污水處理廠大型水池結(jié)構(gòu)設(shè)計探討

姜 濤

(上海市同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計研究院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

隨著國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展從粗放式向集約式轉(zhuǎn)變，國民環(huán)保意識逐步提高。十八屆三中、四中全會將生態(tài)文明建設(shè)提升到制度層面，十八屆五中全會又將“綠色”寫入了新發(fā)展理念，隨著《生態(tài)文明體制改革總體方案》《關(guān)于加快推進(jìn)生態(tài)文明建設(shè)的意見》《水污染防治行動計劃》《大氣污染防治行動計劃》等指導(dǎo)文件相繼出臺，我國生態(tài)環(huán)保的頂層制度設(shè)計已然完成。

污水處理廠作為水處理的終端和重要環(huán)節(jié)，作用不可忽視。大型污水池又是污水處理廠的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)質(zhì)量一旦發(fā)生問題，往往維修成本巨大。本文對常規(guī)大型污水池的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行分析，探討保證其質(zhì)量的方法和措施，努力尋求工程質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益的平衡點，望可為實際工程提供一定參考。

1 工程概況

某污水處理廠一大型污水池，平面尺寸為90.60 m×62.20 m，池高8.05 m，設(shè)計水深7.50 m，基坑深度4.00 m，采用鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)。

根據(jù)地勘報告，地質(zhì)情況如下：

1)雜填土①-1：雜色，密實度不均勻，松散，主要由中、粗砂混合粘性土組成，含大量磚塊、混凝土塊、碎石等建筑垃圾，一般粒徑4 cm～10 cm不等，屬新填土，層厚2.50 m～3.50 m。

2)素填土①-2：黃褐、灰褐等色，稍濕，松散，主要由粘性土混合少量淤泥及粉砂組成。屬新填土，層厚2.800 m～4.60 m。

3)淤泥②-1：灰黑色，含有機(jī)質(zhì)，具腥臭味，局部混少量粉細(xì)砂及腐木。光澤反應(yīng)光滑，飽和，流塑狀態(tài)，平均厚度為2.20 m。

4)淤泥質(zhì)土②-2：灰黑色，含有機(jī)質(zhì)，略具腥臭味。含約22%～30%的粉細(xì)砂，局部含貝殼碎屑。光澤反應(yīng)光滑，飽和，流塑狀態(tài)，平均厚度為1.90 m。

5)中砂③：灰黑色，成分為石英，不均勻含10%～25%的淤泥質(zhì)粘粒，飽和，松散狀態(tài)，平均厚度為3.80 m。

6)全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖④-1:紫紅、灰褐色，絕大部分礦物已風(fēng)化成土狀，可見殘余結(jié)構(gòu)，手捏有砂感，巖芯呈土柱狀，合金鉆具易鉆進(jìn)，揭露層厚0.50 m～1.30 m。

7)強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖④-2:紫紅、灰褐色，泥質(zhì)膠結(jié)、層狀結(jié)構(gòu)，裂隙發(fā)育，巖芯以塊狀、短柱狀為主，局部呈半巖半土狀，巖塊用手可折斷，合金鉆具易鉆進(jìn)，揭露層厚1.40 m～6.40 m。

8)中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖④-3:紫紅色，泥質(zhì)膠結(jié)、層狀結(jié)構(gòu)，巖體完整、裂隙稍發(fā)育，巖芯以柱狀、長柱狀為主，少量呈短柱狀，合金鉆具鉆進(jìn)困難，揭露層厚3.60 m～4.70 m。

場地土對混凝土結(jié)構(gòu)具微腐蝕性，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具微腐蝕性；場地地下水對混凝土結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具微腐蝕性。

場地抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計基本地震加速度值為0.05g，設(shè)計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類，設(shè)計特征周期值為0.35 s。

2 基礎(chǔ)和基坑設(shè)計

因軟弱土層較厚，且地下水位較高，池體有抗浮要求，從經(jīng)濟(jì)性考慮采用預(yù)應(yīng)力管樁基礎(chǔ)，以強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖④-2作為樁端持力層。由于十字型樁尖加工簡便，價錢低廉，破巖能力強(qiáng)，故采用十字型樁尖。

