大型地下调蓄池结构设计

杨 兵

(南京市市政设计研究院有限责任公司，江苏 南京 210049)

1 概述

大型地下调蓄池结构属于特种结构的范畴。随着国家水环境治理事业的不断发展以及工艺设计水平的不断提高，各种大型地下调蓄池结构在水环境治理工程中被大量使用，大型地下调蓄池也越来越多地出现在水环境治理工程中，且都呈现出大型化的趋势。

2 工程实例

2.1 工程简介

长春市伊通河是松花江的二级支流，是长春的母亲河，伊通河水质整体处于劣Ⅴ类状态。吉林省伊通河北段综合治理项目中，项目治理的目标是使伊通河北段水质达到地表Ⅴ类水标准。根据工艺专业计算伊通河北段水环境容量能够消纳5万m3以内的初期雨水溢流量。因此应建设一座初期雨水调蓄池，有效容积6万m3，降雨时收集溢流合流雨、污水，降雨停止时将调蓄池的污水打入附近的污水处理厂进行处理。

调蓄池全长140 m，宽62 m，深15.8 m～18.9 m，为全地下式钢筋混凝土水池，采用自重加抗浮锚杆进行抗浮设计。横向两道伸缩缝，三道膨胀加强带；纵向设置两道膨胀加强带。调蓄池内部设冲洗廊道、真空系统、通风系统，在池顶端设有过配电间、通风口及楼梯间。

2.2 基础处理及抗浮措施

本工程调蓄池为全地下式，水池构筑物对地基的附加荷载基本为0，天然地基能够满足结构荷载对地基承载力及变形的要求。调蓄池及粗格栅井基础持力层为④层全风化泥岩，地基承载力为280 kPa。根据地质报告，建设场地内地下水属于孔隙潜水～基岩裂隙水类型，略具承压性，主要受大气降水渗入及周边河流侧向补给，调蓄池工程抗浮水位暂定为设计地面以下1.5 m。

本次设计的调蓄池基坑最大开挖深度为18.9 m，开挖深度较大，整个池体为巨大的封闭箱形结构，顶板上部的覆土重量及结构整体自重不能满足抗浮要求，需要进行结构抗浮设计。结构抗浮设计方案一般有结构自重抗浮、配重抗浮、锚杆(或基桩)抗浮等。抗浮设计时，应综合考虑地下水位、结构特征、地形地貌、地质土层情况、施工能力等因素，经技术、经济比选后，最终确定抗浮措施。本工程为岩质地基，锚杆方案具有工艺成熟，投资低廉、施工快速等优点，是岩质地基理想的抗浮措施，因此本工程采用锚杆抗浮设计。

锚杆的横断面图和限位器大样图如图1，图2所示。

锚杆设计要点如下：

1)锚杆成孔直径200，锚杆长度为6 m。锚固体采用M30水泥浆(水灰比为0.4)，锚孔初次注浆压力为0.8 MPa，二次注浆采用水灰比0.5的纯水泥浆，注浆压力为2 MPa～3 MPa，二次注浆在一次注浆体初凝后进行。

2)锚杆上下端应设置限位钢筋，确保锚杆位于锚杆孔的中心位置。为确保施工质量，在锚杆施工前，应进行注浆密实检验。

3)锚杆施工前应进行试杆，以确定锚杆施工工艺及可行性。并做单根锚杆竖向抗拔静载试验以确定单根锚杆抗拔承载力特征值，试杆数量不应少于3根。本工程的锚杆为永久性抗拔锚杆，锚杆的抗拔承载力特征值为300 kN[1]。

2.3 水池结构设计

2.3.1调蓄池结构方案比选

本工程地下调蓄池结构平面尺寸约140 m×62 m，深15.8 m～18.9 m。平面尺寸超长，深度很深。在满足结构受力的基础上，此类结构的主要难点还在于如何避免超长现浇钢筋混凝土结构由混凝土水化热和温度应力带来的裂缝[1]。

结合各专业要求及本工程实际情况，可供采用的结构设计方案主要有：利用支护地下连续墙或排桩兼做主体结构方案、设缝分块整体现浇钢筋混凝土框架结构体系、预应力结构现浇钢筋混凝土框架结构体系、不设缝整体现浇钢筋混凝土框架结构体系这四种结构设计方案。各设计方案优缺点分述如下：

1)地下连续墙支护结构和调蓄池壁板结构合二为一设计方案。

本方案利用地下连续墙支护结构作为地下调蓄池的池壁，将支护结构和池体结构合二为一，造价较省，但受力体系不明确，缺乏实际工程经验。

2)设缝分块整体现浇钢筋混凝土框架结构设计方案。

按《给水排水工程构筑物设计规范》第6.2.1条及《混凝土结构设计规范》第8.1.1条，现浇地下池体侧墙伸缩缝最大间距30 m，同时规范也指出当混凝土中添加外加剂或者池体设置后浇带时，伸缩缝的间距可以根据经验确定，适当增大[2]。

结合本工程实际，沿纵向设置两道伸缩缝，沿横向设置一道伸缩缝，均设橡胶止水带止水，池体分割为六块。为满足受力要求，设缝部位两侧设置边框架。此方案较大程度的满足了规范对地下池体侧墙伸缩缝间距的要求，但牺牲了地下池体的结构整体性。地下调蓄池设缝后，结构整体受力不佳，且伸缩缝处容易渗漏，不易维修，对调蓄池的长期运行不利。

