昆明某地下水质净化设施（极限除磷间）结构设计要点

顾 华

中国市政工程西南设计研究总院有限公司

1 前言

近年来，世界各国开始研究并且建立地下式水质净化设施，其实正是因为地下式水质净化设施有它的诸多优势。相比较传统的水质净化设施，传统方式在地面上建立，占地面积较大，而且由于许多污水的味道较大，对周围的空气造成一定的污染，影响了周围居民的正常生活。相反，地下式的设施就很好地解决了以上所存在的问题，地下不会占取地面土地，节省了地面土地，这样地面土地可以更好地用在其他方面，其次，地下式的处理方式有封闭性好的优点不会对周围居民空气造成影响，噪声等方面的问题也迎刃而解，这都是地下式的优点，但是事物都是一把双刃剑，有诸多优点的同时也存在着一些问题，比如说，地下的建设成本较高，后期的生产使用环节成本也会相对较高，这些技术性上的问题需要我们重视起来早日找到解决的良好办法。

2 工程概况

2.1 水文地质条件

拟建场地地貌上属于滇池断陷湖积盆地与边缘山麓交接地带，岩土体类别较多，总体上较为复杂。根据钻探揭露，室内外资料综合整理，将拟建场地地基土层主要分为：第四系人工填土层（Qml）；第四系冲湖积黏土、有机质黏土、圆砾层（Qal+l）；第四系坡残积黏土（Qdl+el）；下伏基岩为寒武系龙王庙组白云岩（∈2l）。场地地下水埋深在0.90m～11.60m 之间，稳定标高1891.80m～1904.76m，且水位多处于填土中，具局部凸状，为填土渗透性不均匀所引起。地下水类型主要为两类：一为赋存于上部填土、黏性土中的少量上层滞水，富水性较弱；二为赋存于圆砾层中的第四系孔隙型潜水，微具承压性；其主要补给来源为大气降水及地表水（相互补给，旱季为地表水补给地下水，雨季则为地下水补给地表水），无明显流向。场地地表水及地下水对混凝土结构及钢筋混凝土结构中的钢筋有微腐蚀性，地基土对混凝土结构、钢筋混凝土结构中的钢筋及外露钢结构有微腐蚀性。

2.2 结构概况

本工程水质净化设施一、二期极限脱磷工程（10万m3∕d），极限除磷间采用地下式方式建设，地面绿化。地下除磷间地下箱体直角呈梯形布置，直角长边约123.5m，直角短边长64.6m，直角最短边12.2m。通过综合管廊、车道与普照水质净化厂地下处理区联通。普照极限脱磷工程与普照调蓄池工程合建。分为地下2 层，地下负一层为除磷间，地下负二层为调蓄池，地面覆土2.0m。箱体大部分深度18.2m，局部19.0m。

3 结构设计

3.1 结构布置

主要由基础底板、中层顶板、屋面板和外墙组成。其中基础底板采用梁板式筏板基础；中层板作为除磷间底板，采用主次梁结构现浇楼盖；屋面板为景观区，采用梁板结构现浇楼盖；外墙为钢筋混凝土挡土墙。通过概念设计和定性分析，楼盖结构屋面设置横向主梁，负一层主梁梁截面尺寸主要为500mm×1200mm，次梁梁截面尺寸主要为400mm×1000mm。顶层主梁梁截面尺寸主要为700mm×1500mm，次梁梁截面尺寸主要为400mm×1000mm。柱截面采用800mm×800mm，并增设混凝土墙传递较大的竖向荷载利于柱轴压比控制，加强横向土侧压力的传递。底板厚1000mm，外墙主要截面厚度为800mm。

3.2 荷载设计

屋面覆土厚度为2.0m，并种植灌木，本工程取屋面荷载q恒=45kN∕m2，q活=5kN∕m2；管廊作为日常进出和设备安装维修通道，需要考虑行车荷载，同时作为消防通道，需考虑消防车荷载，本工程取消防车荷载3OkN∕m2；由于屋面荷载较大，结构异形，柱距为满足使用要求较大，最大柱距达到14.0m。

3.3 抗浮设计

抗浮设计对工程投资影响较大，同时也关系到地下结构安全的重大问题，合理选择地下室埋深和抗浮水位的关系较为重要。地下结构抗浮水位是一个复杂的问题，场地土层差异性，场地地下水复杂多变性，给地下室抗浮水位的确定带来了较大困难，但抗浮水位又是地下室抗浮设计中一个重要的参数。本工程周边紧邻河道且存在透水层，应按设计基准期的最高洪水位来确定其抗浮水位，以确保设计使用年限内可能出现的最不利情况地下水质净化处理设施结构安全，抗浮设计水位取值为河道50 年一遇最高洪水位:1900.30m 进行设计。通过计算本工程浮力为857300kN，抗浮力为571660kN，自重抗浮不能满足要求，需增加抗浮措施。地下构筑物永久性构造的抗浮措施一般有以下几种：增加池体厚度以增加结构重量；利用底板外伸部分增加回填土的重量；采用抗浮桩（锚杆）措施等。增加池体厚度以增加结构重量和利用底板外伸部分增加回填土的重量一般用于抗浮重量与浮力相差不大时采用，由于本工程抗浮力与浮力相差较大，抗浮措施采用抗浮桩的方式，通过多方案比选抗浮桩采用旋挖钻孔灌注桩的方式，桩径0.8m。本工程紧邻河道，最大埋深达到19.0m，为避免在施工过程形成“脚盆”效应，基坑成为“大脚盆”，地下部分形成“小脚盆”，基坑内停止降水时间为“主体结构完成并完成顶板填土”。

