【中圖分類(lèi)號(hào)】：TU93 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】：A 【文章編號(hào)】：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(chǎng)因集約化布置、對(duì)周邊環(huán)境影響較小、占地面積小與周邊環(huán)境景觀(guān)效果突出等優(yōu)點(diǎn)具有較好的應(yīng)用前景。目前，國(guó)內(nèi)地埋式污水處理廠(chǎng)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(chǎng)：全地下式雙層加蓋-2層為污水處理層、-1層為設(shè)備操作層；半地下式雙層加蓋污水處理廠(chǎng)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(chǎng)一般埋深超過(guò) 19m ；因地下水埋藏較淺，抗浮水頭極高；結(jié)構(gòu)通常采用一體式箱體設(shè)計(jì)，根據(jù)污水處理工藝要求，地下箱體結(jié)構(gòu)空間布置比較復(fù)雜。地下污水處理廠(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常面臨深基坑開(kāi)挖與支護(hù)設(shè)計(jì)、地下箱體外池壁受力分析、結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計(jì)、超長(zhǎng)鋼筋混凝土無(wú)縫設(shè)計(jì)及混凝土抗裂防腐設(shè)計(jì)等難點(diǎn)。如何根據(jù)工程實(shí)際情況，將上述難點(diǎn)有效處理，讓地下污水廠(chǎng)結(jié)構(gòu)安全有效的呈現(xiàn)出來(lái)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。本文以威寧自治縣北門(mén)河某地下污水處理廠(chǎng)為背景，從結(jié)構(gòu)選型、基坑支護(hù)、內(nèi)力分析、結(jié)構(gòu)抗浮及混凝土超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面介紹地下污水廠(chǎng)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)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(chǎng)，污水處理規(guī)模為 3×10⁴m³/d ，服務(wù)人口超過(guò)20萬(wàn)人，總占地面積為 7500m² ，地下水位為（2號(hào) 2193.600m ，底板底標(biāo)高為 2175.100m ，抗震重點(diǎn)設(shè)防（乙類(lèi)），抗震設(shè)防烈度為7度 （0.10g） ，抗震等級(jí)為二級(jí)，抗浮水頭 18.5m ，抗浮設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)。見(jiàn)圖1和圖2。

圖2箱體及抗浮錨樁立面布置

根據(jù)地勘報(bào)告顯示地基基礎(chǔ)的持力層為中風(fēng)化泥灰?guī)r、中風(fēng)化頁(yè)巖。見(jiàn)表1。

表1各巖土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1主體結(jié)構(gòu)方案

地下污水廠(chǎng)主體結(jié)構(gòu)為地下2層鋼筋混凝土構(gòu)筑物，-2層為整體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)水池，-1層為框架結(jié)構(gòu)。基礎(chǔ)采用平板式筏型基礎(chǔ)，筏板厚度為1800mm 。因抗浮水位高、土壓力大，地下箱體外墻經(jīng)計(jì)算厚度為 1200mm 。 ^-1 層采用主次梁結(jié)構(gòu)，樓板與外墻連接處一跨范圍內(nèi)樓板厚度為 250mm ；其余部分樓板厚度為 200mm ，局部設(shè)備荷載較大區(qū)域樓板厚度為 400mm 。頂板結(jié)構(gòu)主次梁井字形布置，考慮景觀(guān)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(yù)處理池、磁混凝池等，池壁厚度根據(jù)水池裝水高度按 400～800mm 考慮。水池內(nèi)部布置不規(guī)則且存在較多的錯(cuò)層和夾層，與傳統(tǒng)建筑結(jié)構(gòu)相比，不但受外部土壓力、地下水壓力作用，還有外墻內(nèi)側(cè)污水壓力；同時(shí)內(nèi)部池體還承受側(cè)水壓力及-1層樓板車(chē)輛運(yùn)輸、設(shè)備運(yùn)行振動(dòng)等荷載。采用PKPM或YJK建模無(wú)法準(zhǔn)確計(jì)算池壁的內(nèi)力；因此還需要借助水池計(jì)算軟件如世紀(jì)旗云、SAP2000對(duì)地下箱體進(jìn)行整體建模，計(jì)算水池池壁在水壓力、土壓力等側(cè)壓力作用下內(nèi)力分布情況并指導(dǎo)其配筋設(shè)計(jì)。

