全地下污水处理厂抗浮设计要点分析

龚玉锋

(深圳市广汇源环境水务有限公司，广东 深圳 518001)

坝光污水处理厂作为深圳市坝光生物谷片区唯一的污水处理设施，是该片区环境保护和环境提升的重要举措之一。污水处理设计采用MBR(Membrane Bio-Reactor)膜处理工艺，总处理规模为6.0万m3/d，其出水水质需达到地Ⅳ类标准。坝光污水处理厂工艺流程见图1。

图1 坝光污水处理厂工艺流程

根据工艺布置，项目采用全地下式，上部整体覆土作为市政公园。现状地面高程在4.0～5.0m(56黄海高程，下同)，后期地面回填至6.5m，以满足公园景观及休闲等公共设施的需要。公园总用地面积9.4km2，污水处理厂顶板顶标高为5.0m，覆土厚度为1.5m，绿化荷载为3.5kN/m2。

初步设计时，考虑最不利工况提出需要设置抗浮锚杆，仅生化池就需要锚杆980余根，锚杆长度共计约10200m。此外，膜池、紫外线池和脱水间等均设置了数量不等，长短不一的抗浮锚杆。

本文根据坝光污水处理厂的工程特点，针对抗浮设计进行了较为全面的考虑，分析了各种影响因素，并提出了合理的考量和建议，为精细化考虑抗浮稳定性，实施安全且经济的抗浮工程措施提供了重要的思路和借鉴。

1 工程地质及水文地质

工程区域位于大鹏半岛东北部，属亚热带海洋性季风气候。场地水系不发育，地下水与北侧海域存在紧密的水力联系，连通性较好。

场地浅层松散岩类孔隙水赋存于填土层和砂层内，主要接受大气降水的垂直渗入和地下水的侧向补给，排泄方式为蒸发和地下径流。勘探期间，地下水埋深为0.6～1.5m，位于素填土层中，孔隙水水位略高于海水水位。根据水文资料分析，本区域地下水位年变化幅度为0.5～2.0m。

2 水池抗浮设计

本工程中生化池、膜池、紫外线池和脱水间等均采用地下式布置，实际工程中，常常由于抗浮稳定性不足而出现地下结构上浮、开裂、倾斜或漂移等现象，影响其正常使用，增加后期处理及维修费用。因此，必须重视结构的抗浮稳定问题。

针对坝光污水处理厂结构设计，本文对生化池整体及局部抗浮性进行了分析计算。根据相关建筑地基基础设计规范，结构整体抗浮稳定性按下式验算：

Gk/Nw，k≥Kw

(1)

式中Gk——建筑物自重及压重之和，kN；

Nw，k——浮力作用值，kN；

Kw——抗浮稳定安全系数，一般情况下可取1.05。

当中间柱或隔墙，除应满足整体抗浮稳定性之外，还应计算柱或隔墙局部区域的抗浮稳定性。局部抗浮验算公式为：

Gn/Nn≥Kw

(2)

式中Gn——局部受荷区域的自重及压重之和，kN；

Nn——局部受荷区域的浮力作用值，kN。

按地面标高6.5m、地下水位埋深0.5m考虑，由以上公式初步计算，底板顶标高为-9.7m，初步复核水池抗浮稳定性不满足规范要求。根据场地无排水、减压等工程措施减小水池浮力的情况，提出了在水池底板下设置锚杆的抗浮措施，抗浮锚杆平面布置见图2。

图2 生化池抗浮锚杆平面布置

生化池共布置抗浮锚杆980余根，不同区域内的锚杆长度分别为8.0～15.0m，共计约10200m。单根锚杆竖向抗拔力特征值取225kN，锚杆采用直径40mm的HRB400普通热压螺纹筋。

3 水池抗浮设计要点的考虑

3.1 抗浮不满足要求的解决途径

坝光污水处理厂生化池平面尺寸为55.10m×55.60m(长×宽)，顶板上覆土厚度1.0m，结构自重约341000kN，地下水位为4.5m时总浮力471000kN，其抗浮稳定系数仅为0.72。

