長鋼筋混凝土無縫設計及混凝土抗裂防腐設計等難點。如何根據工程實際情況，將上述難點有效處理，讓地下污水廠結構安全有效的呈現出來是結構設計的關鍵。本文以威寧自治縣北門河某地下污水處理廠為背景，從結構選型、基坑支護、內力分析、結構抗浮及混凝土超長結構設計等方面介紹地下污水廠設計的結構措施。

1工程概況

貴州省威寧自治縣某再生水處理工程為地埋式污水處理廠，污水處理規模為 3×10⁴m³/d ，服務人口超過20萬人，總占地面積為 7500m² ，地下水位為（2號 2193.600m ，底板底標高為 2175.100m ，抗震重點設防（乙類），抗震設防烈度為7度 （0.10g） ，抗震等級為二級，抗浮水頭 18.5m ，抗浮設計等級為甲級。見圖1和圖2。

圖2箱體及抗浮錨樁立面布置

根據地勘報告顯示地基基礎的持力層為中風化泥灰巖、中風化頁巖。見表1。

表1各巖土層物理力學性質指標

2設計要點

2.1主體結構方案

地下污水廠主體結構為地下2層鋼筋混凝土構筑物，-2層為整體鋼筋混凝土結構水池，-1層為框架結構。基礎采用平板式筏型基礎，筏板厚度為1800mm 。因抗浮水位高、土壓力大，地下箱體外墻經計算厚度為 1200mm 。 ^-1 層采用主次梁結構，樓板與外墻連接處一跨范圍內樓板厚度為 250mm ；其余部分樓板厚度為 200mm ，局部設備荷載較大區域樓板厚度為 400mm 。頂板結構主次梁井字形布置，考慮景觀覆土厚度 1 500mm ，頂板厚度按 250mm 布置。 -2 層水池部分有生物池、膜池、預處理池、磁混凝池等，池壁厚度根據水池裝水高度按 400～800mm 考慮。水池內部布置不規則且存在較多的錯層和夾層，與傳統建筑結構相比，不但受外部土壓力、地下水壓力作用，還有外墻內側污水壓力；同時內部池體還承受側水壓力及-1層樓板車輛運輸、設備運行振動等荷載。采用PKPM或YJK建模無法準確計算池壁的內力；因此還需要借助水池計算軟件如世紀旗云、SAP2000對地下箱體進行整體建模，計算水池池壁在水壓力、土壓力等側壓力作用下內力分布情況并指導其配筋設計。

2.2基坑開挖與支護

因抗浮水位較高，基坑垂直開挖深度達 19.65m 。地勘報告顯示場地范圍內現有邊坡整體性較好，但由于后期建設平場及深基坑開挖后周邊巖體破碎，邊坡穩定性較差；必須進行支護后方可施工。

基坑支護為臨時性支護工程，設計使用年限為3a。基坑邊坡采用錨樁支護，抗滑樁樁徑為 1.8m 樁間距為 3.5m ，樁身設置3排10束（局部12束）錨索；樁間設置樁間擋板，擋板厚度為 200mm 雙層雙向配筋，樁頂土層采用 1：1.0 坡率及噴錨支護。地下水位較低地段采用抗滑樁 + 咬合樁支護形式，咬合厚度為300mm 。支護樁分為鋼筋混凝土樁和素混凝土樁，樁徑均為 1.5m ；鋼筋混凝土樁間距為 2.4m，2 根鋼筋混凝土樁中間設置1根素混凝土樁。鋼筋混凝土樁身設置2排10束錨索。抗滑樁樁底嵌入基坑底一下中風化巖層深度 ?8m ；樁頂設置冠梁，冠梁混凝土強度等級為C35，每隔 15～20m 設置一道 30mm 寬的伸縮縫；并做好基坑排水措施。

污水處理廠的施工工序較多且施工周期較長，合理的基坑支護設計是保證地下結構能否順利實施的前提。因此，根據地質條件、現場實際情況采用臨時性的錨樁支護既經濟合理又切實可行。