基坑開挖深度為4.00 m，場地開闊，故可采用單級放坡開挖，坡率1∶2.0，明溝加集水坑排水。因施工期間多雨且表層土土質(zhì)較差，故采用50 mm厚噴射混凝土面層，內(nèi)設(shè)雙向鋼筋網(wǎng)并設(shè)坡面插筋。施工期間應(yīng)進(jìn)行基坑變形監(jiān)測，若邊坡難以穩(wěn)定則考慮進(jìn)一步放緩坡率并采用鋼板樁、攪拌樁進(jìn)行邊坡加固。

3 池體設(shè)計

池體設(shè)計水深7.50 m，池壁若按單向板設(shè)計則所需壁厚達(dá)900 mm，極不經(jīng)濟(jì)。故考慮間隔3 m～4 m設(shè)置扶壁，將池壁簡化為下部頂端自由雙向板和上部水平單向板，所需池壁厚度可減為300 mm。

因池體內(nèi)部連通，運(yùn)行時水位基本相同，不均勻荷載較小且采用樁基礎(chǔ)，故中部底板可減薄，厚度從四周900 mm減為500 mm。

池體屬露天環(huán)境且未設(shè)置外部保溫層，按《給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》分別在X向、Y向設(shè)置4道、2道伸縮縫，將池體劃分為15個約20.00 m×20.00 m區(qū)格，并注意與扶壁設(shè)置相配合。

伸縮縫一般由橡膠止水帶、填縫板、嵌縫密封膠三部分組成，形成止水帶和密封材料雙重止水防線，其寬度根據(jù)結(jié)構(gòu)的伸縮變形量確定。當(dāng)?shù)啬隃夭?0 ℃，20 m長鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的變形量為6 mm～7 mm，取橡膠止水帶的變形率為25%，可得所需變形縫寬度為24 mm～28 mm，實際設(shè)計伸縮縫寬30 mm。

對盛水構(gòu)筑物進(jìn)行抗震驗算時，當(dāng)構(gòu)筑物高度1/2以上埋于地下時，可按地下式結(jié)構(gòu)驗算；當(dāng)構(gòu)筑物高度1/2以上位于地面以上時，可按地面式結(jié)構(gòu)驗算。抗震計算包含在自重慣性力、動水和動土壓力下產(chǎn)生的荷載作用。

根據(jù)《室外給水排水和熱氣熱力工程抗震設(shè)計規(guī)范》，下列情況的盛水構(gòu)筑物當(dāng)滿足抗震構(gòu)造要求時可不進(jìn)行抗震驗算：設(shè)防烈度為6度的各種結(jié)構(gòu)型式水池；設(shè)防烈度為7度各種結(jié)構(gòu)型式的不設(shè)變形縫、單層水池；設(shè)防烈度為8度的地下式敞口鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土圓形水池；設(shè)防烈度為8度的地下式，平面長寬比小于1.5、無變形縫構(gòu)造的鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土的有蓋矩形水池。

一般情況下，簡單水池可不進(jìn)行抗震驗算或采用編制表格簡單計算，應(yīng)特別注意中間構(gòu)造配筋的隔墻，容易出現(xiàn)配筋不滿足的情況。復(fù)雜水池可采用理正、Ansys等軟件進(jìn)行整體分析，并對關(guān)鍵節(jié)點人工復(fù)核。

4 耐久性設(shè)計

該水池環(huán)境類別為二類b，場地土對混凝土結(jié)構(gòu)具微腐蝕性，地下水對混凝土結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性。按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》及《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計規(guī)范》，混凝土結(jié)構(gòu)相關(guān)要求如表1，表2所示。

水池混凝土抗?jié)B等級P6，墊層采用C20混凝土，采用普通硅酸鹽水泥。承臺、地基梁等地下構(gòu)件采用聚合物水泥漿兩遍防腐。池體采用鋼筋混凝土自防水，可不做其他抗?jié)B處理。

表1 混凝土結(jié)構(gòu)的材料要求

表2 混凝土結(jié)構(gòu)的保護(hù)層最小厚度 mm

因氯鹽易加劇電化學(xué)腐蝕，故不得作為防凍、早強(qiáng)劑。最冷月平均氣溫低于-3 ℃，混凝土抗凍等級為F200。

預(yù)應(yīng)力管樁的混凝土強(qiáng)度等級不低于C60，抗?jié)B等級不低于P10，保護(hù)層厚度不小于35 mm，采用焊接接樁，鋼零件涂刷防腐蝕耐磨涂層。

