复杂条件下的特大型清水池设计

王水华

(中国市政工程西南设计研究总院，四川成都610081)

1 工程背景及概况

目前，成都市自来水厂总全部的饮用水处理能力为160×104m3/d。而在2011年夏季用水高峰时段，需水总量已经超过了饮用水的处理能力，全靠分布于各水厂内的清水池调节，才勉强度过了难关。从近几年成都的需水量增长情况分析，如果不及时采取工程措施增加供水能力，在2012年夏季用水高峰时段，必然会出现停水或水压不足的情况。虽然相关部门已经着手进行成都第七水厂的建设，但远水解不了近渴，预计2013年底才能投入使用的这个水厂，肯定无法解决成都2012年、2013年夏季可能出现的用水荒。

凤凰山加压泵站就是在这种背景下提出来的，工程的核心内容就是要建一座蓄水量达10×104m3的清水池和相关的加压泵房等。这样，就可以通过该清水池在夜间用水低谷时蓄水，在白天用水高峰往外送水来调节自来水供需矛盾。

这样大容积的清水池是极其少见的，也是我院到目前为止设计容量最大的清水池。

2 主体结构设计的特点和优点

2.1 结构形式

清水池一般可按顶板的支撑方式进行分类，最常见的就是导流墙承重体系和无梁楼盖体系。但凤凰山泵站清水池并没有采用这两种形式，而是采用了梁板体系，导流墙用砖砌筑但不承重。

清水池模板简图如图1所示。

图1 凤凰山清水池模板简图

2.2 设计的特点和优点

2.2.1 地震作用传力途径明确，安全可靠

清水池纵向由4条变形缝分为5个独立的结构单元。每条变形缝两侧的中间三跨导流墙采用钢筋混凝土墙体(其余的导流墙均为砖砌体)。这样，在每个独立结构单元的四周，都分布有钢筋混凝土墙(剪力墙)。发生地震时，这些墙可有效的抵抗地震产生的水平力，保证了清水池的整体抗震安全。

清水池除了要满足整体抗震安全要求外，还需要验算地震时壁板及导流墙在动水压力作用下的安全性。在汶川“5·12”地震中，就出现过砖砌导流墙承重体系的清水池因导流墙局部垮塌导致顶板向下塌陷的情况。凤凰山清水池设计时笔者对其导流墙抗震作了细致深入的考虑。作用于砖砌导流墙上的地震动水压力，先传到水平圈梁，再由水平圈梁传递给钢筋混凝土立柱，传力途径明确、可靠。最为关键的是，在进行水平圈梁和钢筋混凝土立柱的强度验算时，采用了不同的安全标准。水平圈梁严格按规范规定的地震烈度、分项系数进行配筋，不作任何调整。而在立柱的强度验算时，则对其抗力进行了20%的提高。这样，在遭受不高于设防烈度的地震时，砖砌导流墙不会破坏;在遭受罕遇地震时，砖砌导流墙会先于立柱破坏，使立柱受力大为减小，从而避免了立柱破坏引起的池顶盖坍塌。

2.2.2 池深大，占地少，空间利用率高

凤凰山加压站建设场地位于凤凰山西南侧，可用面积较小(因待征地中一块面积不小的军事用地要在几年后才能完成搬迁)，且为不容易利用的三角形坡地，构(建)筑物的布置难度极大。

一般的清水池，池深基本在5.00 m以内，而凤凰山清水池的深度则达到了8.55 m，这也是我院目前为止所设计的最深的清水池。这样的设计，使得清水池的占地面积大为减小。

设计任务书中，业主要求在站区内设一栋面积不小于800 m3的仓库。事实上，即便采取了8.55 m深的清水池方案，场地也只能勉强布置下所有必须的生产性构(建)筑物而已，要再摆放下一座800 m3的仓库根本就不可能。当时也考虑过其它方案，比如仓库按两层设计或分成两个小仓库摆放在场地内剩下的边角空地处。但这些方案都因为不方便使用而被否定。

最后，又只能再次在清水池上打主意。两格清水池之间，原本就有净宽4.00 m的管廊(管道是埋地的)，适当加宽后，就可以成为一个良好的仓储空间。经过核算，将管廊的净宽增加到了5.80 m，并加设了顶盖和吊车，形成了一座净面积达950 m3的仓库，满足了业主的要求。

