超大容积地下事故应急池设计思路

李仁宝

(山东港口日照港集团，山东日照 276800)

引言

近年来，随着环保要求的日益严格，各石油化工建设项目均要求建设事故应急池，能有效地收集外溢物料、含油污水、初期污染雨水和消防事故水等污染废水，以免事故污染废水进入环境水体而造成环境污染事故。

目前，国内常规事故应急池最大容积约1万m3～2万m3，采用地下式或地上地下组合型式，池深1～5 m，池体靠自身实现抗浮稳定，仅适用于中小型事故池或土地资源富裕的场地。对于超10万m3的事故应急池，浅池结构占地近2万m2～10万m2，占用大量生产用地，造成土地资源的浪费。因此，为适应环保政策对超大型事故应急池建设需要，本文以日照港岚山港区中作业区10万m3事故应急池工程为依托，提供一种事故应急池设计思路。

1 工程概况

1.1 工程建设地点与规模

工程位于日照港岚山港区中作业区，需配套建设10万m3事故应急池，满足意外事故后原油储罐外溢物料、消防事故水等收集需求。

图1 总平面布置图

1.2 设计条件

1）设计水位

港区设计水位如下（岚山港区理论最低潮面起算）：

设计高水位 5.34 m；

设计低水位 0.63 m；

极端高水位 6.48 m；

极端低水位 -0.55 m。

2）地下水类型及含水层特征

勘察深度范围内地下水类型为潜水与承压水。潜水水位埋藏较浅，主要赋存于场地的①1冲填土（粗砾砂）和①2冲填土（中粗砂）中。勘察期间场地地下水稳定水位一般在+4.06～+4.92 m之间。

承压水主要赋存于场地内的基岩裂隙中，其上部的各黏性土层为相对隔水层，侧向径流和越流为其主要补给与排泄方式。承压水水头为+3.22 m。

场地的西北侧距离道路（路基由碎石或块石抛填形成，与中区港池连通）较近，地下水位在观测时间内受潮汐影响明显，潜水水位变化幅度较大；其它场区地下水位变化较小，受潮汐影响不明显。

3）地质条件

勘察结果表明，钻探揭露深度内岩土层自上而下可依次划分为：（一）人工填土层：素填土（碎石）、冲填土（粗砾砂混黏性土）、①1冲填土（粗砾砂）、①2冲填土（中粗砂）、冲填土（黏性土混砂）、①3冲填土（黏性土）等；（二）海相沉积层：②1黏土；（三）陆相沉积层：③1粉质粘土；（四）风化岩：④2-1强风化岩（碎屑状）、④2-2强风化岩（碎块状）及④3中风化岩。

图2 地质钻孔剖面图

4）地震

依据《中国地震动参数区划图》(GB18306-2015)，Ⅱ类场地地震动峰值加速度αmaxⅡ为0.10 g，对应的地震烈度为7度，场地基本地震动加速度反应谱特征周期分区值为0.45 s；依据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010，2016年版），抗震设防烈度为7度，设计地震分组为第三组。

2 关键技术问题

2.1 有效容积

根据环保相关管理规定，事故应急池宜采用地下式结构[1]，以利于收集废水防止漫流。事故废水尽可能以非动力自流方式[2]（重力流）进入事故应急池。事故池规模应满足有效容积要求，即排水管道在自流进水的事故池最高液位以下的容积。

本工程建设规模为建设有效容积为10万m，拟建设2座Φ65 m×17 m(H)圆形水池。水池底标高为-10 m，罐区地面标高为6.5 m，水池最高液位按6.0 m计，故水池有效水深为16 m，单座水池有效容积不小于5万m³，满足建设要求。