5 構(gòu)造措施及注意事項

1)優(yōu)化鋼筋的配置。

相同配筋率下，選用較細(xì)、較密的配筋方式，可使混凝土內(nèi)部應(yīng)力分布更為均勻，提高構(gòu)件的抗拉強(qiáng)度，從而節(jié)省工程造價，但間距也不得小于100 mm，以免影響混凝土澆筑質(zhì)量。

2)裂縫控制。

混凝土結(jié)構(gòu)由于溫度、濕度的變化會發(fā)生伸縮，當(dāng)受到周邊約束，難以自由伸縮時，就會出現(xiàn)次生內(nèi)力。因混凝土結(jié)構(gòu)抗壓能力強(qiáng)，抗拉能力弱，故預(yù)防裂縫應(yīng)以防止混凝土受拉為主。除按常規(guī)措施設(shè)置變形縫和后澆帶外，也可在混凝土中摻加膨脹劑配制補(bǔ)償收縮混凝土以減少受拉可能，增強(qiáng)混凝土抗裂性能。澆筑大體積、大面積混凝土?xí)r，可進(jìn)一步設(shè)置膨脹加強(qiáng)帶，以膨脹加強(qiáng)帶替代后澆帶，簡化施工工藝，縮短工期。膨脹加強(qiáng)帶按其澆筑時間可分為連續(xù)式、間歇式和后澆式，釋放早期變形的能力依次加強(qiáng)。

膨脹劑性能參數(shù)主要按《混凝土加外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》，摻量根據(jù)膨脹劑廠家使用說明書和現(xiàn)場試驗結(jié)果確定。一般部位的膨脹劑摻量在10%左右，限制膨脹率要求在水中14 d不小于0.015%,水中14 d轉(zhuǎn)空氣中28 d不小于-0.030%；后澆帶、膨脹加強(qiáng)帶和工程接縫等特殊部位膨脹劑摻量在13%左右，限制膨脹率要求在水中14 d不小于0.025%,水中14 d轉(zhuǎn)空氣中28 d不小于-0.020%。選用的膨脹劑必須符合《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》及建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《混凝土膨脹劑》的要求，嚴(yán)禁使用對人體產(chǎn)生危害、對環(huán)境產(chǎn)生污染的膨脹劑。

對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫控制有抗、放兩種措施，設(shè)變形縫、后澆帶等屬于放，設(shè)膨脹加強(qiáng)帶、防裂鋼筋等屬于抗，而同時采用補(bǔ)償收縮混凝土、膨脹加強(qiáng)帶、防裂鋼筋、后澆帶和伸縮縫則屬于放、抗結(jié)合。工程師可根據(jù)過往經(jīng)驗、單體特點和現(xiàn)場情況靈活選擇，一般對地上結(jié)構(gòu)或較厚構(gòu)件，應(yīng)以放為主，對于地下結(jié)構(gòu)或較薄的構(gòu)件，應(yīng)以抗為主。

3)蓋板。

金屬材質(zhì)蓋板宜采用熱鍍鋅或不銹鋼材質(zhì)，若采用熱鍍鋅材質(zhì)，需注意要在鋼格柵蓋板包邊工作完成后進(jìn)行熱浸鍍鋅。蓋板一般要求活荷載承載力在無設(shè)備區(qū)不小于3 kN/m2，有設(shè)備區(qū)按設(shè)備實際荷載，撓度不大于跨度/200且不大于10 mm，據(jù)此按廠家手冊選用相應(yīng)規(guī)格的蓋板。

4)鐵件防腐。

因污水處理廠濕氣重、腐蝕性強(qiáng)，外露鐵件需進(jìn)行防腐處理。一般可采用環(huán)氧富鋅底涂料二道(干膜厚度70 μm)，環(huán)氧云鐵中間涂料一道(干膜厚度60 μm)，聚氨酯面涂料二道(干膜厚度70 μm)處理，定期重新涂抹。

6結(jié)語

污水處理廠的大型水池除滿足承載力要求外，還應(yīng)滿足抗?jié)B、防腐等耐久性要求。結(jié)構(gòu)工程師在實際工程設(shè)計中應(yīng)全面分析各種因素，因地制宜的選用合適的方案和措施，確保工程質(zhì)量的同時節(jié)省造價，以實現(xiàn)生態(tài)效益和經(jīng)濟(jì)效益的有機(jī)結(jié)合，為祖國的環(huán)保事業(yè)貢獻(xiàn)自己的力量。

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