郑桂敏

（福州城建设计研究院有限公司，福建 福州 350001）

0 引言

随着我国社会经济快速发展，为满足国民生活、生产用水需求，保护生态环境免受污水污染，给水厂和污水处理厂建设项目日益增多，而根据水厂工艺系统设计流程需要，部分水池为埋地水池，故存在抗浮设计问题。结构设计人员应根据勘察部门提供的抗浮设防水位对池体在施工阶段、正常使用阶段以及临时检修阶段进行池体抗浮稳定分析，采取可靠、有效的抗浮措施来确保池体结构稳定。本文通过不同水文、地质条件下埋地水池抗浮设计水位分析，结合实际案例采取合理抗浮措施，在确保结构稳定安全的情况下，实现抗浮设计的合理性和经济性。

1 抗浮设防水位的确定

福建省地处沿海丘陵地带，水厂建设场地有滨海滩涂，也有丘陵山区，水文、地质条件变化大，所以埋地水池的抗浮设计措施不能一概而论，应进行有针对性的分析论证。抗浮设计概念是根据抗浮设防水位和工程经验等形成的抗浮设计原则和设计思想，以及选择抗浮措施和确定抗浮治理方案的活动[1]。抗浮设防水位是埋地水池的抗浮设计的基础数据，对抗浮设计的合理性、经济性起到至关重要的作用。抗浮设防水位的确定同时也是个争议性很大的话题，抗浮水位定太高，抗浮成本急剧增加，满足不了业主对工程成本的控制；抗浮水位定太低，存在抗浮失稳风险。但是抗浮水位精确确定难度非常大，即使充分考虑当地水文、地质条件和工程经验也只能初步确定，需要勘察与设计人员充分沟通，以此确定满足安全、合理的抗浮设计水位和抗浮措施。水处理构筑物抗浮水位的确定：

（1）建设于山地上的水厂，设计抗浮水位时，应考虑厂区周边水文环境，是否存在较大溪流及大型流域，是否存在汇水面积较大的冲沟等。场地总平设计时，场地周边应设置截洪沟，能及时将场地地表水从截洪沟排泄出场地。确定抗浮设防水位主要根据周边水系防洪水位或场地稳定地下水位确定。同时考虑水池单体基础持力层地质情况对抗浮水位的影响。若池体底板基础持力层为排水条件较好的砂性土，地表做了可靠的排水系统，则不考虑地表水对池体抗浮水位影响；若基础持力层为基岩，则可以考虑基底及四周设置排水盲沟，减少地表水渗入基底无法及时排走，对基底产生上浮力，同时抗浮设防水位较地下稳定水位做一定提高[5]。

（2）建设于滨海滩涂的厂区，应重点关注城市防洪内涝水位，考虑周边水系系统的互补作用，做最不利情况的考虑。根据《福建省工程建设地方标准》规定，当无经验时，对滨海和滨江的城镇地区抗浮设防水位可取场地整平标高按埋深0.5m 考虑抗浮设防水位[3]。

2 水池抗浮设计的关键点

抗浮工程应根据工程地质和水文地质条件的复杂程度、地基基础设计等级、使用功能要求及抗浮失效可能造成的对正常使用影响程度或危害程度进行重点分析、论证。给水厂及污水厂水处理构筑物一般采用钢筋混凝土结构，常规工艺流程中，净水厂埋深较大的建构筑物主要有：二级泵房、清水池、排泥水调节池；污水厂中埋深较大，体量大，抗浮失稳风险较高的有：氧化沟、二沉池、生化池，这些池体是抗浮设计的重点关注对象。其他埋深小，体量不大的池体，采用结构自重抗浮最为经济、有效。

对需要重点关注的池体的抗浮设计，结构设计人员应进行经济、技术比较，确定合理、有效的抗浮工程设计方案。设计人员应主动与上游专业沟通，在满足上游专业工艺流程、使用功能要求的情况下，尽可能减少池体埋深，减小设防标准内的水浮力作用；若无法减少池体埋深，则通过改善结构体系，增加受力构件，避免出现整体抗浮满足，而局部抗浮不足的情况；若整体和局部抗浮都不满足要求时，则应增加配重层（又称压重法），或增设抗浮锚杆、抗拔桩等抗浮措施。每种方案应经过可实施性、可靠性、安全性论证，选择相对经济、合理的方案实施。

由于水厂水处理构筑物在正常使用阶段，除了净水厂二泵房为地下空间结构，必须考虑常态抗浮，其他蓄水池池体空池概率极低，而在池内蓄水状态，不需要考虑抗浮问题。故这些蓄水水池使用阶段的检修期可通过适当的管理制度，规定池体空池检修时间应避开雨季、台风季节，并在池体外周设置地下水位监测井，底板下设置滤水层、汇水层及集水管，并形成有效连通系统，在监测井内设置液位控制泵，做好临时应急抽排水，将抗浮设计水位调整至合理标高，可大幅度减少抗浮设计措施费用。

