鄭桂敏

（福州城建設(shè)計(jì)研究院有限公司，福建 福州 350001）

0 引言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，為滿(mǎn)足國(guó)民生活、生產(chǎn)用水需求，保護(hù)生態(tài)環(huán)境免受污水污染，給水廠和污水處理廠建設(shè)項(xiàng)目日益增多，而根據(jù)水廠工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程需要，部分水池為埋地水池，故存在抗浮設(shè)計(jì)問(wèn)題。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)勘察部門(mén)提供的抗浮設(shè)防水位對(duì)池體在施工階段、正常使用階段以及臨時(shí)檢修階段進(jìn)行池體抗浮穩(wěn)定分析，采取可靠、有效的抗浮措施來(lái)確保池體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。本文通過(guò)不同水文、地質(zhì)條件下埋地水池抗浮設(shè)計(jì)水位分析，結(jié)合實(shí)際案例采取合理抗浮措施，在確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全的情況下，實(shí)現(xiàn)抗浮設(shè)計(jì)的合理性和經(jīng)濟(jì)性。

1 抗浮設(shè)防水位的確定

福建省地處沿海丘陵地帶，水廠建設(shè)場(chǎng)地有濱海灘涂，也有丘陵山區(qū)，水文、地質(zhì)條件變化大，所以埋地水池的抗浮設(shè)計(jì)措施不能一概而論，應(yīng)進(jìn)行有針對(duì)性的分析論證?？垢≡O(shè)計(jì)概念是根據(jù)抗浮設(shè)防水位和工程經(jīng)驗(yàn)等形成的抗浮設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思想，以及選擇抗浮措施和確定抗浮治理方案的活動(dòng)[1]。抗浮設(shè)防水位是埋地水池的抗浮設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，對(duì)抗浮設(shè)計(jì)的合理性、經(jīng)濟(jì)性起到至關(guān)重要的作用?？垢≡O(shè)防水位的確定同時(shí)也是個(gè)爭(zhēng)議性很大的話(huà)題，抗浮水位定太高，抗浮成本急劇增加，滿(mǎn)足不了業(yè)主對(duì)工程成本的控制；抗浮水位定太低，存在抗浮失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。但是抗浮水位精確確定難度非常大，即使充分考慮當(dāng)?shù)厮?、地質(zhì)條件和工程經(jīng)驗(yàn)也只能初步確定，需要勘察與設(shè)計(jì)人員充分溝通，以此確定滿(mǎn)足安全、合理的抗浮設(shè)計(jì)水位和抗浮措施。水處理構(gòu)筑物抗浮水位的確定：

（1）建設(shè)于山地上的水廠，設(shè)計(jì)抗浮水位時(shí)，應(yīng)考慮廠區(qū)周邊水文環(huán)境，是否存在較大溪流及大型流域，是否存在匯水面積較大的沖溝等。場(chǎng)地總平設(shè)計(jì)時(shí)，場(chǎng)地周邊應(yīng)設(shè)置截洪溝，能及時(shí)將場(chǎng)地地表水從截洪溝排泄出場(chǎng)地。確定抗浮設(shè)防水位主要根據(jù)周邊水系防洪水位或場(chǎng)地穩(wěn)定地下水位確定。同時(shí)考慮水池單體基礎(chǔ)持力層地質(zhì)情況對(duì)抗浮水位的影響。若池體底板基礎(chǔ)持力層為排水條件較好的砂性土，地表做了可靠的排水系統(tǒng)，則不考慮地表水對(duì)池體抗浮水位影響；若基礎(chǔ)持力層為基巖，則可以考慮基底及四周設(shè)置排水盲溝，減少地表水滲入基底無(wú)法及時(shí)排走，對(duì)基底產(chǎn)生上浮力，同時(shí)抗浮設(shè)防水位較地下穩(wěn)定水位做一定提高[5]。

（2）建設(shè)于濱海灘涂的廠區(qū)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注城市防洪內(nèi)澇水位，考慮周邊水系系統(tǒng)的互補(bǔ)作用，做最不利情況的考慮。根據(jù)《福建省工程建設(shè)地方標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，當(dāng)無(wú)經(jīng)驗(yàn)時(shí)，對(duì)濱海和濱江的城鎮(zhèn)地區(qū)抗浮設(shè)防水位可取場(chǎng)地整平標(biāo)高按埋深0.5m 考慮抗浮設(shè)防水位[3]。

2 水池抗浮設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)