利用清水池管廊作为仓库，也是凤凰山清水池有别于其它清水池的一大特点。当然，这样的做法，也给清水池的设计增加了不少的难度。

2.2.3 节省投资，便于施工

如果凤凰山清水池采用四川地区常用的导流墙承重体系，就必须采用钢筋混凝土导流墙。这是因为8.55 m高的承重导流墙，如果采用砖砌体，根本无法保证其在地震动水压力作用下的安全。而采用钢筋混凝土导流墙，必然会增加不少的投资，还会使清水池施工时间增加。

虽然采用无梁楼盖体系在技术上是没有问题的，但由于无梁楼盖体系的柱帽在施工时支模非常麻烦，施工周期较长，显然是不适合在工期如此紧张的本工程中采用的。并且，多年以来，四川地区新建的清水池，特别是大型清水池，极少采用无梁楼盖体系，相关的施工经验也较为缺乏。而我院在凤凰山清水池所采用的结构体系，只有最为普通的梁、板、墙、柱等结构构件，没有任何施工难度，有利于缩短工期。

3 复杂的地质条件及地基处理

3.1 地质、水文条件

根据地质勘查报告，地层从上到下可分为:

(1)人工填土层:

①杂填土，主要为建渣、砖瓦块、砂卵石及少量黏性土等组成，结构杂乱，分布不连续。

②素填土，主要由黏性土组成，混少量砖、瓦碎屑等，分布不连续。

(2)黏土层:

硬塑为主，局部可塑，全场地分布。属膨胀土，膨胀潜势为弱～中，地基的胀缩等级为Ⅱ级。

(3)泥岩层:

①全风化泥岩:岩体结构已全部破坏，呈土状，硬塑为主。

②强风化泥岩:岩体结构已大部分破坏，构造层理不清晰。岩体较完整。

③中风化泥岩:岩体结构基本未破坏。岩体基本完整，不易击碎。

富存于人工填土中的上层滞水，水量较大，水位不稳定，埋深最浅处距地面仅0.50 m。

3.2 地基处理

如果单从土层情况来看，黏土层和泥岩层都是很好的持力层，似乎没有什么问题。但是，由于场地限制，清水池的长度方向是顺坡方向布置的，而各土层的分布，也是基本沿顺坡方向变化的，这样就使得清水池的底板横跨了中风化泥岩、强风化泥岩、全风化泥岩、黏土层(膨胀土)和素填土层，地基极不均匀。

虽然，清水池荷载不大，但它对沉降很敏感。地基不均匀，就容易产生沉降差。沉降差过大时，正常运行就会受到影响。

针对地基不均匀且有膨胀土和场地上层滞水水量大的特点，设计采用了换填三合土垫层的方法进行处理。三合土体积配合比为灰 ∶土 ∶碎石=2∶5∶3。垫层厚度为500 mm，局部素填土则全部清除后进行换填。通过这样的处理，在泥岩地基上形成了一个褥垫层，而在黏土地基上则形成了一个硬壳层，改善了地基的均匀性。为什么不采用当地最常用的砂卵石作为换填材料，而要采用三合土呢?这是因为砂卵石渗透性强，上层滞水很容易通过它渗透到底板下，对底板的局部抗浮产生不利影响，同时也会使膨胀性黏土的含水率经常变化而产生胀缩变形。三合土材料则不会产生这样的问题。同时因为石灰对膨胀土有改性作用，可以直接采用场地内的膨胀性黏土作为配合土料，有利于节省投资。

3.3 上层滞水的处理

场地人工填土层中，富存有大量的上层滞水。由此可以推断，在清水池建成后，其基坑的回填土中，也必将会有大量滞水存在。如果不及时将这些滞水排出，就会形成水压，对清水池池壁产生极为不利的影响。为此，设计在清水池周边设置了一圈盲沟，并用管道将盲沟与低处的排水系统相连。这样，渗入填土层中的地表水就可以通过盲沟进入排水系统，而不会滞留在基坑填土中，更不会形成水压力对池壁造成影响。其排水盲沟的做法如图2所示。

图2 排水盲沟做法

4 结束语

现在，凤凰山加压泵站正在加紧进行建设，工程进展非常顺利。相信通过参建各方的共同努力，在2012年夏季的用水高峰期来临之际，这座特大型的清水池一定会顺利完工并发挥其重要作用，让成都市民免受缺水之苦。