2.2基坑開(kāi)挖與支護(hù)

因抗浮水位較高，基坑垂直開(kāi)挖深度達(dá) 19.65m 。地勘報(bào)告顯示場(chǎng)地范圍內(nèi)現(xiàn)有邊坡整體性較好，但由于后期建設(shè)平場(chǎng)及深基坑開(kāi)挖后周邊巖體破碎，邊坡穩(wěn)定性較差；必須進(jìn)行支護(hù)后方可施工。

基坑支護(hù)為臨時(shí)性支護(hù)工程，設(shè)計(jì)使用年限為3a?；舆吰虏捎缅^樁支護(hù)，抗滑樁樁徑為 1.8m 樁間距為 3.5m ，樁身設(shè)置3排10束（局部12束）錨索；樁間設(shè)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(hù)。地下水位較低地段采用抗滑樁 + 咬合樁支護(hù)形式，咬合厚度為300mm 。支護(hù)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(shè)置1根素混凝土樁。鋼筋混凝土樁身設(shè)置2排10束錨索?？够瑯稑兜浊度牖拥滓幌轮酗L(fēng)化巖層深度 ?8m ；樁頂設(shè)置冠梁，冠梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C35，每隔 15～20m 設(shè)置一道 30mm 寬的伸縮縫；并做好基坑排水措施。

污水處理廠(chǎng)的施工工序較多且施工周期較長(zhǎng)，合理的基坑支護(hù)設(shè)計(jì)是保證地下結(jié)構(gòu)能否順利實(shí)施的前提。因此，根據(jù)地質(zhì)條件、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況采用臨時(shí)性的錨樁支護(hù)既經(jīng)濟(jì)合理又切實(shí)可行。

2.3結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計(jì)

工程抗浮治理方案應(yīng)根據(jù)擬建場(chǎng)地的抗浮穩(wěn)定狀態(tài)、抗浮設(shè)計(jì)等級(jí)及抗浮概念設(shè)計(jì)并結(jié)合治理要求、對(duì)周邊環(huán)境的影響、施工條件等因素進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較后確定。常用的抗浮工程治理措施根據(jù)功能分為控制、減小地下水浮力作用效應(yīng)和抵抗地下水浮力作用效應(yīng)2類(lèi)。其中，減小水浮力作用效應(yīng)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(yīng)的措施有壓重抗浮法、結(jié)構(gòu)抗浮法、錨固抗浮法（抗浮錨桿、抗浮樁）。工程設(shè)計(jì)中通常采用抵抗地下水浮力作用效應(yīng)，即當(dāng)計(jì)算結(jié)構(gòu)自重及壓重仍不滿(mǎn)足抗浮設(shè)計(jì)需求后采用抗浮錨桿或抗浮樁進(jìn)行抗浮。

根據(jù)GB50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》可知，結(jié)構(gòu)抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算應(yīng)按式（1）計(jì)算。

G_k/N_w，k?K_w

式中： G_k 為結(jié)構(gòu)抗力之和主要包括結(jié)構(gòu)自重、附加物自重等恒載； N_w，k 為結(jié)構(gòu)水浮力作用效應(yīng)值； K_? 為抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)，按抗浮設(shè)計(jì)等級(jí)取1.00～1.10。

經(jīng)計(jì)算，本工程 G_k 為 678030kN，N_w，k 為1387740kN;G_k/N_v，k=0.49lt;1.1 ，遠(yuǎn)小于規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)整體抗浮不滿(mǎn)足要求，必須進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計(jì)。

2.3.1抗浮方案比選

1）壓重法?？垢∷?18.5m ，需 3.1m 厚混凝土配重 24kN/m³. ），結(jié)構(gòu)無(wú)法承受。2）普通錨桿。甲級(jí)抗浮需無(wú)裂縫設(shè)計(jì)，普通錨桿無(wú)法滿(mǎn)足。3）預(yù)應(yīng)力錨桿?？λ固氐貙訑U(kuò)孔風(fēng)險(xiǎn)高（成孔率lt;60% ），無(wú)成功案例。4）微型錨樁。直徑 300mm ，適應(yīng)喀斯特裂隙，施工可控性強(qiáng)，選為首選方案。

