广州市市政工程设计研究总院 510060
摘要：现如今，随着人们对环境的要求越来越高，对用地指标的要求越来越苛刻，地下污水厂的建设模式应运而生。地下污水厂构筑物埋于地下，臭气在地下集中处理，地面以上可设置绿化休闲公园，与周边环境有机结合。在同一土地上可同时修建污水厂和绿化公园，相当于节省了一半的土地。虽然污水厂建设投资略有增加，但是综合用地及环境等考虑，地下污水厂还是越来越受到青睐。鉴于此，本文结合某地下污水厂实例，对地下污水厂的结构设计要点展开分析。
关键词：地下污水厂；结构设计；实例
1、工程概况
某地下污水厂设计规模近期为5.0万m3/d，远期10万m3/d，规划远景控制规模为30万m3/d。近期工程投资概算1.8亿元，采用改良型A2/O和滤布滤池污水处理工艺。污水厂结构设计为现浇钢筋混凝土板式结构，施工方式为大开挖。地下池体建成后，根据规划条件，在池顶周围及顶部覆土成为全地下式结构。屋面为满足绿化要求覆土厚度不小于1.50m。
建设场地北侧为近期工程，南侧为远期工程。近期工程包括地下车间（含粗格栅间及进水泵房、细格栅间、曝气沉砂池、预沉池及污泥泵房、A/A/O生物池及污泥泵房、二次沉淀池、精细格栅间及滤布滤池、紫外线消毒渠及巴式计量槽、回用水泵房、鼓风机房及配电间、加药间、污泥浓缩脱水间、储泥池、除磷池、生物滤池等）及车间外生产调度楼、配电间、进厂涵洞等。
地下车间分为上下两层，其中下层为水处理系统，共两组池体分别处理水体，两组水池中间设综合管廊来布置工艺管道；上层为架空生产操作层，层高约6.0m，主要用途为设备吊装检修、日常管理巡视及风管吊装布置等。地下车间的东西两侧均设置了车间出入口。
2、工程地质条件
该地下污水厂区属于浅丘剥蚀地貌和冲击地貌，原貌地形起伏比较大，地形总体东高西低，在走向方向上地形形成“一梁一沟”的折叠地形，局部呈陡坎，地表主要为荒地和耕地。厂区岩土层自上而下各层工程地质特征分述如下：（1）表层填土：杂色。主要由生活垃圾夹瓦片、砖块等建筑垃圾组成，承载力极低。（2）基岩，场区基岩主要为泥岩、砂岩，岩体较完整，强度较高，呈中~厚层状，分布连续稳定，岩石地基均匀性较好。强风化泥岩地基承载力特性值为300kpa；强风化砂岩地基承载力特性值为300kpa。中风化泥岩地基承载力特征值为1880kpa。中风化砂岩地基承载力特性值为7800kpa，建议以中风化基岩作为基础持力层。
3、地下污水厂结构设计的要点分析
3.1地基处理
该污水处理厂的地下车间位于半挖半填区，基础部分位于基岩，部分位于土层。经过计算地下车间柱底范围内底板基底反压≥600kpa，土层承载力较低，故设计要求以中风化基岩为基础持力层。基础已到中风化基岩的，直接以中风化基岩为基础持力层；基础底距中风化基岩大于3m，采用D1200人工挖孔桩，桩底嵌入中风化基岩不小于2D（D为桩径）；过渡区采用C20毛石混凝土换填。由于中风化泥岩层地基承载力特征值仅为1880kpa，计算得到单桩竖向承载力的特征值为2200KN。地下车间荷载较大，桩基需要承受的平均竖向力约7000KN。综合考虑，人工挖孔桩采用桩端扩底，扩底端部直径为D2400。
3.2分缝设计
根据规范要求，大型矩形构筑物的长度或宽度较大时，应设置适应温度变化作用的伸缩缝或其他处理措施。该地下车间长度为202m，宽度为82m，池体长度方向向设置7道伸缩缝，缝宽30㎜，控制分缝间距不大于30m；池体宽度方向向设置膨胀加强带和管廊区设置后浇带来适应温度变化作用。
3.3优化结构传力体系
结构设计中应有直接、清晰、简明的横向传力体系。地下车间埋深为10~14m，池壁收到的侧向土压力很大。地下车间横剖面受力分析如图1所示。
从受力分析图可知，在车间外两侧土压力的作用下，车间底板、中板及屋面板均处于受压状态。屋面板由于全长贯通，受力弯矩轴力均很小，且没有突变。中间管廊处底部与顶板与车间两边池体顶板和底板存在较大高差，造成管廊周边池壁弯矩轴力均较大，存在明显的内力集中现象。
根据以上分析结果，为使池壁结构受力合理，保证侧向传力连续可靠，协调工艺专业对车间内综合管廊底板标高进行优化调整。调整后管廊底板与南北侧池体底板高差小于0.8m，并对管廊侧壁转角处加设腋角。南北两侧池体在顶板处加盖做成钢筋混凝土梁板结构，调整地下车间内道路坡度，控制综合管廊顶板标高，使综合管廊顶板标高与南北侧加盖池体顶板高差小于1.0m。屋面板采用贯通南北侧的钢筋混凝土梁板结构。
图1 横剖面受力分析
3.4抗浮设计
构筑物抗浮设计影响工程设计的成败，是设计的关键，也是本工程的设计重点。为有效的控制车间地下水位，本工程的抗浮设计可以总结为：“一截二渗三控”。“一截”：在底下车间两侧堆坡体表面2m深度范围内采用粘性土（隔水层）回填，这样尽可能使降水通过地表径流排到周边地势低洼处，减少降水的深层渗流。“二渗”：在地下车间底板外边缘处设置坡度1%的排水盲沟，赤壁外侧1.5m宽度范围内采用砾砂垫层（透水层）回填，当地表水量的降水透过隔水层渗入地下时，通过砾砂垫层及时排入盲沟排走。“三控”：洪水季节周边地下水位均较高，盲沟内的渗水不能及时有效排走。为满足洪水季节抗浮需要，在地下车间周边设置数个地下水位观测井，并标明每个观测井的警戒水位标高，洪水季节随时观测井内水位标高，若达到或超过警戒水位，禁止地下车间内水池放空。
3.5二期扩建施工影响
本工程二期位于一期工程南侧，紧邻一期工程。二期工程施工时需将一期工程南侧回填边坡全部挖除。因此，本工程设计时不仅需要考虑一期工程建成后正常运行时两侧均有侧向土压力的设计工况，尚应考虑二期工程施工期及建成后单边受侧向土压力的设计工况。
池壁承受不平衡侧压力，挖方区靠底板与岩石间的摩擦力抵消，填方桩基区，桩顶将受到水平侧向压力，故桩基布置和配筋设计时，均考虑不平衡侧压力下的剪力作用。
结束语
地下污水厂土地利用率高，适应现行社会对环保的要求，实现与资源环境协调发展。但其位于地下的特性，对结构设计提出了更高的要求。本文仅简要介绍本工程设计实例，结合实际施工和运营情况，可进一步优化结构设计。
参考文献
[1]GB50010-2010混凝土结构设计规范[S].
[2]《给水排水工程结构设计手册》编委会.给水排水工程结构设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.
[3]高振宇，劳伟康，张发科.大型全地下式污水处理厂主体结构设计[J].特种结构，2011.
论文作者:周书扬
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第36期
论文发表时间:2018/6/7
标签：地下论文; 车间论文; 基岩论文; 污水论文; 工程论文; 结构设计论文; 底板论文; 《建筑学研究前沿》2017年第36期论文;