西南某地下污水处理厂结构设计要点及特点

西南某地下污水处理厂结构设计要点及
特点
摘要：随着我国经济的持续发展以及城市土地成本的上升，全地下污水处理
厂的建设逐渐成为污水处理行业新的发展方向。

相对于常规地上厂，全地下厂的
建设费用、设计难度、影响因素均有所增加。

本文以西南地区某地下厂为实例，
从深基坑、地基处理以及箱体结构设计三方面进行分析，同时结合国内地下厂建
设现状，提出了一些个人见解，为后续工程提供参考。

关键词：全地下污水处理厂深基坑地基处理结构设计
引言
近年以来为改善城市污水状况，各地均加快了污水处理厂的建设步伐。

但
是随着出水水质要求越来越高，建设规模越来越大，原有的地上式污水处理厂存
在的土地资源浪费以及环境污染等问题制约了我国城市化水平和居民环境要求的
稳步提高。

与周边环境协调，封闭性强、无二次污染的地下污水处理厂将成为城
市污水治理工程建设的发展方向。

地下式污水处理厂（后文简称“地下厂”）具有占用空间小、噪音污染小、
环境污染小、节省土地资源、温度较恒定、美观性好等特点。

其建设和运营在欧
美等发达国家均取得了巨大的经济效益和社会效益。

我国近几年随着经济的发展
和土地成本的上升，地下厂也有了较多的应用。

目前国内已建设有地下厂超过20
多座。

本文以西南地区某地下厂为例，对全地下厂结构设计的关键问题进行探讨，为此后类似工程提供借鉴。

1工程概况
地下厂将主要构（建）筑物合建成一个集约化的水池及生产用房，置于地下
一定的深度，然后在水池上方建造一个钢筋混凝土空箱，空箱顶板上覆土约1~2m，
从而形成一个二层地下空间结构，即地下箱体。

箱体的上层为空箱结构，作为巡
视操作层，下层为水池结构层，用于污水处理。

本工程为一座总规模为8万m3/d
的地下厂，现状地面标高422m，设计地面标高为427m。

地下厂平面布置呈L型，尺寸为185m*143m/162m，箱体最大埋深19m，基坑开挖深度6~15m。

地勘报告显示主要土层的物理力学性质见表1.
岩土的工程特性指标建议值表表1
天然
重度
(k N/m3)
内摩
擦角
( o)
2基坑设计
为满足污水处理的特殊需求，地下厂基坑具有开挖面积大，深度深，深度变
化大等特点。

同时作为地下两层结构，地下厂的负一层（操作层）高度一般为6m
左右，负二层污水处理层高度最高将近10m。

如果周边环境条件复杂，对基坑变
形的控制要求较高时,一般建议采用内支撑形式，这样就会给主体结构施工时的
换撑工况实施带来一定不便。

第一道和第二道支撑可通过负一层和负二层的顶板
进行换撑，第三道支撑一般采用斜抛撑等方式来换撑。

如果周边环境条件简单，
也可采用双排桩等悬臂结构[1]来进行支护。

悬臂结构取消了水平支撑，便于主体
结构实施，同时工期也会相对缩短。

本场地地形现状整体相对平坦，部分区域植被较茂盛。

北侧和南侧区域较为
空旷，西侧毗邻沱江（最近距离约45m），东侧靠近现状五福大道，最近处约
35m。

厂区红线范围整体呈长条形，南北向宽，东西向窄，箱体东西向离红线较近。

根据《建筑基坑支护技术规程》[2]，本工程基坑安全等级为一级。

本工程箱体主体部分（预处理区，泥区，水解酸化池，生物反应池，二沉池，深度处理区域）的基坑围护可采用地下连续墙或钻孔灌注桩+高压旋喷桩止水帷
幕方案，支撑体系可选用锚索或钢筋混凝土桁架内支撑系统支护。

并在基坑开挖
前辅以必要的降水措施，使地下水位降至基坑底面以下0.5～1.0m处。

基坑平面图图1
根据现有地勘，基坑底部基本进入中风化岩或强风化岩，较有利于基坑开挖，采用地下连续墙施工较复杂，且费用高。

如全部采用放坡形式，基坑占地过大，
会导致基坑范围超出红线过多，也限制了施工场地布置。

本工程按放坡+排桩方案，先在地面放一级坡（3m高），下部采用∅1000@1200钻孔灌注桩支护，止水
帷幕采用两排∅800@500高压旋喷桩。

对于支撑体系，由于厂区周边相对较空旷，
可采用锚索支护。

部分角部无法同时两方向施打锚索时，可采用双排桩支护悬臂。

典型基坑断面如下图所示。

基坑典型断面图图2
基坑自2021年3月29日开始监测，至2021年10月28号截止，主要变
形情况如下表所示：
基坑变形监测表表2
从监测结果可见，基坑变形在可控范围内，该支护选型恰当。

3地基设计
地下厂由于埋置深度较深，水池及空箱加上覆土后荷载很大，且
不同单元之间荷载有差距，地基除应能满足承载力以外，处理好不同区域的不均
匀沉降问题也尤为关键。