抗浮工程應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件的復(fù)雜程度、地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)、使用功能要求及抗浮失效可能造成的對(duì)正常使用影響程度或危害程度進(jìn)行重點(diǎn)分析、論證。給水廠及污水廠水處理構(gòu)筑物一般采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，常規(guī)工藝流程中，凈水廠埋深較大的建構(gòu)筑物主要有：二級(jí)泵房、清水池、排泥水調(diào)節(jié)池；污水廠中埋深較大，體量大，抗浮失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)較高的有：氧化溝、二沉池、生化池，這些池體是抗浮設(shè)計(jì)的重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。其他埋深小，體量不大的池體，采用結(jié)構(gòu)自重抗浮最為經(jīng)濟(jì)、有效。

對(duì)需要重點(diǎn)關(guān)注的池體的抗浮設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員應(yīng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)、技術(shù)比較，確定合理、有效的抗浮工程設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)人員應(yīng)主動(dòng)與上游專(zhuān)業(yè)溝通，在滿(mǎn)足上游專(zhuān)業(yè)工藝流程、使用功能要求的情況下，盡可能減少池體埋深，減小設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的水浮力作用；若無(wú)法減少池體埋深，則通過(guò)改善結(jié)構(gòu)體系，增加受力構(gòu)件，避免出現(xiàn)整體抗浮滿(mǎn)足，而局部抗浮不足的情況；若整體和局部抗浮都不滿(mǎn)足要求時(shí)，則應(yīng)增加配重層（又稱(chēng)壓重法），或增設(shè)抗浮錨桿、抗拔樁等抗浮措施。每種方案應(yīng)經(jīng)過(guò)可實(shí)施性、可靠性、安全性論證，選擇相對(duì)經(jīng)濟(jì)、合理的方案實(shí)施。

由于水廠水處理構(gòu)筑物在正常使用階段，除了凈水廠二泵房為地下空間結(jié)構(gòu)，必須考慮常態(tài)抗浮，其他蓄水池池體空池概率極低，而在池內(nèi)蓄水狀態(tài)，不需要考慮抗浮問(wèn)題。故這些蓄水水池使用階段的檢修期可通過(guò)適當(dāng)?shù)墓芾碇贫?，?guī)定池體空池檢修時(shí)間應(yīng)避開(kāi)雨季、臺(tái)風(fēng)季節(jié)，并在池體外周設(shè)置地下水位監(jiān)測(cè)井，底板下設(shè)置濾水層、匯水層及集水管，并形成有效連通系統(tǒng)，在監(jiān)測(cè)井內(nèi)設(shè)置液位控制泵，做好臨時(shí)應(yīng)急抽排水，將抗浮設(shè)計(jì)水位調(diào)整至合理標(biāo)高，可大幅度減少抗浮設(shè)計(jì)措施費(fèi)用。

3 抗浮設(shè)計(jì)措施

（1）根據(jù)抗浮設(shè)防水位，結(jié)合上部結(jié)構(gòu)形式，計(jì)算空池時(shí)抗浮設(shè)防水位下的水浮力作用，抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算包括整體抗浮與局部抗浮兩個(gè)方面。兩者驗(yàn)算后抗浮系數(shù)均滿(mǎn)足規(guī)范要求時(shí)，稱(chēng)之為結(jié)構(gòu)自重抗浮[2]。

（2）對(duì)抗浮驗(yàn)算不滿(mǎn)足整體或局部抗浮驗(yàn)算時(shí)，應(yīng)采取其他抗浮措施，對(duì)只存在較小的整體抗浮不滿(mǎn)足時(shí)，可以通過(guò)增大結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面增加自重，特別是頂板或底板厚度，也可通過(guò)增加底板外挑尺寸，增加覆土重或底板配重來(lái)保證抗浮。對(duì)于局部抗浮不滿(mǎn)足要求時(shí)，可增加傳力構(gòu)件，比如增設(shè)內(nèi)隔墻，以減少局部區(qū)域水浮力，也可通過(guò)局部設(shè)置抗浮錨桿、抗浮樁來(lái)增加抗浮能力，底板面增設(shè)混凝土配重層也能有效解決局部抗浮不足的問(wèn)題[4]。

（3）施工、使用階段嚴(yán)格控制地下水位來(lái)保證抗浮穩(wěn)定。池體施工階段，池體內(nèi)外均有進(jìn)出預(yù)留未封堵的管道貫通，基坑做好降水排水措施，能確保池體抗浮穩(wěn)定；使用階段，池內(nèi)大概率工況為蓄水狀態(tài)，不存在抗浮問(wèn)題；池體需要臨時(shí)放空檢修，但由于檢修時(shí)間長(zhǎng)短、頻率不能確定，可以在池體四周設(shè)置水位觀測(cè)井，并在放空檢修期間，設(shè)置液位控制泵，及時(shí)抽排地下水至抗浮設(shè)防水位標(biāo)高，即泄水降壓法。采用降壓法具有局限性，如果池體體量大，底板結(jié)構(gòu)剛度太小的池體，短時(shí)強(qiáng)降雨后地表水涌入和地下來(lái)水無(wú)法及時(shí)排走，則容易引起底板突發(fā)上浮事故，不建議采用。

