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第23011卷4年第4月2期特种结构Vo1．31No．2Apr．2014某全地下式污水处理厂结构设计的关键技术及相关问题万玉生叶雅丽王长祥史卿(中国市政工程华北设计研究总院天津300074)fNoAhChinaMunicipalEngineeringDesign&ResearchInstitute，Tianjin300074，China)【摘要】全地下式污水处理厂具有很好的应用前景，本文简要介绍了青岛某全地下式污水处理厂结构设计的实例，对全地下式污水处理厂的埋置深度、基坑支护设计、防水设计、防腐蚀设计、内力计算及其结构优化设计方案进行了介绍，可为其它类似结构设计提供借鉴。[关键词】全地下式污水处理厂基坑支护抗浮设计防腐蚀设计ABSTRACT：Thewholeundergroundwasterwatertreatmentplanthasagoodprospectofapplication，civilengineeringdesignoftheundergroundwasterwatertreatmentplantinQingdaowasbrieflyintroducedinthispaper,includingthedepthoftheundergroundwasterwatertreatmentplant(wWTP)．foundationpitdesign．waterproofdesign，anticorrosiondesign，internalforcecalculationandtheoptimaldesignscheme．Itishopedthattherelatedcontentcanprovidereferencefo，civilengineeringdesignfosimilarproject．KEYWORDS：WholeundergroundwasterwatertreatmentplantFoundationpitAntifloatingdesignDesignofcorrosionprevention1工程概况处理厂总投资比例50％以上，较地上式污水处全地下式污水处理厂因具有环境污染小、噪理厂高，对结构设计方案进行优化以节约土建部音污染小、节省土地资源等优点，在我国具有很分投资是结构设计的重要工作。工程造价的影响好的应用前景。因素较多，其中污水处理厂埋置深度是重要因素青岛某污之一。在本工程设计中，通过对工程造价影响因：F-水处理厂1期工素进行分析，建立关于埋置深度的工程造价非线H：J盎=：，J。=毒一程采用全地下式性目标方程，解析目标方程，选取相对经济的埋钢筋混凝土结置深度，结合工艺等专业的设计方案，确定池深、IC-捶藏10_)构，设计规模长宽比等设计参数。图2为类似工程造价目标方为180000m／d，程解析解图形结果。根据解析结果，当埋置深度场区位于青岛为12．7m～13．2m时，主体土建投资约2．70～2．75j兀高新区，占地面亿元，当埋深增加或减小时，主体土建投资会相202O0积约63500m，应增加。图3为经深度优化设计后的典型剖面。图1全地下式污水处理厂平面布置采用组团式平面青岛污水项目池体深度与工程造价目标方程Fig．1Planthyoutofwhole(Xlo7)解析解undergroundⅥm布局，平面布3231置紧凑，地下负2层平面布置如图1所示。其3O2g主体结构一地下箱体采用钢筋砼整体基础，平2827面占地面积为200m×208m，主体结构设计高度262514．7m，顶部设计覆土深度1．5m，设计覆土顶部=_一==譬=======L二=罱高程4．5m，基底埋置深度16．2m，预估基底附加池体总深度(单位：m)平均压力120～150kPdm。