如果地下水位较高时，尚应考虑构筑物的抗浮。

常用的
抗浮措施有压重法、抗浮桩、抗拔锚杆以及盲沟系统＋卸压阀法等。

压重法是指
增加基坑深度，在底板下设置“混凝土+拉结锚筋”吊重来满足抗浮要求。

一般
只适用于浮托力比较小的情况，浮力大时不经济。

盲沟系统＋卸压阀法为当空池
不满足抗浮要求时采用卸压阀系统使作用于底板上的浮托力得到释放，从而达到
抗浮要求。

一般适用于不经常放空的水池，其长期使用的可靠性尚有待验证。

抗
拔锚杆是指利用砂浆与岩石间的粘结力以及锚杆的抗拔承载力来承受底板上所受
的浮托力。

抗拔桩是指利用桩与土的挤压产生的摩擦力来承受底板上所受的浮
托力。

对于受浮力较大的地下厂，一般采用可靠性较高的抗拔桩或抗拔锚杆抗浮。

本工程地下水位较高，且基底下持力层部分为卵石层，部分为岩层，地基分布不均匀。

所以采用抗压抗拔效果好的桩基作为地基基础。

预制空心管桩
桩身结构强度好，施工质量易控制，但沉桩深度有限、挤土效应明显。

柔刚劲性
复合桩[3]是一种将水泥土搅拌桩和刚性预制桩结合起来的组合型桩体。

其承载能
力高、沉桩效果好，在一些全地下污水厂的地基处理中有过运用，且反应效果良好。

但这两种桩型均不适用于本工程的卵石、岩石地质。

最终本项目采用适用性
好的钻孔灌注桩基础（嵌岩桩）。

4结构设计
4.1超长混凝土裂缝控制
根据《给水排水工程构筑物结构设计规范》[4]，岩基地下室现浇钢筋混凝土
构筑物的伸缩缝最大间距为20m。

但是根据以往经验，伸缩缝位置往往因为混凝
土振捣不密实、止水带位移或损坏等原因，成为结构的漏水渗水的薄弱点。

而且
全地下厂埋深较深，运营期间如发现水池有漏水或管廊间有地下水渗入，难以进
行修复。

本工程结合国内外地下厂的设计经验，在混凝土中掺加抗裂防水剂等添加剂，可以有效阻止因粗、细骨料沉降而产生的离析，使混凝土材料分布更加均匀，减
少表层失水产生的收缩，减少甚至完全阻止混凝土表层裂纹的产生。

同时为减小大体积混凝土浇筑期间的水化热，本工程也采取了设置后浇带或
加强带的方式。

根据箱体内单体布置情况以及箱体平面尺寸，底板每隔60m左右
设置一道后浇带，两道后浇带中间设置一道加强带。

池壁及顶板每隔30米设置
一道后浇带。

后浇带、加强带处主筋连续，采用补偿收缩混凝土，混凝土等级较
构筑物混凝土等级提高一级，混凝土限制膨胀率水中14天≥0.025%，水中14
天转空气中28天≥-0.02%。

4.2箱体、底板及池壁设计
负一层箱体为巡视操作层，主要供运营管理人员日常巡视检修。

结构形式为
内部框架结构，四周挡土池壁结构。

内部框架的柱子尺寸、柱距、柱子型式均应
满足负二层水池的工艺使用需求。

框架柱底应嵌固在负二层的池壁或底板上，位
于池壁上的框架柱宽度同池壁，当框架柱落于底板上时应设置为圆柱。

柱间距太
密容易影响工艺水流或设备运行，柱间距太疏又会导致负一层顶板梁过高。

一般柱距以7~9m为宜，可根据不同水池中隔墙的布置情况调整。

外池壁考虑外水土工况与内水工况按单向板计算，控制竖向配筋，最大裂缝宽度0.2mm。

水平向配筋应在满足抵抗角隅区弯矩的基础上适当放大，以起到抵抗温度应力的作用，提高混凝土的抗裂能力。

当有抗震计算要求时，应按反应位移法计算构筑物地震工况下的位移。

近似将构筑物横断面等效为单位宽度的梁体系进行平面计算。

本工程箱体底板计算应考虑池内水荷载作用工况与底板下浮力作用工况。

模型可按桩基作为支点，按无梁楼盖建模。

当底板底位于中风化岩层时，岩层刚度可认为无限大，此时不需计算上部水荷载工况。

边缘处底板为与池壁弯矩协调，厚度较厚，其余区域可视计算结果将厚度减薄。

下图为本工程某区域剖面示意图。

主体结构剖面示意
图图3
5结语
目前，部分经济发达的省市已经明确发文推荐采用地埋式污水处理设施，全地下厂的建设逐渐成为污水处理行业新的发展方向。

与地上式污水厂不同，全地下厂具有基坑深度深、抗浮稳定要求高、受力分析计算复杂的特点。

本文从工程实例出发，介绍了地下厂的设计现状、技术措施、计算方法、特殊材料等内容。

目前该污水厂土建工作已顺利完成，进入了设备调试阶段，因此本文对后续工程具有一定的参考性。

参考文献
[1]聂东清. 无支撑支护在软土地区地下式污水厂深基坑中的应用[A]. 中国土木工程学会.中国土木工程学会2019年学术年会论文集[C].中国土木工程学会:中国土木工程学会,2019:7.
[2] JGJ120-2012,建筑基坑支护技术规程[S].
[3] 叶源新. 柔刚劲性复合桩在地下污水厂中的应用[J]. 城市道桥与防
洪,2018,No.228(04):193-195+22
[4] GB50069-2002,给水排水工程构筑物结构设计规范[S].。