2.2 安全防火间距检查

事故应急池距库区工程内相关设施和建构筑物的防火间距应进行检查，防火间距应符合规范要求，详细检查项目及依据标准详见下表。

表1 检查项目与依据标准表

2.3 抗浮水位确定

地下结构抗浮设计，首先需要确定抗浮水位。地下结构抗浮安全出现问题，多数都出在抗浮水位的选取上。本工程抗浮水位的选取依据以下几方面因素。

1）观测地下水位

根据勘察期间观测结果，场地地下水稳定水位一般在+4.06～+4.92 m之间。场地的西北侧距离道路（路基由碎石或块石抛填形成，与中区港池连通）较近，地下水位在观测时间内受潮汐影响明显，潜水水位变化幅度较大。

2）承压水位

勘察对上部潜水层采取止水措施，对承压水水头进行了观测，承压水水头为+3.22 m。

3）规范要求

依据《建筑工程抗浮设计标准》（JGJ476-2019），基坑抗浮设防水位取水池外地面标高。

基于以上三点，施工期水位取设计高水位(5.34 m)、地下水位(4.92 m)、承压水位(3.22 m)中最大值，设计中施工水位取5.34 m；使用期水位取极端高水位（6.48 m）、抗浮水位（7.0 m）、承压水位（3.22 m）中最大值，设计中使用期水位取7.0 m。

2.4 抗浮设计方案比选

抗浮稳定一般采用抗拔锚桩结构，其结构受力明确、耐久性好、锚桩与底板整体浇筑防渗效果好、适用于各种岩土类型、施工较为成熟。

近10年来，抗浮锚杆大量应用于建筑行业地下室抗浮结构中，因其施工便捷、效率高，在青岛、大连、成都、泉州等地均有应用。

为验证抗浮锚杆是否适用于本工程，笔者调研了大量工程案例。经调研，地下室结构受上部建筑物压载，多数抗浮锚杆受力较小，所需抗拔承载力设计值一般小于200 kN[3-7]，采用抗拔型锚杆，间距1.5～1.7 m（规范要求的最小间距）,锚杆直径15～20 cm。为提高锚杆抗拔承载能力，各科研单位对抗浮锚杆进行了大量研究，如高压喷射扩大头锚杆、高强精轧螺纹钢锚杆、抗压型锚杆[3,8-10]等，可将承载力提高至400～500 kN，但其实际应用很少。同时，目前对抗浮锚杆的研究主要集中在其抗拔承载力试验研究[11-13]上，对锚杆在长期上浮力作用下的蠕变几乎没有研究，也没有长期监测数据作为支撑。而本工程池深17 m，抗浮水头18.5 m，水池为敞口结构，没有上覆压载，所需抗拔承载力设计值为650 kN，已远超常规锚杆抗拔承载力。

锚杆对岩基裂隙发育较为敏感，对勘察钻孔数量和精度要求较高。锚杆的防腐问题及锚杆与底板之间的承压水头的封堵和止水要求也较为严格，勘察和施工的难度都很大。

本工程地勘资料显示，下卧土层为强风化火山碎屑岩（厚度8～15 m）和中风化火山碎屑岩，岩体完整程度为差～较差，裂隙发育（组数＞3组）。对于本工程这种常年处于大水头（18.5 m）浮托力作用、所需抗拔承载力已超出常规抗浮锚杆承载能力、岩体裂隙很发育的地质，抗浮锚杆易失效。

为保证事故应急池抗浮安全、降低日常维护难度，超大型地下应急事故池抗浮设计推荐采用抗拔桩结构。

2.5 防水防渗措施

为防止消防事故水外溢或渗漏，事故应急池应采用足够的防渗措施。根据《石油化工钢筋混凝土水池结构设计规范》(SH/T 3132-2013)，事故应急池采用三级防水等级，要求任意100 m2防水面积上的漏水或湿渍点数不超过7处，单个漏水点的最大漏水量不大于2.5 L/d，单个湿渍最大面积不大于0.3 m2，水池混凝土抗渗等级不少于P8，并应进行蓄水试验。

