張琪， 朱揚帆， 谷昊偉

（中節(jié)能國禎環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?， 合肥 230088）

近年來， 隨著中國經濟的持續(xù)發(fā)展， 生活、 工業(yè)用水量都在大幅增加， 為保護水資源、 治理水污染， 大量的給排水設施如雨后春筍般發(fā)展起來。 針對城市用地越來越緊張的現狀， 全地埋式污水處理廠具有環(huán)境污染小、 噪音污染小、 節(jié)約土地資源、地面可做綠化等優(yōu)點， 自廣州京溪污水處理廠以來， 在全國陸續(xù)推廣開來。 本文以安徽省某全地埋式污水處理廠為例， 從工藝總圖布置、 工藝流程設計、 結構計算、 變形縫設置、 抗浮設計等方面進行了難點分析， 可為其他類似工程的建設提供借鑒。

1 工程概況

本工程位于安徽省， 占地約90 畝（6 萬m2， 含代征市政道路和綠地）， 服務范圍66 km2。 設計規(guī)模為20 萬m3／d， 其出水水質中TP、 TN、 氨氮、 COD 4 項主要指標的質量濃度分別不高于0.3、 5、 1.5、30 mg／L， 其余指標要求穩(wěn)定達到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級A 標準， 設計進出水水質如表1 所示。 尾水排放至南淝河。 地上布置為景觀綠地， 地下分2 層， 地下一層為操作層， 層高5.7 m， 地下二層為水處理層， 層高10 m，地下箱體占地面積為37 807 m2。 地面設計為景觀公園。 該工程平面尺寸為237.7 m×170.0 m， 平均埋深約為17 m， 抗震設防烈度為7 度， 設計基本地震加速度值為0.10 g（第一組）。 場地為中軟場地土， 建筑場地類別為Ⅱ類， 基礎持力層為中風化巖。

表1 設計進出水水質Tab. 1 Design influent and effluent water quality

2 工藝設計難點分析

（1） 出水水質要求高。 全地埋式污水處理廠采用“A2／O＋深度處理”［1］的核心路線， 出水水質需穩(wěn)定達到GB 18918—2002 中一級A 標準， 其中出水TP、 TN、 氨氮、 COD、 出水水質應達到地表水Ⅳ類水質標準。

（2） 進水水質波動較大。 從該廠址周邊某污水處理廠2008 ～2014 年實測進水水質看， 該廠進水水質的波動較大。 本次設計中應充分考慮進水的波動性， 增強全地埋污水處理廠的抗沖擊負荷能力，確保出水穩(wěn)定達標。

（3） 采用全地埋式設計， 結構等專業(yè)要求標準高。 除綜合管理用房外， 所有污水、 污泥處理構（建）筑物及附屬生產建筑物均位于地下箱體內， 箱體頂部為景觀綠化、 必要的人員疏散出口及氣體排放設施。 占地面積緊湊， 構筑物布置、 管線設計、結構設計等非常復雜［2］。 具體三維示意見圖1。

圖1 某全地埋式污水處理廠三維示意Fig. 1 Three-dimensional view of a whole buried sewage treatment plant

廠址處的路面標高由西至東為18.00 ～20.00 m（吳淞高程）， 要求凈水廠頂層（結構層）標高不高于20.00 m（吳淞高程）。 為便于設備、 材料運輸， 操作層層高不小于5.7 m。 全地埋污水處理廠至少應有4 個對外出入口， 能滿足載重量20 t 汽車通行要求。 廠內至少有2 個車行通道， 通道凈寬不小于6.00 m， 荷載滿足載重量20 t 汽車滿載要求； 廠內人行通道除滿足滿載消防疏散要求外， 還應便于污水處理廠運行管理； 廠內應設有各設備的起吊、 運輸設備， 并留有設備檢修與維護的空間和通道。

（4） 環(huán)境保護要求高。 由于工程規(guī)模較大， 構筑物表面積也大， 設備裝機功率高， 且均位于密閉的地下空間內， 故處理過程中的污染物（如臭氣、噪聲等）對內部空間的影響極大， 因此對環(huán)境保護的要求也相應更高。

（5） 消防、 安全要求高。 由于本工程為全地埋式， 消防系統(tǒng)、 人員安全疏散及安全生產要求高。

3 總體工藝路線

根據設計進出水水質， 確定本工程采用“污水強化二級處理＋深度處理”的總體工藝路線。 通過對各種類型的A2／O 工藝的比較、 分析， 結合本工程特點， 本方案選用以改良A2／O 工藝為主的活性污泥法工藝方案， 污水深度處理工藝方案確定為反硝化深床濾池工藝， 工藝流程如圖2 所示。 脫水采用離心脫水機， 脫水后泥餅含水率小于80%，除臭采用生物除臭法集中進行除臭處理。