现状地面平均高程图2埋置深度非线性优化Fig．2Nonlinearoptimizationofembed．mentdepth基坑深度约13．0m，基底标高约一10．9m。2埋置深度解析3基坑支护设计地下式污水处理厂工程土建部分造价占污水全地下式污水处理厂埋深较大，工程深基坑-——34-——\nNo．22014万玉生等：某全地下式污水处理厂结构设计的关键技术及相关问题支护技术方案及主体结构设计技术方案与一般如：池体内部结构与地连墙的连接方法、池体闭地上式污水处理厂工程存在较大不同。深基坑水试验方法等。污水厂的施工工序较多，施工周支护的选型、止水帷幕的选择、锚杆及锚索的期较长，基坑支护采取内支撑势必给施工带来较应用与主体结构的整体计算方法、结构布置形大影响。因此，本工程优先选择了上述第5种方式、经济选型设计等值得深入研究。结合本污案的基坑支护形式。水处理厂1期工程的工程地质及其特殊的沿海3．2止水帷幕技术方案吹填淤泥造陆地质特点，本工程基坑支护设计常用止水措施主要有水泥搅拌桩止水帷幕关键节点较多，要完成以下结构设计：(1)深基和高压喷射注浆止水帷幕、三轴水泥搅拌桩止水坑支护桩设计；(2)止水帷幕设计；(3)表层流帷幕等多种，本工程设计主要进行各种止水帷幕塑性淤泥的处理方案设计；(4)预应力抗拉锚索的实用性研究，研究内容参照表1。设计等。分述如下。表1止水方案比选表Tab．1ComparisonofAnti-waterCurtain序号止水类型适用条件及特点水泥搅拌桩止适用于淤泥、含淤泥质粘土、粉质粘土、1水帷幕素填土、粘性土以及无流动地下水的饱和松散砂土等。施工简便，造价经济。2高压喷射注浆适用于淤泥、含淤泥质粘土、粉质粘土、止水帷幕砂土、砾砂和人工填土等，造价较高。图3埋置深度优化后典型结构剖面示意3三轴水泥搅拌适用于淤泥、含淤泥质粘土、粉质粘土、Fig．3Typicalsectionofoptimizationofembedmentdepth桩止水帷幕砂土、砾砂和人工填土等，造价适中。3．1深基坑支护技术方案三轴水泥搅拌桩止水帷幕整体性能较好，价本污水处理厂采用全地下式方案，基坑开挖格适中，适用较普遍，适用于本工程地质情况，因深度约16．Om，适合的基坑的支护方案主要有桩此选取表1中第3项为本工程止水帷幕设计方案。锚支护、桩+内支撑、地下连续墙等。比选方3．3对表层流塑性淤泥的处理案主要有：在沿海地区常见如流塑性淤泥的表层填土，1．灌注桩+高压旋喷桩止水帷幕+锚杆喷在深基坑施工前需要采用一些处理措施，包括真射混凝土相结合的复合支护方案；空预压、放坡、板桩支护、抛石挤於等。2．灌注桩+水泥搅拌桩止水帷幕+锚杆喷3．4预应力抗拉锚索设计射混凝土相结合的复合支护方案；预应力抗拉锚索在深基坑支护中使用较为3．地下连续墙支护+预应力抗拉锚索支护；普遍，本工程由于工程地质复杂，需要重视在高4．地下连续墙+锚杆相结合并考虑连续墙水位、粉细砂土地基中进行锚索施工、扩大端及作为永久结构的复合支护方案；自由端、预应力锚索锚固体系等设计方案。5．钢筋混凝土钻孔灌注桩+三轴水泥搅拌本工程根据当地施工现场实践，采取抛石挤桩止水帷幕+预应力抗拉锚索支护；淤方法处理表层流塑性淤泥，采用灌注桩+高6．钢筋混凝土钻孔灌注桩+水泥土搅拌桩+压旋喷桩止水帷幕+锚杆喷射混凝土相结合的预应力抗拉锚索支护；复合支护方案，工程现场实践表明，设计方案简7．水泥土加筋锚挡墙支护。便、可靠，施工工艺成熟，施工较简便。地下连续墙支护方案宜把连续墙作为永久4主体结构设计结构的一部分，否则临时支护工程造价较高。地下连续墙方案止水性能较高，支护整体性能也较4．1抗浮设计高，但是目前国内把基坑支护与永久性池体结由于本工程基底下深度3～8m以下为强度较构合二为一还有很多技术性问题需要继续解决，高的基岩，因此，本工程可以采用抗浮锚杆和抗一35—\n特种结构2014年第2期拔桩两种以上抗浮设计方案。