4 抗浮設(shè)計(jì)案例分析

福建省某縣級(jí)污水處理廠建設(shè)工程，建設(shè)場(chǎng)地為山地，其中二沉池埋深4m（場(chǎng)地整平面至基礎(chǔ)底），為內(nèi)直徑28m 圓形水池，僅外周設(shè)400mm 厚側(cè)壁，底板厚500mm，底板外挑500mm。

根據(jù)勘察報(bào)告，地下水埋藏條件和含水性質(zhì)分類(lèi)，場(chǎng)地地下水主要為賦存于各巖土層中孔隙潛水，主要接受地表水及大氣降水的補(bǔ)給，與場(chǎng)地西側(cè)溪流存在補(bǔ)給關(guān)系。場(chǎng)地排洪系統(tǒng)通暢，不存在場(chǎng)外大面積匯水入場(chǎng)內(nèi)，抗浮設(shè)防水位按溪流洪水期最高水位定為整平標(biāo)高以下2m。由于本單體底板面積大，且無(wú)內(nèi)隔墻，底板局部抗浮不滿(mǎn)足要求，需要進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)。

根據(jù)規(guī)范要求，水處理構(gòu)筑物抗浮工程設(shè)計(jì)等級(jí)為乙級(jí)，使用期抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)w=1.05?；A(chǔ)底板持力層以下6m 范圍均為碎石層，初步確定可采用以下兩種方案進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)驗(yàn)算：

（1）底板增設(shè)毛石砼配重層抗浮

施工工序：基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)底板施工完畢，澆筑毛石砼配重層。抗浮配重層工程造價(jià)約為22 萬(wàn)。

（2）底板底增設(shè)錨桿抗浮

根據(jù)《建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》錨桿法要求確定錨桿參數(shù)：錨桿直徑至少150mm，錨桿長(zhǎng)度暫定6m；錨固體細(xì)石混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30；注漿錨固體與土層間粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值qsia=110kPa。由于錨固段土體為碎石層，為確保成孔質(zhì)量，需要設(shè)鋼套筒護(hù)壁。單根錨桿極限抗拔承載力標(biāo)準(zhǔn)值=πd∑λi qsia1i=3.14×0.15×0.8×110×6=240kN。

根據(jù)規(guī)范要求：抗浮設(shè)計(jì)等級(jí)為乙級(jí)的工程，按裂縫控制進(jìn)行設(shè)計(jì)，在荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下錨固漿體中拉應(yīng)力不應(yīng)大于錨固漿體軸心受拉強(qiáng)度，取錨桿直徑200mm，錨桿抗拔承載力特征值取70kN。

施工工序?yàn)椋菏┕?zhǔn)備→錨桿支座、鋼套管加工→定位→打入鋼套管→鋼套管內(nèi)鉆孔→清孔→下錨桿→一次注漿→拔出鋼套管→二次注漿→養(yǎng)護(hù)→錨桿抗拔試驗(yàn)。定額綜合單價(jià)約330 元/m?？傇靸r(jià)（含檢測(cè)費(fèi)）約18 萬(wàn)。

兩種方案從安全性、可實(shí)施性、施工工期以及經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較，見(jiàn)表1。

表1 兩種方案比較

經(jīng)過(guò)分析比較，采用增設(shè)配重層抗浮安全性更高，可實(shí)施性更強(qiáng)，施工工期短，不可確定因素少，更為合理。目前項(xiàng)目已實(shí)施并運(yùn)行，效果良好。

5 結(jié)束語(yǔ)

水廠建設(shè)工程為生命線(xiàn)工程，與人們生活息息相關(guān)。滿(mǎn)足設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的抗浮設(shè)計(jì)是埋地水池結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的關(guān)鍵要素，但同時(shí)抗浮設(shè)計(jì)也對(duì)工程造價(jià)產(chǎn)生直接的影響，所以勘察單位應(yīng)通過(guò)收集復(fù)雜的水文、地質(zhì)資料，科學(xué)的分析，確定合理的設(shè)計(jì)抗浮水位，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)多方案比較，選擇合適的抗浮措施，并加強(qiáng)使用階段臨時(shí)檢修時(shí)間內(nèi)地下水位控制，在安全穩(wěn)定的基礎(chǔ)上確?？垢≡O(shè)計(jì)有更好的經(jīng)濟(jì)性和合理性。