给排水构筑物抗浮设计及工程应用研究

黄建新

(江苏省如东县建筑工程安全监督站，江苏 如东 226400)

0 引 言

随着我国环保产业的发展，环境、市政等工程项目大量投建，其中以大型水处理构筑物最具代表性。在进行建设于地下水位高且埋深较深的地下水池排空检修的过程中，地下水会对水池等构筑物产生较大的上浮力，影响构筑物的安全性。所以，在构筑物设计阶段必须采取恰当的抗浮措施预防构筑物因上浮力的作用而发生开裂以及周围相连管道因受力不均而出现破坏，保证构筑物长期安全稳定运行。与此同时，不同的抗浮设计和抗浮措施既影响抗浮效果，又与工程造价直接相关，必须在充分保证构筑物运行安全的基础上，从技术可行性和经济性等角度选择恰当适用的抗浮措施。

当前，较为常用的抗浮设计包括抗力平衡型和降水疏排型两类。抗力平衡型抗浮设计主要借助自重或压重、抗拔锚杆及抗拔桩等措施加大抗力，使之超过地下水浮力后实现构筑物抗浮稳定的目的；降水疏排型抗浮设计则主要通过砂石反滤层、排水盲沟、降水井、抗浮阀等排降水措施的应用，使地下水位降至自重平衡抗浮水位，实现抗浮稳定。

抗力平衡型和降水疏排型抗浮措施在设计理念、技术要求、施工难度及工程造价等方面存在较大差异。抗力平衡型抗浮措施工艺比较成熟，适用性较广，且无需后期运营监管等投入，对于长期处于高地下水位且土质不良的南方及沿海地区的构筑物较为适用，为增强抗浮效果，还可以将地基设计为承压和抗拔一体桩[1]，使其兼具承受上部荷载和抗浮的作用。而对于地下水位长期较低运行且构筑物仅在短时间的排空检修期内有抗浮安全需要的情况，如果将其按照长期最不利水位设计，则势必增大建设成本。降水疏排型抗浮设计施工工艺简单，周期较短，施工成本低，且只在构筑物放空检修期内地下水位达设计高度的情况下，才需要以人工措施降低地下水位。降水疏排型抗浮措施对于诸如北方地区的构筑物地下水位年平均值较低且放空检修期可控制在枯水期进行的情况较为适用，通过设置降水井，既能在构筑物高水位运行过程中实现基坑降水的目的，还能用于后期监测。此外，若因周围建筑物引水等因素造成地下水位升高，如果采用抗力平衡型抗浮设计将难以满足构筑物安全稳定运行的需要，而改用降水疏排型抗浮设计，则可以通过加大抽水量[2]以快速消除水浮力问题。但降水疏排型抗浮措施在应用过程中需要考虑砂石反滤层的维护费用等问题。

1 工程概况

某污水处理厂三期工程所处区域表层为第四系新近沉积黏土、粉土和粉细砂，根据地勘结果，场地内存在的地下水主要为第四系潜水，水位埋深1.8 m，不同土层地基承载力在90～150 MPa，且构筑物中的钢筋在长期浸水情况下具有弱腐蚀性，在干湿交替的情况下具有中等腐蚀性，场地内不存在液化、湿陷等不良地质，钻孔灌注桩桩基参数详见表1。

表1 钻孔灌注桩桩基参数

污水处理厂三期工程二沉池为圆形敞口水池，池外径3.8 m，池高4.90 m，池底板埋深4.0 m，地下水位埋深1.8 m，二沉池构筑物抗浮设计必须综合考虑并比较压重、抗拔桩等抗浮设计措施的抗浮能力，比较结果见表2。该三期工程生化池设计尺寸70.0 m 75.5 m，池高7.5 m，池底埋深最低达5.5 m，地下水位埋深1.8 m，生化池构筑物抗浮设计应综合比较压重、抗拔桩、砂石反滤层、锚杆等抗浮措施，比较结果见表3。

表2 二沉池构筑物抗浮措施比较

表3 生化池构筑物抗浮措施比较

2 二沉池抗浮措施设计

2.1 压重

考虑到本污水处理厂三期工程二沉池构筑物自重和浮力相当，可以采用压重即增加配重的抗浮措施，即在钢筋混凝土底板下增设厚度50 cm的C30混凝土垫层，垫层总厚度60 cm，并在垫层和底板之间增设构造拉筋。