抗浮锚杆不同于一参数值进行计算而得到的设计值接近；普通锚杆般的基础桩，有其自身的独特性能。本工程设计(带扩大头)抗拔承载能力与较普通锚杆(无扩分阶段进行，并不断进行设计优化，通过工程现大头)抗拔承载能力提高22．5％。场多方案试验，经安全性、经济性、可实施性等结合抗腐蚀等技术比较、经济性比较，最多方面评价最终确定实施方案。终选用混凝土灌注桩抗浮设计方案，经现场实由于本工程的重要性以及地质条件的复杂施检验，设计方案合理可靠，可取得较好的经性，在施工前应在现场选取合适位置，大面积施济效果。工前应进行试验桩(锚杆)竖向承载力及竖向抗4．2空间整体内力分布研究拔承载力静载试验，以确定桩f锚杆)的极限承通过建立空间整体计算模型，采用有限单元载力等参数，为最终施工图设计优化提供依据。分析法对箱体结构f指污水处理厂沿基坑内侧一试验抗浮桩(锚杆)数量及布置在地质钻孑L周的钢筋混凝土池体结构)进行空间整体分析，70号、96号右侧分别布置3根普通砂浆锚杆、3充分利用计算机科学计算方法，克服简化计算模根普通砂浆锚杆(带扩大头)和3根抗浮桩，如型对某些工况下的整体内力及变形的分析误差。图4所示。试验桩(锚杆)顶标高为一l0．65，锚在进行空间整体计算分析的基础上，根据内杆长度6m，桩长6m。全部桩(锚杆)做抗拔极力包络图且在满足承载力极限状态和正常使用限承载力试验。极限状态的前提下进行结构2一》一一一变截面设计。普通中空注浆锚杆1与普通简化设通钢筋地质钻探—卜一·-普通钢筋锚杆锚杆孔位置(带扩大头)计方案相比，＼IⅡ、j、3、2上1、图5空间整体分析弯矩分布云图根据箱体内力72500T25002"30003o02500v~2500TFig．5Renderingspaceoverallan~lysis分布进行配筋反力桩反力桩^ofbendingmoment出姐bu廿on设计，较简化长旋钻孔压灌混凝土桩-设计方法经济合理。图5为本工程在外侧土水压力作用下弯矩内力分布云图。如图5所示，通过空间整体分析，可以根据图4试桩(锚杆)平面布置分析结果，了解箱体在外侧土压力作用下变形缝Fig．4Layoutoft~tpile(anchor)处的位移大小，并决定采取适当的变形协调措施。根据检测结果：长螺旋钻孔压灌混凝土桩抗4．3超长钢筋混凝土结构设计拔承载力取各试验桩的最大加载值为极限承载按规范规定，地下式现浇构筑物变形缝最力值，其平均值为618kN，单桩抗拔承载力的特大间距为30m。为了满足大型水处理构筑物的征值为310kN。普通锚杆(带扩大头)其平均值工艺要求，减少储水构筑物的渗漏隐患，需要尽为490kN，抗拔承载力特征值为245kN。普通锚量减少变形缝的数量；同时为了提高混凝土的防杆(无扩大头)其平均值为400kN，抗拔承载力渗抗裂性能，本工程进行了超长钢筋混凝土结构特征值为200kN。设计，在水池砼中掺加低含碱量砼外加剂，外加根据试桩结果，重新进行设计布桩及计算剂掺量按水泥用量的一定比例计量，并以试配确桩或锚杆的数量，根据综合单价进行综合经济分认后为准，取代同等量的水泥。本工程设计最终析。根据检测分析及设计重新调整方案结果：长选用复合型微膨胀混凝土外加剂，在混凝土工程螺旋钻孑L压灌混凝土桩抗拔承载能力与理论计施工前进行试块配制，经试验确认满足设计要求算值接近，并稍微偏高15％左右；普通锚杆抗后，才在此类大型全地下式污水处理厂工程中使拔承载能力与依据详堪资料所提供的土层设计用。通过设置适当数量的现浇加强带等超长设计一36一\nNo．22014万玉生等：某全地下式污水处理厂结构设计的关键技术及相关问题措施，永久性伸缩缝的数量减少50％以上。是为了提高混凝土密实性或对钢筋的阻锈能力，减少伸缩缝的数量，除采取相应的构造措施从而提高混凝土结构的耐久性。