圖2 污水處理廠工藝流程Fig. 2 Process flow of sewage treatment plant

對改良A2／O 工藝的運行模式、 功能區(qū)布置進一步改進、 優(yōu)化， 以滿足本工程的需要。 主要優(yōu)化措施包括：

（1） 曝氣池采用完全混合式布置， 提高系統(tǒng)抗沖擊負荷能力。 在改良A2／O 工藝基礎上， 通過將好氧區(qū)分為串聯的2 個或3 個獨立區(qū)域， 每個區(qū)域通過推流器實現污水的完全混合， 從而強化了每個區(qū)域中的系統(tǒng)環(huán)境和生物相， 提高處理效率， 也易于控制各分區(qū)的曝氣量， 從而克服了完全推流的不足， 達到提高污水處理效果和節(jié)約能耗的目的。

（2） 曝氣池水深8.5 m， 減小曝氣池占地面積，提高氧轉移率， 降低能耗［1］。

（3） 分兩段布置缺氧區(qū)， 強化TN 去除， 降低混合液回流比。 第2 段缺氧區(qū)除布置攪拌器外， 還布置了曝氣系統(tǒng)， 可按缺氧池運用， 也可按好氧池運行。 通過運行模式調整， 可提高系統(tǒng)對進水水質波動的應變能力， 同時， 可大大降低內回流比， 降低運行成本。

（4） 曝氣鼓風機采用精確曝氣控制系統(tǒng)， 在保證處理效果的前提下， 節(jié)省能耗。

4 結構設計難點分析及優(yōu)化

大型全地埋式污水處理廠采用集約化組合式的結構設計形式， 主要構筑物組合設計為地下箱體結構， 埋深較大。 本工程地下箱體埋深達到16.80 m，計算模型的選擇對箱體截面尺寸及配筋影響較大。地下箱體長度超過200 m， 屬于超長混凝土結構，且箱體采用共壁技術以減少構筑物的占地面積， 如何合理選擇并設置變形縫對結構整體性以及后期使用維護的影響較大。 箱體埋深大， 抗浮方案及抗浮設計水位的的選擇對工程造價的影響大。 針對上述設計難點進行以下幾個方面的淺析：

4.1 大型地埋式污水處理廠計算模型的選擇

選擇合理的簡化計算模型， 合理確定結構斷面， 使其配筋率在經濟配筋率范圍內， 重點為計算模型的選擇：

（1） 方法一： 傳統(tǒng)的水池結構簡化計算。 根據水池結構設計規(guī)程［3］和設計手冊［4］， 通常將水池池壁根據受力情況簡化為板進行計算。 箱體長高比遠大于2 時， 簡化為單向受力模式， 取1 m 寬板帶計算。 水池池壁主要受到池外水土合力以及池內水壓力的作用， 計算簡圖如圖3 所示。

圖3 主池壁計算簡圖Fig. 3 The main wall calculation

根據規(guī)范規(guī)定， 豎向單向板的豎向彎矩可以按照連續(xù)梁模型計算， 水平向彎矩仍按板塊模型計算。 在豎向， 雙層式污水處理廠池壁可以視為兩端固支， 中間支座簡支的連續(xù)梁， 通過理正工具箱計算得到豎向彎矩如圖4 所示。

圖4 準永久組合豎向彎矩Fig. 4 Quasi-permanent combined vertical bending moment

（2） 方法二： 基于有限元的計算。 選取以引發(fā)縫分割的各部分水池分別建立模型［5］， 對布局進行簡化， 如圖5 所示。 池壁及頂板、 底板采用厚板單元（考慮剪切變形）， 梁柱采用梁單元。 外側水土壓力分別按流體壓力荷載加載到池壁上。 用面彈性支承模擬地基土對水池底板的豎向支承作用， 引發(fā)縫位置采用約束相應水平方向的自由度， 底板四角4個節(jié)點約束X、 Y 2 個方向的自由度來模擬池體在整體結構中的實際情況。 外側主池壁， 負一層原設計厚度為600 mm， 負二層原設計厚度為1 000 mm， 針對負二層建模分別按1 000、 900、 800 mm進行模擬。 有限元計算模型如圖5 所示。