2.3結構抗浮設計

工程抗浮治理方案應根據擬建場地的抗浮穩定狀態、抗浮設計等級及抗浮概念設計并結合治理要求、對周邊環境的影響、施工條件等因素進行經濟比較后確定。常用的抗浮工程治理措施根據功能分為控制、減小地下水浮力作用效應和抵抗地下水浮力作用效應2類。其中，減小水浮力作用效應的措施有排水限壓法、泄水降壓法、隔水控壓法；抵抗水浮力作用效應的措施有壓重抗浮法、結構抗浮法、錨固抗浮法（抗浮錨桿、抗浮樁）。工程設計中通常采用抵抗地下水浮力作用效應，即當計算結構自重及壓重仍不滿足抗浮設計需求后采用抗浮錨桿或抗浮樁進行抗浮。

根據GB50007—2011《建筑地基基礎設計規范》可知，結構抗浮穩定性驗算應按式（1）計算。

G_k/N_w，k?K_w

式中： G_k 為結構抗力之和主要包括結構自重、附加物自重等恒載； N_w，k 為結構水浮力作用效應值； K_? 為抗浮穩定安全系數，按抗浮設計等級取1.00～1.10。

經計算，本工程 G_k 為 678030kN，N_w，k 為1387740kN;G_k/N_v，k=0.49lt;1.1 ，遠小于規范要求，結構整體抗浮不滿足要求，必須進行結構抗浮設計。

2.3.1抗浮方案比選

1）壓重法。抗浮水位 18.5m ，需 3.1m 厚混凝土配重 24kN/m³. ），結構無法承受。2）普通錨桿。甲級抗浮需無裂縫設計，普通錨桿無法滿足。3）預應力錨桿?？λ固氐貙訑U孔風險高（成孔率lt;60% ），無成功案例。4）微型錨樁。直徑 300mm ，適應喀斯特裂隙，施工可控性強，選為首選方案。

2.3.2經濟性比選

不同抗浮方案成本對比見表2。

表2不同抗浮方案成本

通過技術經濟性優化，平衡抗浮安全與成本，最終選用微型錨樁抗浮方案。施工前應試樁，動態調整喀斯特地層注漿參數；同時，加強底板配筋率、加強施工質量把控提高筏板的抗彎承載力，防止出現局部抗浮不滿足要求的情況。

2.4超長鋼筋混凝土無縫設計

2.4.1超長結構溫度應力計算方法

該地下污水處理廠平面尺寸為 112.6m×71.3m 筏板基礎地基持力層為中風化頁巖;底板厚度 1.8m 、外墻壁厚為 1.2m ，斷面尺寸均超過 1.0m ，屬于大體積混凝土；同時，底板采用抗浮錨樁也增加了底板溫度變形水平向約束。由于污水處理要求及地下水位較高的原因，未設置伸縮縫，為典型的超長結構無縫設計；因此對超長結構進行溫度應力與溫度場仿真，采取有效溫控措施，是避免混凝土因收縮、膨脹及溫差導致裂縫，實現不設縫設計的關鍵。

根據王鐵夢的理論及試驗研究，當厚度（高度） ∣? 0.2倍長度時，底板在不均勻溫度收縮變形下可簡化為在彈性地基上一均勻受力的長墻。通過推導得到最大溫度應力 σ_max 、平均裂縫間距 L_m 、最大裂縫寬度 δ_fmax （204號

式中： σ_max 為由中面溫差出產生的最大拉應力，N/mm²;E 為混凝土彈性模量 ，N/mm² C_x 為地基水平阻力系數， N/mm³;α 為線膨脹系數， 為綜合溫差，取 50^°C;L 為基礎底板或墻體長度， mm;H（t，τ） 為應力松弛系數； H 為墻高或底板厚度， mm;ε_p 為混凝土材料的極限拉伸應變，可取 1×10^-4～2.0×10^-4;φ 為裂縫寬度衰減系數。