为减少水泥和混外，可按照有关文献中介绍的方法，通过在空间凝土中碱的含量，本工程采用低碱水泥，同时合整体计算模型中输入季节温差，计算季节温差引理使用粉煤灰、矿渣等矿物掺和料，提高混凝土起的混凝土中应力与变形，再计算由膨胀型混凝抗裂和耐久性能，以提高混凝土自防水、防腐蚀土外加剂产生的混凝土中应力，控制两者应力与性能。变形差在一定范围内。5结语4．4防水、防腐蚀设计全地下式污水处理厂结构与常规污水处理在工程设计中，常遇到地下水对钢筋砼结厂结构相比，具有埋深较大、受力复杂、投资较构具有腐蚀性，滨海工程的地下水腐蚀性更为严大等特点，在地下水位较高地区同时具有所受浮重。本工程根据勘察结果：场区赋存地下水，埋力较大、防腐防水设计要求较高的特点。青岛某深较浅，抗浮设计水位标高按3．1Om考虑。根据污水处理厂1期工程全地下式钢筋混凝土水池结试验结果按最不利组合综合判定：场地内的地下构的设计过程中，对其埋置深度、基坑支护设计、水对混凝土结构具中等腐蚀性，对钢筋混凝土结防水设计、防腐蚀设计、内力计算等等进行了全构中的钢筋在干湿交替情况下具强腐蚀性。面研究，施工图实施效果良好。此外，地下式污全地下式污水处理厂的防水防腐设计是结水处理厂工程由于自身特点，还有很多方面值得构设计的关键节点，污水处理厂运行阶段，临时研究并进行优化设计，例如：基坑支护失去支护功能，不具备二次开挖进行外1．结合工艺特点、埋置深度、覆土厚度合理侧防水防腐修复的可能性。因而在防腐防水设计地布置柱网，使柱间距为最佳柱距。合理地确定方案设计过程中，应严格执行现行《混凝土碱含结构断面，使其配筋率在经济配筋率范围内。量限制标准》(《CECS53》)、《混凝土外加剂应2．对施工阶段的填土、车辆布置等荷载进行用技术规范》(《GBJ50119—2003CECS53》)、《钢模拟分析，做到既经济又便于施工。筋阻锈剂应用技术规程》(《JGJ／T192—2009))、《工全地下式污水处理厂由于处于地下全封闭业建筑防腐蚀设计规范》(《GB50046—2008》)状态，对周围环境的影响较小，与周边环境协调的相关规定，提出设计要求。性强，抗震性能也较佳，符合资源节约、人与自本工程防腐防水设计要求达到一级防水标然和谐发展的科学发展观要求，在我国必将具有准，采取“防腐防水合二为一”的设计方案，外很好的发展前景。本工程设计实例对同类工程的侧防腐防水层可使用柔性的聚脲、乙烯基酯等防结构安全、经济设计具有借鉴意义。腐防水材料。对所选用的材料提出严格的检测指标要求，将外侧防腐防水层的延伸率作为重要性参考文献能指标，抵御混凝土收缩裂缝。对内侧防腐防水[1]汪传新，邱维．广州京溪地下污水处理厂建设实践与思考[J】_层性能指标除伸缩缝处以外，涂层延伸率不作要中国给水排水，2011，27(8)：10～13求，但要求涂层具有较高的刚度，以防被切割、[2】陈贻龙．地下式MBR工艺在广州京溪污水处理厂的应用fJ]．划痕破坏。对内外涂层都要求具有可靠的粘结强给水排水，2010，36(47)：51～54度，起到防水、防腐双重效果。[3]张显忠，赵国志．地下式污水处理厂构筑物布置方式探讨及工程实例[J】．城镇给排水水排水，2009，35(1I)：7～10本工程除了采取外防腐防水措施外，采取了[4]包太，朱可善，刘新荣．国内外城市地下污水处理厂概况浅加强混凝土自身的防腐和防水措施，包括添加防析[J】．地下空间，2003，2(33)：335-304腐剂、阻锈剂、粉煤灰等。本工程地下水含有硫[5]刘新荣，包太，朱可善．重庆市建造地下污水处理厂的可行酸盐、镁盐和氯化物，除了对水泥石有腐蚀作用性分析fJ1．重庆大学学报，2004，27(4)：103～106外，对钢筋的腐蚀也有影响，因此在腐蚀环境中【6]李相然．地下空间利用的经济问题探讨fJj．地下空的混凝土掺加复合型外加剂，外加剂的使用主要间，195，15(2)：118～123—37—