2.3.2經(jīng)濟(jì)性比選

不同抗浮方案成本對(duì)比見(jiàn)表2。

表2不同抗浮方案成本

通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟(jì)性?xún)?yōu)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(yīng)試樁，動(dòng)態(tài)調(diào)整喀斯特地層注漿參數(shù)；同時(shí)，加強(qiáng)底板配筋率、加強(qiáng)施工質(zhì)量把控提高筏板的抗彎承載力，防止出現(xiàn)局部抗浮不滿(mǎn)足要求的情況。

2.4超長(zhǎng)鋼筋混凝土無(wú)縫設(shè)計(jì)

2.4.1超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力計(jì)算方法

該地下污水處理廠(chǎng)平面尺寸為 112.6m×71.3m 筏板基礎(chǔ)地基持力層為中風(fēng)化頁(yè)巖;底板厚度 1.8m 、外墻壁厚為 1.2m ，斷面尺寸均超過(guò) 1.0m ，屬于大體積混凝土；同時(shí)，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(shè)置伸縮縫，為典型的超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)無(wú)縫設(shè)計(jì)；因此對(duì)超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行溫度應(yīng)力與溫度場(chǎng)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(dǎo)致裂縫，實(shí)現(xiàn)不設(shè)縫設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

根據(jù)王鐵夢(mèng)的理論及試驗(yàn)研究，當(dāng)厚度（高度） ∣? 0.2倍長(zhǎng)度時(shí)，底板在不均勻溫度收縮變形下可簡(jiǎn)化為在彈性地基上一均勻受力的長(zhǎng)墻。通過(guò)推導(dǎo)得到最大溫度應(yīng)力 σ_max 、平均裂縫間距 L_m 、最大裂縫寬度 δ_fmax （204號(hào)

式中： σ_max 為由中面溫差出產(chǎn)生的最大拉應(yīng)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(shù)， N/mm³;α 為線(xiàn)膨脹系數(shù)， 為綜合溫差，取 50^°C;L 為基礎(chǔ)底板或墻體長(zhǎng)度， mm;H（t，τ） 為應(yīng)力松弛系數(shù)； H 為墻高或底板厚度， mm;ε_p 為混凝土材料的極限拉伸應(yīng)變，可取 1×10^-4～2.0×10^-4;φ 為裂縫寬度衰減系數(shù)。

不采取超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)處理措施，按式（2）～（5）分別計(jì)算的池壁平均伸縮縫的間距、溫度作用下混凝土最大拉應(yīng)力及最大裂縫寬度。見(jiàn)表3。

表3溫度作用參數(shù)

結(jié)構(gòu)的外池壁、底板的平均裂縫縫間距約 20m 遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)的 112m 長(zhǎng)度；最大溫度應(yīng)力 4.56N/mm² 大于混凝土抗拉強(qiáng)度 2.20MPa ，最大裂縫段度0.56mm ，遠(yuǎn)大于裂縫寬度限值 0.20mm 。若不對(duì)超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)采取溫控處理措施，結(jié)構(gòu)池壁、底板必將產(chǎn)生裂縫影響結(jié)構(gòu)安全性能。

2.4.2超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力控制措施

1）設(shè)置滑動(dòng)層。為減少巖石地基對(duì)基礎(chǔ)底板的約束及溫差拉應(yīng)力，可在巖石層與基礎(chǔ)底板間加設(shè)高彈性防水卷材作為滑動(dòng)層。見(jiàn)圖3。

圖3改進(jìn)型防水滑動(dòng)層做法

當(dāng)在巖石地基上采用防水滑動(dòng)層使 C_x 降低至7×10^-2N/mm³ 時(shí)，結(jié)合多種設(shè)計(jì)及施工措施，可基本滿(mǎn)足長(zhǎng)達(dá) 140m 超長(zhǎng)地下室底板混凝土抗裂設(shè)計(jì)。