本工程池壁采用圆形地连墙和衬砌组合结构。采用以下防水防渗措施：

1）池壁及底板采用抗渗等级P10混凝土；

2）采用圆形地连墙结构，受土体挤压产生环向压应力，槽段间较为紧密，可作为防渗结构的一部分；

3）地连墙槽段连接处外侧设Ф900高压旋喷桩防渗帷幕，内侧设0.5 m厚衬砌进行防水封堵；

4）地连墙下采用高压灌浆方式，使地连墙与下部风化岩体成为一体，形成截渗结构；

5）事故应急池防水措施由止水带、嵌缝板及嵌缝密封料三部分组成。止水带采用埋入式丁晴橡胶止水带并配合有机防水涂料，嵌缝板宜选用具有适应变形功能的板材，嵌缝密封料应采用混凝土建筑接缝用密封胶。

2.6 温度应力

底板直径64 m，厚度1.5 m，为大体积混凝土结构，为减少底板温度应力对结构的影响，设计考虑以下措施：

1）底板分块布置，底板之间设结构缝；

2）地连墙与底板间设结构缝，减少底板变形对地连墙负弯矩的影响；

3）由于灌注桩完全入强风化岩，底板在温差下产生位移，将导致灌注桩与底板连接处内力增大。设计中应考虑温差变化对灌注桩及底板内力的影响。

3 设计方案

3.1 平面布置方案

本工程规模主要根据收集10万m3泄漏事故液所需容积确定。为减少占地面积，结合建设方需求应急池拟采用圆形深池形式。布置2座有效容积为5万m3事故池，事故池结构内直径65 m（有效直径64 m），池底高程-10.0 m，池顶高程7.0 m，两池并列布置，池间净距7.6 m。为便于施工，池体距两侧护岸堤脚间距10 m。

3.2 进水排水方案

1）进水方案

根据环保要求，事故池建议采用重力自流方式进水。保证进水效果，采用排水沟（明排方式）排向事故应急池；排水沟进池需穿越库区围墙和库外道路，有污废水外溢的风险；穿围墙前设转换闸门井，改为暗管接入事故应急池。

为限制平时清洁雨水进入事故池，增加维护工作量，转换井内设铸铁闸门，平时关闭，防止库区雨水入池；事故时，由应急管理人员视事故程度确定是否使用事故应急池，需要将库区事故污废水导入事故应急池储存时，可远程或就地开启闸门排水。

2）排水方案

设置2套压力排水系统，上层含油率较高的污废水通过自吸水的活塞转子泵加压排出，下层含油率较低的污废水由潜水排污泵加压排出；排出的污废水均排至雨水监控池，加压输送至港区含油污水处理厂集中处理。

图3 事故水进水排水系统图

3.3 结构方案

根据工程地质、荷载情况及施工条件，池壁采用圆形地连墙结构，既作为施工的临时支护，又作为应急池壁主体结构。应急池墙厚1.2 m，墙底高程-23 m。地连墙槽段连接处外侧设Ф900高压旋喷桩防渗帷幕，并在地连墙内侧设0.5 m厚衬砌以进行防渗处理。为满足事故应急池防渗要求，对地连墙底下岩体进行高压帷幕灌浆，灌浆按单排孔设计，孔距约为1.5 m，入中风化岩4 m，使地连墙与下部风化岩体成为一体，形成截渗结构。

应急池内土体分四层开挖，边开挖边沿地连墙高度方向自上而下进行钢筋混凝土帽梁、圈梁的施工，同时进行基坑内排水。

应急池底板采用与地连墙分离式结构，底板厚1.5 m，分段浇筑。地连墙与底板间、底板各结构段间采用橡胶止水带、嵌缝板及嵌缝密封料进行止水。底板通过Ф1 000灌注桩嵌岩桩（锚桩）进行拉锚，灌注桩间距为4.4 m，要求进完整性较好的中风化岩至少3 m，以满足抗浮稳定要求。

图4 结构断面图

4 结语

本文从有效容积确定、安全防火间距检查、抗浮水位确定、抗浮设计方案比选、防水防渗措施、温度应力及计算模式等方面论述了超大型事故应急池设计关键技术问题及解决方案，并以日照港岚山港区中作业区10万m3事故应急池工程为依托，提出工程设计方案及设计思路，为今后类似工程建设提供一定的参考。