增加配重的抗浮措施施工过程简便，无需后续运行管理，但是在设计过程中必须将挖方增加、降水等费用及池壁长度加长、底板配筋量增大等因素和不利影响考虑进去，若垫层配重过厚，会因垫层和底板之间的拉筋而增大施工难度，对于地下水有腐蚀性的施工及运行环境，还会因底板与垫层间微小缝隙受地下水腐蚀后导致底板与配重垫层分离而引发抗浮设计失效。

2.2 抗拔桩

抗拔桩抗浮措施主要借助桩侧摩阻力抵抗地下水对构筑物施加的浮力，抗拔桩桩径通常在40～60 cm之间，桩距为200～300 cm，抗拔桩主要有灌注桩和预制桩等桩型。考虑到污水处理厂三期工程二沉池构筑物为平板基础，桩径越小则同体积桩表面积所产生的摩擦力越大，所以，必须选择桩径小、单桩抗拔力小的抗拔桩密布布置，并根据地勘结果所显示的不同土层摩阻力及构筑物设计抗浮力进行桩长和桩径的确定。在二沉池底板下增设桩径50 cm、桩长600 cm、桩间距280 cm的C35混凝土钻孔灌注桩150根，单桩竖向抗拔承载力设计值为200 kPa。抗拔桩抗浮措施施工简便，耐久性好，且对地下水环境有较好的适用性。

通过表2中对压重和抗拔桩两种二沉池构筑物抗浮措施的工程量及施工费用的比较可以看出，污水处理厂三期工程二沉池构筑物应当选择压重的抗浮设计，在减少工程量的同时控制施工费用，故选择压重的抗浮设计。

3 生化池抗浮措施设计

3.1 压重

在生化池池底增加1.8 m厚的C20混凝土垫层配重，若垫层厚度较大可能会在底板和垫层之间引发裂缝、降低拉筋强度而导致垫层和底板发生分离，引起抗浮措施失效，无法保证抗浮施工质量。根据地勘结果将配重垫层厚度设计为1.8 m。

3.2 抗拔桩

在生化池池底板以下增设直径50 cm、长度9.8 m的C35混凝土钻孔灌注桩，并结合生化池内部所采取的分隔情况，将桩间距设定为2.2～3.0 m，单桩竖向抗拔承载力设计值为350 kPa，灌注桩设置数量为960根。

3.3 砂石反滤层

砂石反滤层通常由3、4层粒径不同的砂石、碎石等材料构成，在反滤层施工过程中必须加强砂石颗粒的分级和排列，以保证顺水流向的颗粒粒径逐层增大，并防止细颗粒土在持续水压的影响下堵塞有效渗水孔隙和通道，达到水位稳定的要求。反滤层的施工必须严格按照层次和厚度进行，在铺设反滤层的过程中应当通过平板振捣器振捣密实，且滤料应当选择质地坚硬、不易风化水解的石料，并用土工布包裹碎石。与其余抗浮措施相比，砂石反滤层造价低廉、施工简便，但是反滤层容易遭堵塞，如遇非正常排空且无法及时实现降水，则会增大构筑物上浮的风险[3]。本生化池池底垫层下铺设30 cm厚的砂石反滤层和5座降水井，并通过盲沟将降水井和砂石层项链。

通过表3中对污水处理厂三期工程生化池构筑物压重、抗拔桩、砂石反滤层等抗浮设计进行的工程量及费用的比较可以看出，压重设计的总费用为1 682 800元，抗拔桩设计的总费用为2 822 400元，砂石反滤层措施的总费用136 400元，结合各项措施的施工难易程度综合考虑后，最终选择砂石反滤层抗浮设计。

4 结 论

结合工程应用可以看出，给排水构筑物抗浮设计及抗浮措施的选择对工程造价及结构受力有较大影响，在抗浮设计过程中为实现安全性、经济性及技术可行性的目标，必须结合地勘资料和场地具体情况、地下水位变化等进行抗浮水位的合理确定，并据此进行抗浮方案的选择。分析结果表明，该污水处理厂三期工程二沉池选择压重的抗浮设计，生化池采用砂石反滤层抗浮设计。