地下式污水处理工程结构设计探究

刘探梅 李 玎

（西安市政设计研究院有限公司，陕西 西安 710068）

为改善水环境污染现状，优化人们生活与投资环境。我国近年来投资建设了一大批污水处理厂，其工艺组成和建设规模各异，但在建设模式上，绝大多数的污水处理厂均采用地上式设计。随着我国城市化水平和对生活环境要求的不断提高，特别是大型城市，其土地资源短缺及环境污染的问题日益突出，建设占用空间少、节省土地资源、环境污染小，并能与周边环境相协调的地下式污水处理厂将成为大型城市污水治理工程新的发展趋势和发展方向。

1 污水处理厂布置形式及特点

1.1 地上式污水处理厂

目前，地上式污水处理厂在改善城市生态环境、节约水资源、提高人们生活质量方面发挥了巨大的作用，已成为市政、环保基础设施的重要组成部分。但由于其自身的特殊性，绝大多数地上式污水处理厂在净化污水的同时，又成为新的污染源，不仅影响了周边居民的正常生活。而且在一定程度上制约了周边地区的经济发展。对商业、房地产业、服务业的影响尤其明显。另外，地上式污水处理厂占用大量宝贵的土地资源，并因受到处理工艺的限制，很难与周围的环境相协调。

1.2 地下式污水处理厂

占用空间少。在地下式污水处理厂设计中，考虑到地下空间和投资的限制，构筑物设计都比较紧凑，技术上也尽量选用占地面积小的处理工艺。地下污水处理厂不需考虑绿化及隔离带等要求，故占地面积较小。例如，日本神奈川县叶山镇地下污水处理厂占地面积仅是地上污水处理厂用地面积的1/3。

噪音污染小。地下污水处理厂的主要处理设备均处于地下，许多机械的噪声和振动将对地面的建筑和居民基本不产生影响，有效地防止了噪音对周围居民生活与工作的影响。

臭味污染小。由于处于地下全封闭管理，地下污水处理厂可以对产生的臭气进行全面的处理，对环境和城市居民生活不产生影响。英国伊斯特本的新奇地下污水处理厂虽然建在繁忙的街道和海滩之间，但未对休斯特本的旅游区自然景观产生任何不利影响。

节省土地资源。地下污水处理厂由于只有部分辅助建筑物建在地面，占用土地资源很少，节省了城市开阔空间，不会使周边土地贬值，对于周边区域的未来发展没有障碍。地下污水处理厂上部空间利用价值亦较高，可用于绿化、公园等公益事业，也可用于商业开发。

温度较恒定。地下污水处理厂由于处于地下，除受进水水质条件的影响以外，基本不受外部环境因素的影响，特别是地下常年温差较地面温差要小，温度比较恒定，有利于各种污水生物处理工艺的稳定运行。

2 地下式污水处理工程与民用建筑结构设计异同

2.1 地下式污水处理工程结构设计

地下式污水处理工程结构分为顶板、底板(基础)、池壁及局部地上式结构体系组成。顶板、底板和地上式结构设计与民用建筑结构设计相同，顶板可采用梁板或无梁板。底板结构分为梁板或平板式筏板，计算模型按正、反向两种工况考虑:正向计算除构、筑物自重、顶板覆土外，另附加构筑物内部污水及设备等恒载及活载;反向计算一般采用倒楼盖法，主要考虑地下水浮力作用。池壁分为外墙及内墙，内墙按受力情况分为内隔墙与承重水墙，内隔墙因污水流通需要设置大洞口形成连通墙，不承担水压力，仅承担竖向荷载，一般按构造设计，并满足墙体稳定性。承重水墙既承担竖向荷载，又承担水压力，为拉弯或压弯构件。外墙的内侧墙面承担水压力，外侧墙面承担水、土压力及其它活荷载作用。当结构试水时未回填土，仅受单侧水压力作用为拉弯构件，正常使用时受水、土等荷载作用，为压弯作用。污水结构的池壁不同于民用建筑落地剪力墙，与外墙、人防墙类似，但人防墙不考虑裂缝，池壁考虑裂缝，以单、双向板受力为主，现行规范最小配筋率取单侧计算值，水平钢筋布置于竖向筋外侧。

