污水處理廠結構設計要點總結

郭云

(中都工程設計有限公司福建分公司)

0 引言

地下污水池是污水處理廠結構中的重點組成，然后以此為基礎建立相應的建筑。在對其污水處理過程中，會先將污水引入到相應位置，經過細格柵和厭氧池、缺氧池、好氧池、膜池→設備間、消毒池→出水池（潔水）。附屬的建筑物有配套的辦公樓級宿舍樓（多層建筑）、變配電設備房及門衛(wèi)等。污水處理廠的規(guī)模不同，出水的等級要求不同，所選的工藝也不盡相同。常用地埋式池體如圖1 所示。

1 水池及建筑物結構設計要點

1.1 污水處理廠壁板設計

筆者設計過廈門市后溪工業(yè)組團污水處理站工程，該處理站為全地埋式，日處理污水量量為2 萬t。地下池子尺寸為96.5m×43.1m，池子頂板標高為-1.3m，主池（厭氧池，缺氧池，好氧池，膜池等）埋深為9.3m，即主池的池體高度為8m 高。格柵渠及調節(jié)池埋深為10.6m,設備房等埋深為7.5m。

圖1 常用池體

該構筑物的池壁設計分外墻（WQ）和內墻（SQ），池壁的的計算主要為抗彎計算，剪力和壓力均能滿足。彎矩的計算一般按兩種受力情況包絡：外墻①池內無水池外有土，②池內有水池外無土；內墻①兩側池體均有水，②單側有水另一側無水。后溪污水廠厭氧池和缺氧池外墻體單片長度達到27m 長。池壁可考慮按三邊嵌固一邊簡支的板計算。如果按壁板（單片外墻）實際長度計算，壁板為三邊固定一邊簡支的單向板；壁板的計算厚度為800mm，底板厚度按規(guī)范要求取值為壁厚的1.2 倍，取厚1000mm，同時壁板的豎向配筋達28@100。如果外墻壁板通過設置扶壁柱作為受力支點，扶壁柱根據外墻尺寸大概間距為4.5m～5.25m 之間，布置扶壁柱后池體外墻壁板計算為三邊固定一邊簡支的雙向板，壁板的計算厚度約為450mm，底板厚550mm；同時壁板的豎向受力鋼筋為20@100 即可。雖然增加扶壁柱，但對比沒有設置壁板方案該做法不僅大大減少了混凝土量及配筋量，同時還不影響工藝池子的池容，滿足工藝的功能需求。設置扶壁柱如圖2 所示。

圖2 扶壁柱設置示意圖

1.2 污水處理廠抗浮設計

池體的抗浮穩(wěn)定驗算是設計中必不可少的一步。

⑴自重抗浮滿足：當池體埋深較淺，上部為多層設備間時，僅自重就可滿足抗浮的要求；即可以滿足《建筑地基基礎設計規(guī)范》GB50007－2011 中5.4.3 條Gk/Nw,k≥Kw 的要求（Kw 可取1.05）。其中Gk 的取值為：上部結構自重（為不考慮活載及后砌筑磚墻線載情況下的1.0 橫工況荷載）+筏板自重+地下室內配重+地下室挑板配重的正向力總和；Nw,k 為抗浮標高下的水浮力。

⑵壓重抗浮法：當池體的抗浮和自重相差大概10%時①可以通過加大池壁厚度或者池體底板厚度；②池體加深，在池體內部回填素混凝土配重；③加大底板挑板外伸長度，以增加外伸板上的土體自重作為配重。

⑶錨固抗浮法：當池體無上部（設備間獨立設置）并采用全地埋式或者自重和抗浮相差太大時，可考慮采用抗拔樁或者設置抗浮構件（如錨桿）等措施。

⑷排水限壓法：設置降水井長期降水，滿足抗浮要求。

上述廈門市后溪工業(yè)組團污水處理站工程，其抗浮設計采用降水法，布置降水井長期降水以滿足抗浮要求；根據該工程的基礎數(shù)據計算的抗浮降水法情況說明如下：①正常使用時，水池總水量不小于15000m3；②水池水量不小于10000m3時，室外降水高度為-5m 標高以下；③水池中無水時，室外降水高度為-7m 以下。