不采取超長結構處理措施，按式（2）～（5）分別計算的池壁平均伸縮縫的間距、溫度作用下混凝土最大拉應力及最大裂縫寬度。見表3。

表3溫度作用參數

結構的外池壁、底板的平均裂縫縫間距約 20m 遠小于結構的 112m 長度；最大溫度應力 4.56N/mm² 大于混凝土抗拉強度 2.20MPa ，最大裂縫段度0.56mm ，遠大于裂縫寬度限值 0.20mm 。若不對超長結構采取溫控處理措施，結構池壁、底板必將產生裂縫影響結構安全性能。

2.4.2超長結構溫度應力控制措施

1）設置滑動層。為減少巖石地基對基礎底板的約束及溫差拉應力，可在巖石層與基礎底板間加設高彈性防水卷材作為滑動層。見圖3。

圖3改進型防水滑動層做法

當在巖石地基上采用防水滑動層使 C_x 降低至7×10^-2N/mm³ 時，結合多種設計及施工措施，可基本滿足長達 140m 超長地下室底板混凝土抗裂設計。

2）設置施工后澆帶。為防正混凝土干縮及季節溫差引起的裂縫，可設置后澆帶并采用跳倉法澆筑混凝土，保溫保濕養護控制水分蒸發速度，減少混凝土干縮裂縫。本工程設3條長向、1條寬向后澆帶，分結構為8塊，養護60d后合龍，可有效釋放混凝土水化熱澆，減少混凝土收縮。

3）采用補償收縮混凝土。結構設計中明確要求地下結構混凝土中需添加具有補償收縮、防水抗裂的高性能外加劑材料，使混凝土水化時內部產生 0.2～ 0.7MPa 的膨脹自壓應力。該自壓應力能抵消混凝土施工中的水化、干縮等溫差拉應力，確保澆筑和養護期間無溫度裂縫產生。

通過設置施工后澆帶即溫度控制\"放\"的思想與采用補償收縮混凝土的“抗\"的方法相結合，可有效釋放養護期溫度應力。在進行地下超長結構溫度設計時僅需考慮使用階段季節性溫差引起的溫度收縮應力，從而實現超長結構無縫設計。

4）提高配筋率及加強混凝土養護。結構設計中適當提高池壁中部及筏板基礎的配筋率至 0.65% ，增強抗彎剛度，限制裂縫擴展；同時在施工過程中加強保溫、保濕養護措施，使混凝土彈性極限拉伸接近溫差變形，理論上可實現無限長無縫設計。

結合上述多種設計及施工措施，重新計算得到基礎底板及外池壁墻體裂縫的間距、最大裂縫寬度及溫度作用下混凝土最大拉應力。見表4。

表4溫度作用參數

結構的外池壁、底板的平均裂縫間距 （140m）gt; 結構長度（ （112m） 滿足無縫設計；溫度應力 （1.99MPa）lt; 混凝土抗拉強度 2.20MPa， ；裂縫寬度（ ） lt; 限值 符合要求。超長鋼筋混凝土結構設計能夠滿足規范要求，可實現無縫設計。

2.5防水及防腐設計

本工程防水設計等級為一級，污水對池體有一定的腐蝕性；因此，采取防水防腐合二為一的設計原則。地下污水處理廠的結構外側采用聚氨酯防水涂料及防水卷材，池內側采用樹脂玻璃鱗片涂層 + 聚合物水泥砂漿 + 聚氨酯瀝青涂層防水、防腐。結構設計中還采取了加強混凝土自身的防水和防腐構造措施，包括要求混凝土抗滲等級為P10、摻加具有抗裂、防水、防腐、防銹蝕性的復合型混凝土外加劑，提高混凝土的密實性，降低混凝土碳化作用和對鋼筋的銹蝕能力；提高混凝土抗裂和耐久性能，保證結構的自防水和防腐性能。

3結語

地下污水處理廠結構設計較傳統地面式水池結構具有投資大、埋深較大、受力復雜、地下水位埋藏淺箱體水浮力大及防水防腐設計要求高等特點；因此，在進行地下箱體結構設計中需要與建筑、工藝、電氣等專業加強溝通、統籌協調。本工程建成后、運行近1a，未出現箱體結構開裂、滲水現象結構安全可靠。

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