根据抗浮稳定系数计算公式可知，为增加水池的抗浮稳定性，可采用以下两种方式：ⓐ增加建筑物自重及压重，即增加水池抗浮能力；ⓑ减小浮力作用值。针对工程特点和水池结构设计，地下水浮力按照阿基米德原理计算，仅与结构的体积有关。限于场地布置和临海的工程特点，减小水池的埋置深度，人工降低地下水位，则后期运行维护费用高，可靠性和有效性差，或与周边规划存在冲突。故实际设计中，通过增加结构的抗浮力来解决抗浮稳定的问题。

a.控制内外水位差。保证池内水位不低于-4.0m(低于水池排水口底高程)，水池内水重约154000kN，则抗浮稳定系数可满足规范规定。

b.增加配重或抗拔力。在进行水池抗浮设计时，应根据水池自身的特点、场地条件、抗浮水位等因素合理确定抗浮计算的设计工况，从而合理优化抗浮设计，过度保守或者偏于不安全都是不可取的。

例如上文对于池内水重的考虑，虽然《水质净化运行手册》中规定水厂运行水位不得低于-4.0m，但在检修或者事故工况，存在排空水池内所有水体的可能，故抗浮计算中原则上不得考虑水池内水重。

因此对于本工程应采用压载抗浮、降排截水、抗浮锚杆、抗拔桩等工程措施来增加结构的抗浮性能，从而满足规范的要求。

3.2 合理确定设计水位

抗浮设计对于地下水池的安全运行非常重要，其稳定性验算属承载能力极限状态验算。应合理确定其设计水位，选定最不利工况。原抗浮计算中地下水位按6.0m考虑，依据的是建成后厂区地面高程为6.5m，地勘报告建议抗浮设计水位取地面标高以下0.5m。

厂区的地面标高是由绿地公园建设形成的，有局部微地形。厂区现状地面及周边规划道路高程为5.0m左右，外侧数百米即为大海，地下水基本与之连通。因此，在厂区周边地形地貌条件下，不可能形成6.0m的稳定水位。因此抗浮稳定计算时，可结合当地的地形地貌、水文地质条件综合分析，参考外海最高设计水位(百年一遇高潮位2.91m)加一定的安全裕度确定水位，最高不超过4.5m。

考虑到绿地公园建设需要，污水厂顶板以上覆土一般采用渗透性较好的耕植土或绿化土，不会按照工程要求进行压实防渗处理，而且不排除大暴雨时形成局部高地下水位，最终的抗浮仍按常水位设计，按地面以下50cm的最高水位进行校核。

3.3 抗浮计算工况

彭美珍[1]介绍了污水处理厂二沉池抗浮设计考虑控制水位的案例。对于本工程，抗浮计算工况包括施工期、正常运行期和特殊检修期。正常运行工况是长期工况，需综合考虑最不利的水位条件。而施工期和特殊检修期的抗浮可以通过非工程措施来解决(例如通过抽排确保基坑内积水深度不大于某一深度、临时在构筑物内部堆积重物或积水以增加抗浮)。各种工况的控制水位如下：

a.施工工况(临时工况)：可不考虑抗浮作用，要求基坑内积水明排，水池周边未回填前，积水深度小于4m。或者设置后浇墙，允许超过积水深度的水进入水池。

b.完工工况1(正常运行极限状态)：地下水设计常水位+池内设计低水位。

c.完工工况2(承载能力极限状态)：特殊检修条件：设计最高地下水位+池内无水。

3.4 池壁侧向摩擦力的考虑

对于埋深和平面尺寸不大的构筑物，不考虑周边土体的抗浮作用，而仅将其作为安全裕度考虑是合适的。但对于坝光污水处理厂生化池，埋深在13.0～17.0m，平面尺寸为55.1m×56.2m，不考虑土的侧向摩阻力是不合理的。对于侧向摩阻力作用，可保守考虑为主动土压力，不考虑回填土固结引起的对抗浮有利的负摩阻力。

