地下式污水處理工程結(jié)構(gòu)設(shè)計探究

劉探梅 李 玎

（西安市政設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710068）

為改善水環(huán)境污染現(xiàn)狀，優(yōu)化人們生活與投資環(huán)境。我國近年來投資建設(shè)了一大批污水處理廠，其工藝組成和建設(shè)規(guī)模各異，但在建設(shè)模式上，絕大多數(shù)的污水處理廠均采用地上式設(shè)計。隨著我國城市化水平和對生活環(huán)境要求的不斷提高，特別是大型城市，其土地資源短缺及環(huán)境污染的問題日益突出，建設(shè)占用空間少、節(jié)省土地資源、環(huán)境污染小，并能與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)的地下式污水處理廠將成為大型城市污水治理工程新的發(fā)展趨勢和發(fā)展方向。

1 污水處理廠布置形式及特點

1.1 地上式污水處理廠

目前，地上式污水處理廠在改善城市生態(tài)環(huán)境、節(jié)約水資源、提高人們生活質(zhì)量方面發(fā)揮了巨大的作用，已成為市政、環(huán)?；A(chǔ)設(shè)施的重要組成部分。但由于其自身的特殊性，絕大多數(shù)地上式污水處理廠在凈化污水的同時，又成為新的污染源，不僅影響了周邊居民的正常生活。而且在一定程度上制約了周邊地區(qū)的經(jīng)濟發(fā)展。對商業(yè)、房地產(chǎn)業(yè)、服務(wù)業(yè)的影響尤其明顯。另外，地上式污水處理廠占用大量寶貴的土地資源，并因受到處理工藝的限制，很難與周圍的環(huán)境相協(xié)調(diào)。

1.2 地下式污水處理廠

占用空間少。在地下式污水處理廠設(shè)計中，考慮到地下空間和投資的限制，構(gòu)筑物設(shè)計都比較緊湊，技術(shù)上也盡量選用占地面積小的處理工藝。地下污水處理廠不需考慮綠化及隔離帶等要求，故占地面積較小。例如，日本神奈川縣葉山鎮(zhèn)地下污水處理廠占地面積僅是地上污水處理廠用地面積的1/3。

噪音污染小。地下污水處理廠的主要處理設(shè)備均處于地下，許多機械的噪聲和振動將對地面的建筑和居民基本不產(chǎn)生影響，有效地防止了噪音對周圍居民生活與工作的影響。

臭味污染小。由于處于地下全封閉管理，地下污水處理廠可以對產(chǎn)生的臭氣進行全面的處理，對環(huán)境和城市居民生活不產(chǎn)生影響。英國伊斯特本的新奇地下污水處理廠雖然建在繁忙的街道和海灘之間，但未對休斯特本的旅游區(qū)自然景觀產(chǎn)生任何不利影響。

節(jié)省土地資源。地下污水處理廠由于只有部分輔助建筑物建在地面，占用土地資源很少，節(jié)省了城市開闊空間，不會使周邊土地貶值，對于周邊區(qū)域的未來發(fā)展沒有障礙。地下污水處理廠上部空間利用價值亦較高，可用于綠化、公園等公益事業(yè)，也可用于商業(yè)開發(fā)。

溫度較恒定。地下污水處理廠由于處于地下，除受進水水質(zhì)條件的影響以外，基本不受外部環(huán)境因素的影響，特別是地下常年溫差較地面溫差要小，溫度比較恒定，有利于各種污水生物處理工藝的穩(wěn)定運行。

2 地下式污水處理工程與民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計異同

2.1 地下式污水處理工程結(jié)構(gòu)設(shè)計

地下式污水處理工程結(jié)構(gòu)分為頂板、底板(基礎(chǔ))、池壁及局部地上式結(jié)構(gòu)體系組成。頂板、底板和地上式結(jié)構(gòu)設(shè)計與民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計相同，頂板可采用梁板或無梁板。底板結(jié)構(gòu)分為梁板或平板式筏板，計算模型按正、反向兩種工況考慮:正向計算除構(gòu)、筑物自重、頂板覆土外，另附加構(gòu)筑物內(nèi)部污水及設(shè)備等恒載及活載;反向計算一般采用倒樓蓋法，主要考慮地下水浮力作用。池壁分為外墻及內(nèi)墻，內(nèi)墻按受力情況分為內(nèi)隔墻與承重水墻，內(nèi)隔墻因污水流通需要設(shè)置大洞口形成連通墻，不承擔水壓力，僅承擔豎向荷載，一般按構(gòu)造設(shè)計，并滿足墻體穩(wěn)定性。承重水墻既承擔豎向荷載，又承擔水壓力，為拉彎或壓彎構(gòu)件。外墻的內(nèi)側(cè)墻面承擔水壓力，外側(cè)墻面承擔水、土壓力及其它活荷載作用。當結(jié)構(gòu)試水時未回填土，僅受單側(cè)水壓力作用為拉彎構(gòu)件，正常使用時受水、土等荷載作用，為壓彎作用。污水結(jié)構(gòu)的池壁不同于民用建筑落地剪力墻，與外墻、人防墻類似，但人防墻不考慮裂縫，池壁考慮裂縫，以單、雙向板受力為主，現(xiàn)行規(guī)范最小配筋率取單側(cè)計算值，水平鋼筋布置于豎向筋外側(cè)。