2）設(shè)置施工后澆帶。為防正混凝土干縮及季節(jié)溫差引起的裂縫，可設(shè)置后澆帶并采用跳倉(cāng)法澆筑混凝土，保溫保濕養(yǎng)護(hù)控制水分蒸發(fā)速度，減少混凝土干縮裂縫。本工程設(shè)3條長(zhǎng)向、1條寬向后澆帶，分結(jié)構(gòu)為8塊，養(yǎng)護(hù)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(bǔ)償收縮混凝土。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中明確要求地下結(jié)構(gòu)混凝土中需添加具有補(bǔ)償收縮、防水抗裂的高性能外加劑材料，使混凝土水化時(shí)內(nèi)部產(chǎn)生 0.2～ 0.7MPa 的膨脹自壓應(yīng)力。該自壓應(yīng)力能抵消混凝土施工中的水化、干縮等溫差拉應(yīng)力，確保澆筑和養(yǎng)護(hù)期間無(wú)溫度裂縫產(chǎn)生。

通過(guò)設(shè)置施工后澆帶即溫度控制\"放\"的思想與采用補(bǔ)償收縮混凝土的“抗\"的方法相結(jié)合，可有效釋放養(yǎng)護(hù)期溫度應(yīng)力。在進(jìn)行地下超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)溫度設(shè)計(jì)時(shí)僅需考慮使用階段季節(jié)性溫差引起的溫度收縮應(yīng)力，從而實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)無(wú)縫設(shè)計(jì)。

4）提高配筋率及加強(qiáng)混凝土養(yǎng)護(hù)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中適當(dāng)提高池壁中部及筏板基礎(chǔ)的配筋率至 0.65% ，增強(qiáng)抗彎剛度，限制裂縫擴(kuò)展；同時(shí)在施工過(guò)程中加強(qiáng)保溫、保濕養(yǎng)護(hù)措施，使混凝土彈性極限拉伸接近溫差變形，理論上可實(shí)現(xiàn)無(wú)限長(zhǎng)無(wú)縫設(shè)計(jì)。

結(jié)合上述多種設(shè)計(jì)及施工措施，重新計(jì)算得到基礎(chǔ)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(yīng)力。見(jiàn)表4。

表4溫度作用參數(shù)

結(jié)構(gòu)的外池壁、底板的平均裂縫間距 （140m）gt; 結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度（ （112m） 滿(mǎn)足無(wú)縫設(shè)計(jì)；溫度應(yīng)力 （1.99MPa）lt; 混凝土抗拉強(qiáng)度 2.20MPa， ；裂縫寬度（ ） lt; 限值 符合要求。超長(zhǎng)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠滿(mǎn)足規(guī)范要求，可實(shí)現(xiàn)無(wú)縫設(shè)計(jì)。

2.5防水及防腐設(shè)計(jì)

本工程防水設(shè)計(jì)等級(jí)為一級(jí)，污水對(duì)池體有一定的腐蝕性；因此，采取防水防腐合二為一的設(shè)計(jì)原則。地下污水處理廠(chǎng)的結(jié)構(gòu)外側(cè)采用聚氨酯防水涂料及防水卷材，池內(nèi)側(cè)采用樹(shù)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中還采取了加強(qiáng)混凝土自身的防水和防腐構(gòu)造措施，包括要求混凝土抗?jié)B等級(jí)為P10、摻加具有抗裂、防水、防腐、防銹蝕性的復(fù)合型混凝土外加劑，提高混凝土的密實(shí)性，降低混凝土碳化作用和對(duì)鋼筋的銹蝕能力；提高混凝土抗裂和耐久性能，保證結(jié)構(gòu)的自防水和防腐性能。

3結(jié)語(yǔ)

地下污水處理廠(chǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較傳統(tǒng)地面式水池結(jié)構(gòu)具有投資大、埋深較大、受力復(fù)雜、地下水位埋藏淺箱體水浮力大及防水防腐設(shè)計(jì)要求高等特點(diǎn)；因此，在進(jìn)行地下箱體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中需要與建筑、工藝、電氣等專(zhuān)業(yè)加強(qiáng)溝通、統(tǒng)籌協(xié)調(diào)。本工程建成后、運(yùn)行近1a，未出現(xiàn)箱體結(jié)構(gòu)開(kāi)裂、滲水現(xiàn)象結(jié)構(gòu)安全可靠。

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