圖5 有限元計算模型Fig. 5 Finite element calculation model

2 種算法計算結果對比分析如表2 所示。 采用有限元算法模擬得出的彎矩在池壁底部與底板交接處較規(guī)范算法較小， 但層高一半左右位置的彎矩則更大。 采用有限元算法更為接近真實受力情況， 在截面尺寸不變的情況下， 鋼筋用量比原設計節(jié)省了約7.8%。

表2 優(yōu)化設計水池池壁受力對比Tab. 2 Optimized design of pool wall stress constrast

4.2 超長混凝土水池的變形縫設置

混凝土結構設計規(guī)范及給水排水工程構筑物結構設計規(guī)范對伸縮縫間距均有明確要求： 地下式或有保溫現澆式鋼筋混凝土結構， 伸縮縫間距不宜大于30 m［6］。 地下箱體長度超過200 m， 屬于超長混凝土結構， 規(guī)范要求宜設置適應溫度變化的伸縮縫， 考慮到設置大量伸縮縫會導致結構整體性較差、 容易產生滲漏， 本工程混凝土采用補償收縮混凝土， 同時設置膨脹加強帶＋引發(fā)縫的構造將池體分割為單個長度約70 m 的單元［7］。 在不影響工藝流程的前提下， 將變形縫設置為不完全收縮縫（引發(fā)縫）的形式， 既保證結構的整體性， 又有效地傳遞地下室外側土壓力產生的水平軸向力， 使地下室外墻兩端對稱受力， 改善了框架的受力狀態(tài)。 污水處理廠與周邊車道采用沉降縫。 在變形縫中設置CB400×10－30 橡膠止水帶， 收縮縫兩側（或單側）設置30 mm×30 mm 槽口并用密封膏材料嵌縫。

4.3 抗浮方案及抗浮設計水位的選擇

地下箱體持力層為基巖， 經方案比選， 采用錨桿抗浮更為經濟合理。 地勘報告顯示， 現狀水位埋深為地表下0.9 ～5.6 m， 標高11.70 ～15.59 m， 地下水位年變化幅度為3.00 m。 當地的地下建（構）筑物抗浮設防管理規(guī)定， 建議抗浮設防水位為建（構）筑物設計室外地坪下1.0 m， 但擬建場地地勢南高北低， 南側道路路面標高18.80 ～20.00 m， 北側路面標高14.50 ～15.50 m。 根據以上資料， 本工程抗浮設計水位如按百年一遇洪水位取16.20 m 進行抗浮穩(wěn)定性設計， 則需要錨桿總長約65 300 m。

根據國內工程慣例， 抗浮措施除工程措施以外（工程措施包括配重、 抗浮錨桿、 抗拔樁等）， 還可采用管理抗浮， 如沿構筑物周邊設置地下水位觀測井， 觀測池外地下水位標高， 當地下水位標高或河洪水位標高超過管理抗浮設計水位時， 不得放空檢修。 若采用管理抗浮， 即降低抗浮設計標準， 可以減少一定工程量， 但存在管理風險， 管理難度較大?？紤]項目建設單位有較為專業(yè)的運營管理團隊， 在項目建成后對運行水位和工程檢修的管控有充足的把握， 決定采用管理抗浮措施， 將抗浮設計水位從16.20 m 調整至14.60 m， 設置水位觀測井， 優(yōu)化后抗浮錨桿總長約43 700 m， 總長度節(jié)約33%。

5 結語

大型全地埋式污水處理廠的水處理層與操作層均位于地下， 且布置高度集約化， 運行管理均集中在相對密閉的地埋式車間內， 對污水處理廠的設計、 建設、 運營管理等各方面的要求均高于傳統(tǒng)的地上污水處理廠。 尤其針對大型地埋式箱體的結構設計， 對結構布置、 箱體的結構計算分析模型、 變形縫的設置、 抗浮設計水位的選擇， 均提出了更高的要求； 在結構安全合理的前提下， 通過優(yōu)化設計能夠有效降低工程成本。 工程建成后， 出水水質長期穩(wěn)定優(yōu)于設計標準， 可直接用于綠化灌溉、 洗車、 澆地， 還可補充近河水量。 同時， 結合地上景觀設計， 建成以水文化為主題的市民休閑廣場， 滿足體育健身、 科普教育、 城市綠地3 大功能要求。立體開發(fā)節(jié)地率達70%。 體現了人與自然和諧共處， 值得推廣借鑒。