2.2 荷載作用

民用建筑除人防荷載外，活荷載一般取用5kN/m2 (包含可能停放消防車的室外地面)，地下水、土壓力等按恒載考慮;活載分項系數(shù)取1.4，恒載分項系數(shù)取1.2。水池外墻地面的堆積荷載取用10kN/m2，土壓力、構(gòu)筑物內(nèi)部水壓力按恒載考慮，地下水浮力按活載考慮，水、土分項系數(shù)取1.27，其他活荷載分項系數(shù)取1.4。

2.3 土壓力與內(nèi)摩擦角

不同工程地質(zhì)條件的內(nèi)摩擦角φ 差異較大，設(shè)計時根據(jù)場地土、回填土情況及地下邊坡支護條件綜合確定。根據(jù)土壓力理論計算中的墻后填土，指墻后土體楔形體范圍，而不是施工的前后肥槽范圍內(nèi)的回填土，它屬于地質(zhì)條件提供的原狀土，墻后肥槽填土的選擇和質(zhì)量，對土壓力影響不大;主動土壓力的土楔形體范圍小，被動土壓力的楔形體范圍相對較大。墻后填土為粘性土可以削減主動土壓力，但對被動土壓力起增大作用。民用建筑外墻的土壓力采用靜止土壓力，靜止土壓力系數(shù)k0=1－sin (φ) =0.5，即內(nèi)摩擦角φ=30°。靜止土壓力系數(shù)宜由試驗確定，無試驗條件時，對砂類土可取0.34～0.45，對粘性土可取0.5～0.7。當?shù)叵率沂┕げ捎米o坡樁或連續(xù)墻支護時，靜止土壓力系數(shù)取用k0=0.33。污水處理工程的外墻一般采用主動土壓力，主動土壓力系數(shù)為ka=tan(45－φ/2)，對于砂類土或粉土可取1/3，對粘性土可取1/3～1/4，工程上一般取大值ka=0.333，即內(nèi)摩擦角φ=30°。

3 污水處理工程結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化與經(jīng)濟指標

3.1 污水處理工程結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化對策

地下式污水處理工程最大用鋼量在于池壁，底板次之，頂板再次之。池壁作用荷載的選取、合理截面及邊界條件、計算模型的合理假定等對經(jīng)濟性、安全性影響較大。一般情況下基礎(chǔ)采用平板式筏板較經(jīng)濟，或采用局部布梁板式筏板，少用梁板式筏板。在條件允許情況下盡量少用樁基，當需局部處理場地可采用置換處理，或采用復(fù)合地基，一般優(yōu)選水泥攪拌樁處理較經(jīng)濟。頂板結(jié)構(gòu)設(shè)計亦為經(jīng)濟控制的重要環(huán)節(jié)，受荷載作用較大，充分利用已有壁板，合理布置梁數(shù)量及截面尺寸，當條件允許盡量少布梁、柱，或不布置，或必要時可采用板加腋處理，并盡量避免大跨梁，可增設(shè)柱處理。板跨需根據(jù)荷載及池壁布置情況進行有效分割板塊，板塊跨度不宜大于7m，車載作用不宜大于6m，否則不經(jīng)濟。

3.2 污水處理工程經(jīng)濟指標

地下式污水處理工程采用結(jié)構(gòu)空間單位體積的含鋼量及含砼量進行比較，地上建筑參照民用建筑預(yù)算以單位建筑面積的含鋼量及含砼量評定為宜。以廈門某10 個地下污水項目統(tǒng)計，水池鋼筋總用量/地下式污水工程空間體積比為:31.97～77.78kg/m3，其中77.78kg/m3 為基礎(chǔ)樁筏結(jié)構(gòu)，砼/地下式污水工程空間體積比為:0.226～0.582，兩者變化趨勢一致，當其比值越小，表明相應(yīng)的結(jié)構(gòu)工程經(jīng)濟性價比越高，所選用結(jié)構(gòu)截面與配筋越合理。

4 結(jié)語

總而言之，地下污水廠的內(nèi)力計算采用整體有限元分析與傳統(tǒng)計算模型相結(jié)合方法，安全、經(jīng)濟、可靠。除結(jié)構(gòu)計算外，無縫設(shè)計、補償收縮混凝土的應(yīng)用、主體混凝土材料的配合比控制及專門的防腐蝕措施，均是保證結(jié)構(gòu)正常功能的重要部分。日后，在進行地下污水處理廠的設(shè)計過程中，應(yīng)該對這些問題有一個充分的重視。