3 抗浮设计措施

（1）根据抗浮设防水位，结合上部结构形式，计算空池时抗浮设防水位下的水浮力作用，抗浮稳定验算包括整体抗浮与局部抗浮两个方面。两者验算后抗浮系数均满足规范要求时，称之为结构自重抗浮[2]。

（2）对抗浮验算不满足整体或局部抗浮验算时，应采取其他抗浮措施，对只存在较小的整体抗浮不满足时，可以通过增大结构构件截面增加自重，特别是顶板或底板厚度，也可通过增加底板外挑尺寸，增加覆土重或底板配重来保证抗浮。对于局部抗浮不满足要求时，可增加传力构件，比如增设内隔墙，以减少局部区域水浮力，也可通过局部设置抗浮锚杆、抗浮桩来增加抗浮能力，底板面增设混凝土配重层也能有效解决局部抗浮不足的问题[4]。

（3）施工、使用阶段严格控制地下水位来保证抗浮稳定。池体施工阶段，池体内外均有进出预留未封堵的管道贯通，基坑做好降水排水措施，能确保池体抗浮稳定；使用阶段，池内大概率工况为蓄水状态，不存在抗浮问题；池体需要临时放空检修，但由于检修时间长短、频率不能确定，可以在池体四周设置水位观测井，并在放空检修期间，设置液位控制泵，及时抽排地下水至抗浮设防水位标高，即泄水降压法。采用降压法具有局限性，如果池体体量大，底板结构刚度太小的池体，短时强降雨后地表水涌入和地下来水无法及时排走，则容易引起底板突发上浮事故，不建议采用。

4 抗浮设计案例分析

福建省某县级污水处理厂建设工程，建设场地为山地，其中二沉池埋深4m（场地整平面至基础底），为内直径28m 圆形水池，仅外周设400mm 厚侧壁，底板厚500mm，底板外挑500mm。

根据勘察报告，地下水埋藏条件和含水性质分类，场地地下水主要为赋存于各岩土层中孔隙潜水，主要接受地表水及大气降水的补给，与场地西侧溪流存在补给关系。场地排洪系统通畅，不存在场外大面积汇水入场内，抗浮设防水位按溪流洪水期最高水位定为整平标高以下2m。由于本单体底板面积大，且无内隔墙，底板局部抗浮不满足要求，需要进行抗浮设计。

根据规范要求，水处理构筑物抗浮工程设计等级为乙级，使用期抗浮稳定安全系数w=1.05。基础底板持力层以下6m 范围均为碎石层，初步确定可采用以下两种方案进行抗浮设计验算：

（1）底板增设毛石砼配重层抗浮

施工工序：基础结构底板施工完毕，浇筑毛石砼配重层。抗浮配重层工程造价约为22 万。

（2）底板底增设锚杆抗浮

根据《建筑工程抗浮技术标准》锚杆法要求确定锚杆参数：锚杆直径至少150mm，锚杆长度暂定6m；锚固体细石混凝土强度等级C30；注浆锚固体与土层间粘结强度标准值qsia=110kPa。由于锚固段土体为碎石层，为确保成孔质量，需要设钢套筒护壁。单根锚杆极限抗拔承载力标准值=πd∑λi qsia1i=3.14×0.15×0.8×110×6=240kN。

根据规范要求：抗浮设计等级为乙级的工程，按裂缝控制进行设计，在荷载效应标准组合下锚固浆体中拉应力不应大于锚固浆体轴心受拉强度，取锚杆直径200mm，锚杆抗拔承载力特征值取70kN。

施工工序为：施工准备→锚杆支座、钢套管加工→定位→打入钢套管→钢套管内钻孔→清孔→下锚杆→一次注浆→拔出钢套管→二次注浆→养护→锚杆抗拔试验。定额综合单价约330 元/m。总造价（含检测费）约18 万。

两种方案从安全性、可实施性、施工工期以及经济性进行比较，见表1。

表1 两种方案比较

经过分析比较，采用增设配重层抗浮安全性更高，可实施性更强，施工工期短，不可确定因素少，更为合理。目前项目已实施并运行，效果良好。

5 结束语

水厂建设工程为生命线工程，与人们生活息息相关。满足设防标准的抗浮设计是埋地水池结构安全稳定的关键要素，但同时抗浮设计也对工程造价产生直接的影响，所以勘察单位应通过收集复杂的水文、地质资料，科学的分析，确定合理的设计抗浮水位，结构设计人员进行抗浮设计时应多方案比较，选择合适的抗浮措施，并加强使用阶段临时检修时间内地下水位控制，在安全稳定的基础上确保抗浮设计有更好的经济性和合理性。