3)预应力水池结构设计方案。

预应力水池结构是解决超长水池结构裂缝问题最常见也是最有效的方法之一。在控制超长地下室侧墙及顶、底板的工程中也早有应用。按《混凝土结构设计规范》第8.1.3条“采用专门的预加应力措施”时，伸缩缝间距可适当增大。根据国内外实际工程经验，在采取合理分布预应力筋，减小预应力损失等结构措施的前提下，预应力结构方案可满足本工程平面尺寸超长的不设缝要求。但预应力结构方案相对普通钢筋混凝土结构方案造价较高，施工难度大，并因预应力筋的布置，对结构开孔穿管道限制多，部分节点较难处理。

4)不设缝整体现浇钢筋混凝土框架结构体系。

本方案为整个地下调蓄池不设变形缝。

混凝土裂缝从大的方面可分为受力裂缝和变形裂缝两种，受力裂缝可通过结构计算控制，变形裂缝往往是工程中混凝土结构裂缝控制的难点。温度变形和收缩变形是引起混凝土变形裂缝的主要原因，混凝土的收缩包括塑性收缩、干燥收缩、碳化收缩[3]。本工程调蓄池为完全地下结构，结构顶部及侧壁都被土壤包围，形成了天然的保温层，调蓄池在使用期间受到温度和湿度的影响很小。本调蓄池地基持力层为⑤层强风化泥岩，地基土质很好，调蓄池沉降小，因此本工程最关键的就是要控制混凝土变形裂缝，要控制温度变形和收缩变形，主要就是控制混凝土的温度，以及控制混凝土自身的干缩。

本方案拟沿纵向设置两道后浇带和三道膨胀加强带，沿横向设置两道膨胀加强带，以尽量减小温度变化对结构的影响。不设缝整体现浇水池结构体系结构整体性好，刚度分布均匀，结构受力好，抗不均匀沉降能力较强，对工艺布置的限制能最大程度的减小。但同时水池为超长无缝结构，为控制超长及大面积混凝土的裂缝，施工中应切实加强养护及合理选用材料以减少混凝土的收缩。在材料的选用上应优选水化热低收缩率低和抗裂性高的矿渣硅酸盐水泥。为减少混凝土的收缩，提高抗渗掺入膨胀纤维抗裂防水剂(限制膨胀率：水中7 d≥0.03%)，后浇带的掺量建议值为胶凝材料的8%，其余部分建议值为6%，并须经试验确定[4]。

以上各方案优缺点列表比选如表1所示。

表1 调蓄池结构设计方案综合比选

综合比较以上四个方案的优缺点，方案四无论是结构受力合理性，还是造价控制及施工难度上均有优势，但应结合相关工程经验，在设计施工过程中应对后浇带、加强带、混凝土配合比、防渗抗裂外加剂的选择还有对施工混凝土的浇筑及养护均应严格要求。

2.3.2地下调蓄池结构推荐方案

本工程地下调蓄池推荐方案为不设缝整体现浇钢筋混凝土框架结构体系。

纵横向分别设置24榀、11榀框架抗侧力结构(包括地下室侧墙)，结合工艺平面布置，于池体顶面处设置框架梁减小框架壁柱计算长度。纵向于第8、第16跨设置后浇带，第4跨、第12跨、第20跨设置膨胀加强带；横向于第4跨、第9跨设置膨胀加强带，后浇带均根据一次混凝土现浇段长度、结构荷载及施工方便合理布置。其结构平面布置如图3所示。实际现场完成图如图4所示。

壁板水平框架壁柱采用尺寸1 500 mm×2 500 mm，框架梁根据跨度不同分别采用500 mm×1 200 mm。顶板考虑结构受力及防水要求，适当加强，设计厚度为500 mm厚；壁板根据受力及混凝土自防水要求参考相关工程经验，设计厚度1 000 mm；底板根据受力计算，设计厚度为1 200 mm。

地下调蓄池计算采用计算软件为理正结构工具箱中平面刚桁架模块。顶板、壁板、底板等构件分别按跨度按双向板、单向板计算。

2.4 设计中应注意的重点问题

1)地下调蓄池结构防水方案。由于本工程的部分埋深已超过10 m，所以防水混凝土的设计防渗等级S8(P8)，地下调蓄池内侧迎水面结合防腐做法设置柔性防水层(防水卷材)。

2)调蓄池的防腐要求：存储污水水池迎水面需涂刷防腐涂料，可采用2 mm厚PMC-421聚合物水泥防水灰浆，1.5 mm乙烯基酯防腐防水涂料。

3)调蓄池基坑设计：本工程开挖深度达到18 m属于深基坑工程，因此基坑工程设计非常重要。在调蓄池基坑设计中，常用的基坑支护设计方案主要有拉森桩、水泥土重力式围护墙、型钢水泥土搅拌桩、排桩围护体、地下连续墙等形式，结合本工程地质情况，设计采用桩锚支护方式。

4)超长水池混凝土养护：混凝土浇筑完成后应进行覆盖，派专人养护。对混凝土壁板，必须采用塑料薄膜或麻袋(草包)覆盖，构件上方设水管进行喷淋养护(或用其他有效养护措施)，拆模时间不早于5 d(冬季时不早于7 d)，浇水养护不少于14 d，使混凝土始终处于湿润状态。在池外壁回填土前仍应采取适当的养护措施，以防混凝土开裂渗水。

3 结语

随着国家水环境治理事业的不断发展以及工艺设计水平的不断提高，各种大型地下调蓄池结构在水环境治理工程中被大量使用。本文通过工程实例，对大型地下调蓄池结构设计方案的优劣比选和对设计及施工中应注意的重点问题进行了充分的阐述。目前本工程已经通水运行，工程质量优良。本文可以为其他类似工程提供参考。