抗浮设计中要提前计算好抗浮桩的数量，抗浮桩分为了两种形式，一种是利用自身重量，通过结构自重来进行抗浮，另外一种是纯底板区域内的抗浮桩，两种不同的形式，产生的抗浮效果不尽相同，而且产生抗浮的形式不同，因此，计算抗浮桩分数量时，计算方法也不同。我们需要分别计算出抗浮桩影响区域宽度和抗浮桩影响面积，然后依据地下式水质净化设施的整体结构重量和面积来得出抗浮桩分数量。确保抗浮桩分数量在国家规定范围内的正常区域数据以保证地下式水质净化设施的良好抗浮效果，进而保证整个建筑结构的安全性。本地下式水质净化设施采用点式布置，提前计算了梁柱墙的相应受力情况，包括各个结构的相应数据。确保整个结构的抗浮作用。

3.4 抗渗设计

本工程采用C40 防水混凝土，抗渗等级P8，控制钢筋混凝土构筑物表面渗水量，渗水量按池壁和底板面积总计，不得超过 2（L∕m2·d）。

3.5 构造措施

（1）为了满足大型水处理构筑物的工艺要求，提高混凝土的防渗抗裂性能，既保证结构设计的合理性又减少水渗漏的可能性。由于结构的跨度较大，直接造成了混凝土结构跨度过大，从而产生了诸多的隐患，而且会造成混凝土开裂等危险情况的出现。究其原因，最重要的就是因为建筑材料混凝土的缘故。众所周知混凝土材料是近代以来我们使用最多也是最方便的一种建筑材料。混凝土材料的特殊性造成了它容易在凝固前期形成开裂。接下来就地下式水质净化设施结构分析我们结构混凝土开裂的原因，原因有两个方面，一方面是我们上文提到的混凝土前期的材料问题，搅拌不均匀或者混凝土配比未按照设计要求进行配比，造成了前期易开裂的问题。另一方面，是混凝土浇筑后养护的问题，不同的地理位置，不同的当地气温都会对混凝土材料造成影响，因此一定要在建筑后的混凝土养护上做到精细认真。还有一个方面是承重问题，可能承重未满足设计要求，造成了称重上的过负荷，结果产生了变形进而产生了开裂现象。这就要求在设计阶段，严格计算结构的承重问题，尤其需要注意的是钢筋骨架，配比相应的钢筋数量，从而也能在受力上满足强度问题，避免混凝土结构的开裂。

（2）本工程结构异形，最大长度达到123.5m，由于长度超过了正常的范围，已经要用特殊结构的角度在考虑受力问题，因为长度过长混凝土结构的各个位置受力很难均匀，牵一发而动全身，一处受力不均匀就会给整个结构造成消极的影响。因此，我们要采取一定的措施，比如说，在混凝土结构中配比相应的纵向钢筋，以增加拉应力。另一方面，可以在定段内设置相应的变形缝，以保证受力不均匀时不至于影响到其他位置而产生裂缝。这样可以防止天气温度变化和后期结构使用中的变形问题。膨胀加强带宽度2.0m，后浇期28 天，采用添加微量膨胀剂的混凝土浇灌。

（3）在混凝土中掺加复合防水剂提高混凝土的抗渗能力和减少混凝土早期收缩应力，改善混凝土抗渗、抗裂性能，提高混凝土适应温度变化的能力。

3.6 构筑物防腐蚀

根据地勘资料，地下水对混凝土结构有微腐蚀性，对混凝土结构中的钢筋有微腐蚀性。对钢结构或钢管道具弱腐蚀性。本工程对构筑物采取以下防腐蚀措施。

2.6.1 混凝土结构防腐蚀措施

适当增加混凝土保护层厚度；构筑物外壁面与土壤接触部分，刷冷底子油和热沥青各一遍。

2.6.2 钢结构防腐蚀措施

钢柱柱脚置于混凝土基础上，经常用水清理冲洗地面的，基础顶面高出地面300mm；钢材表面原始锈蚀等级不应低于B级，所有的钢构件表面均应进行喷砂或抛丸除锈。达到国家标准《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》（GB∕T 8923.1—2011）规定的Sa2.5 级，手动机械除锈应达到St3 级，表面粗糙度Rz40-70μm，表面处理好三小时内应进行防腐施工；钢构件外表面钢构件应进行防腐防火涂装，采用冷喷锌防腐技术，冷喷锌两道（膜厚不小于80μm）加冷喷锌封闭剂两道（膜厚不小于100μm）加薄涂型露天用防火涂料加白色改性氟碳面漆两道（膜厚度70μm）。

3.7 结构消防设计

（1）构件截面尺寸：墙厚度不小于200mm，耐火极限大于3.5h；框架柱采用截面不小于500mm×500mm 现浇钢筋混凝土柱，耐火极限大于5.0h；梁钢筋保护层厚度为20mm，耐火极限为2.0h；结构板板厚最小为100mm，钢筋保护层厚度为15mm，耐火极限不小于2h。

（2）疏散楼梯部分构件截面尺寸：梯柱采用截面不小于200mm×500mm，现浇钢筋混凝土柱，耐火极限不小于3.0h；梁钢筋保护层厚度为20mm，耐火极限不小于2.0h；楼梯结构板厚不小于100mm，钢筋保护层厚度为15mm，耐火极限不小于1.5h。

（3）填充墙均为非承重墙体，采用不小于150mm 厚加气混凝土砌块耐火极限不小于2h。

4 结语

大型地下式水质净化设施结构设计，对于抗浮方案的选择及柱距、墙距的设置较为重要，合理增加墙体可减少柱轴压比，增强结构的整体性。才能够保证地下式水质净化设施安全、合理的建设及运行。