2.2 荷载作用

民用建筑除人防荷载外，活荷载一般取用5kN/m2 (包含可能停放消防车的室外地面)，地下水、土压力等按恒载考虑;活载分项系数取1.4，恒载分项系数取1.2。水池外墙地面的堆积荷载取用10kN/m2，土压力、构筑物内部水压力按恒载考虑，地下水浮力按活载考虑，水、土分项系数取1.27，其他活荷载分项系数取1.4。

2.3 土压力与内摩擦角

不同工程地质条件的内摩擦角φ 差异较大，设计时根据场地土、回填土情况及地下边坡支护条件综合确定。根据土压力理论计算中的墙后填土，指墙后土体楔形体范围，而不是施工的前后肥槽范围内的回填土，它属于地质条件提供的原状土，墙后肥槽填土的选择和质量，对土压力影响不大;主动土压力的土楔形体范围小，被动土压力的楔形体范围相对较大。墙后填土为粘性土可以削减主动土压力，但对被动土压力起增大作用。民用建筑外墙的土压力采用静止土压力，静止土压力系数k0=1－sin (φ) =0.5，即内摩擦角φ=30°。静止土压力系数宜由试验确定，无试验条件时，对砂类土可取0.34～0.45，对粘性土可取0.5～0.7。当地下室施工采用护坡桩或连续墙支护时，静止土压力系数取用k0=0.33。污水处理工程的外墙一般采用主动土压力，主动土压力系数为ka=tan(45－φ/2)，对于砂类土或粉土可取1/3，对粘性土可取1/3～1/4，工程上一般取大值ka=0.333，即内摩擦角φ=30°。

3 污水处理工程结构设计优化与经济指标

3.1 污水处理工程结构设计优化对策

地下式污水处理工程最大用钢量在于池壁，底板次之，顶板再次之。池壁作用荷载的选取、合理截面及边界条件、计算模型的合理假定等对经济性、安全性影响较大。一般情况下基础采用平板式筏板较经济，或采用局部布梁板式筏板，少用梁板式筏板。在条件允许情况下尽量少用桩基，当需局部处理场地可采用置换处理，或采用复合地基，一般优选水泥搅拌桩处理较经济。顶板结构设计亦为经济控制的重要环节，受荷载作用较大，充分利用已有壁板，合理布置梁数量及截面尺寸，当条件允许尽量少布梁、柱，或不布置，或必要时可采用板加腋处理，并尽量避免大跨梁，可增设柱处理。板跨需根据荷载及池壁布置情况进行有效分割板块，板块跨度不宜大于7m，车载作用不宜大于6m，否则不经济。

3.2 污水处理工程经济指标

地下式污水处理工程采用结构空间单位体积的含钢量及含砼量进行比较，地上建筑参照民用建筑预算以单位建筑面积的含钢量及含砼量评定为宜。以厦门某10 个地下污水项目统计，水池钢筋总用量/地下式污水工程空间体积比为:31.97～77.78kg/m3，其中77.78kg/m3 为基础桩筏结构，砼/地下式污水工程空间体积比为:0.226～0.582，两者变化趋势一致，当其比值越小，表明相应的结构工程经济性价比越高，所选用结构截面与配筋越合理。

4 结语

总而言之，地下污水厂的内力计算采用整体有限元分析与传统计算模型相结合方法，安全、经济、可靠。除结构计算外，无缝设计、补偿收缩混凝土的应用、主体混凝土材料的配合比控制及专门的防腐蚀措施，均是保证结构正常功能的重要部分。日后，在进行地下污水处理厂的设计过程中，应该对这些问题有一个充分的重视。