根据地勘报告给出的各岩土层物理力学性质试验成果统计表，取回填土有效摩擦角为15°,摩阻力系数为0.35，计算得总摩阻力为154000kN。在考虑土侧向摩阻力的条件下，无须其他附加抗浮工程措施，均可满足最不利完工工况:正常运行期Kw大于1.25；特殊检修期Kw大于1.05。

3.5 抗拔锚杆取值

本工程还从安全角度出发，完全不考虑侧向土压力的摩阻效应，对抗浮锚杆进行设计。需要说明的是，采用抗浮结构如抗拔桩、抗浮锚杆等，其抗拔力随着桩或锚杆的变形而变化，直至达到极限大值。但不允许对结构基础产生过大的位移量。

本工程采用有限元进行计算分析，单根抗浮锚杆达到设计抗拔承载力特征值225kN时，结构变形仅为0.23mm，满足水池底板位移控制要求。

3.6 浮力计算

一般按静水压力计算浮力，但规范条文说明中指出，对于基底有一定厚度的弱透水性地层，可根据渗流计算浮力，或根据当地经验，对水压力进行适当折减。对于本工程基底主要位于风化泥岩—强风化粉砂岩。根据地勘报告：粉质黏土为弱透水性，残积土为微透水性，全—微风化岩为弱透水性。

实际上作用在底板上的浮力仅仅是孔隙水压力，在孔隙水压力之外是土颗粒的有效应力，浮力及抗浮力计算简图见图3。土体孔隙率在全风化泥质粉砂岩中为0.6～0.9，即水压力(浮力)作用的应该只是土体孔隙中与底板不接触的部分。

图3 浮力及抗浮力计算简图

由于本工程未进行渗流计算，也无当地工程经验，故提出不考虑折减，仅作为安全裕度考虑。

3.7 其他

郭晓品等[2]、刘中吉等[3]提到利用底板外挑，通过墙趾以上部分的覆土重增加抗浮力，这也是抗浮设计常用的方法之一。但此方法限于周边建筑及外挑长度，一般增加的幅度不大，且对局部抗浮基本不起作用。可结合基坑支护设计，适当调整结构设计，充分发挥现有工程作用。

a.本工程基坑北侧为桩锚支护，可将墙趾外挑至桩锚侧，见图4，从而利用桩锚支护的抗浮作用进一步优化抗浮锚杆或提高抗浮安全裕度。

图4 墙趾外挑示意 (单位：mm)

b.在结构平面对角位置分别设置2.0m的永久水位观测圆形井，在需要完全放空池内水的情况下，可采用一定的降水措施确保在不考虑土体摩阻力抗浮作用的情况下，保证结构的整体抗浮。

c.与桩锚侧的回填，材料选用6%的水泥石粉渣，可采用小型机械碾压，进一步增加墙侧摩阻力，提高抗浮稳定系数。其他具备碾压施工条件的，可按一般回填土压实要求，压实系数不小于92%。

4 结 语

a.在进行水池抗浮设计时，应根据水池自身的特点、场地条件、抗浮水位等因素合理确定抗浮计算的边界条件，从而合理优化抗浮设计，避免不必要的浪费或过度设计。

b.本文通过分析增加抗浮稳定性的多种方式，提出了合理考虑影响水池结构整体抗浮稳定的因素。对工程采用的抗浮锚杆设计进行了优化。

c.从结构设计的角度，提出了增加趾板挑宽、利用基坑支护结构、设置永久水位观测井等非结构性措施来保障水池的抗浮稳定性，增加安全裕度。

以上各种措施，均应用到实际设计，降低了工程造价，缩短了工期，提升了工程效益。本工程的膜池、紫外线池和脱水间等均采用以上方法进行了合理优化，也可为其他类似工程的抗浮设计提供思路。