2 設計過程中難點及方案

2.1 膨脹加強帶的設計

在整個工程結構施工過程中，都會存在對池底和壁板等地方的后澆帶，并且直至跟隨整個工程結構的施工完成，至少需要幾個月的時間，在這段時間內，各種各樣的垃圾雜物不可避免地落進池體后澆帶中，由于池體底板及壁板鋼筋較粗較密，給后期清理無形中增添了一定的工程量；同時因池體混凝土與后澆帶混凝土澆筑時間間隔數(shù)個月，新舊混凝土的粘結強度很難保證，而且后澆帶澆筑前，池體混凝土的干縮大部分已完成。因此，就很容易在這過程中受到后澆帶混凝土的影響，進而導致不同時間的混凝土連接處很容易出現(xiàn)裂縫。這與后澆帶為防止混凝土裂縫產生的初衷不相符。所以后澆帶處理不好或人為的在每條后澆帶處造成兩條貫穿裂縫，引起滲漏水。

通過利用具有補償收縮特點的混凝土，能夠更好的補充傳統(tǒng)混凝土所存在的問題。工程中采用膨脹加強帶取代后澆帶，其目的就是為了更好的提升混凝土的抗裂性，也是一種抗裂措施。在不間斷施工的混凝土結構中，為了能夠更好地提升其抵御混凝土的收縮應力，就會在這其中增加一些鋼筋來進行解決。

膨脹加強帶可采用連續(xù)式、間歇式或后澆式等形式。筆者設計的項目中根據墻板結構的長度當墻體L≤60M 或板式結構60m60M 或板式結構60m＜L≤120m，結構厚度H>1.5m 或板式結構L＞120m 時采用后澆式膨脹加強帶。連續(xù)式膨脹加強帶是加強帶內和加強帶外混凝土是一次性連續(xù)澆筑，兩側均不埋設止水鋼板，混凝土澆筑完畢后沒有施工縫，達到無縫施工，因此工期大大縮短，如圖3 所示。后澆式膨脹加強帶是一種和后澆帶較為相似的澆筑方法，在應用時只在大體積混凝土中考慮溫度影響，一般在兩側混凝土澆筑完7～14d 后回填澆筑，同樣大大縮短工期。后澆式兩側需要預埋止水帶，兩側先澆筑，待達到強度后澆筑帶內混凝土，因而有兩道施工縫。如圖4 所示。

圖3 連續(xù)式膨脹加強帶構造

圖4 后澆式膨脹加強帶構造

廈門市后溪工業(yè)組團污水處理站工程，采用連續(xù)式膨脹后澆帶，地下室外墻、內墻、底板及底板梁、頂板梁、膨脹加強帶均采用補償收縮混凝土，其PCN-Ⅰ型膨均脹劑的摻量根據不同部位的限制膨脹率要求取值不同，如表1 所示。其中膨脹劑的摻量為混凝土中水泥等凝膠材料重量的8%。進而來更好的讓其混凝土的膨脹率達到相應要求，減少在這其中所存在的應力，避免混凝土出現(xiàn)裂縫。

表1 不同部位的限制膨脹率要求取值

廈門水務集團項目——廈門航空港工業(yè)與物流園污水處理廠，因工期緊，筆者在設計過程采用補償收縮混凝土及后澆式膨脹加強帶。在完成對現(xiàn)場補償收縮混凝土澆筑后，及時的對其采取相應的養(yǎng)護方法，對水平構件采取覆蓋塑料薄膜并定時灑水，鋪濕麻袋等方式保濕養(yǎng)護措施。該項目大大縮短工期同時沒有出現(xiàn)混凝土開裂現(xiàn)象，項目能及時運營并達到業(yè)主滿意效果。

2.2 污水池裂縫產生原因及結構對策

城市污水的污染程度較為嚴重，在對污水采取相應處理方法過程中，也會對水池自身造成一定的影響。所以，在設計水池過程中就應該充分的考慮到這一點。但是，更加應該注意的就是水池自身的防滲性，保證水池結構合理，以免污水通過裂縫進入到地下水中，造成二次污染。

廈門路橋建設集團項目——五緣灣濕地公園污水處理站，地下池子長度約70m，筆者認為后澆帶能有效的控制裂縫，設計時候采用后澆帶減少結構長度對應力的影響。但是項目施工完畢大概一個月時間內在中水池及B 組缺氧池外壁上出現(xiàn)了裂縫，是水池表面的龜裂裂縫，逐步擴展到整個水池墻體界面，現(xiàn)場觀察人距離結構墻體1m～2m，可看清約0.2mm～1.0mm 寬度的裂縫。雖不會出現(xiàn)結構性破壞，但不僅影響墻體美觀性，更重要的是對水池的防滲性能產生巨大負面影響。筆者設計的項目對滲水有嚴格要求，查看結構計算及配筋，分析結果：結構長度只是影響溫度應力綜合因素之一，而不是唯一因素。從結構設計角度可以從以下幾個方面做好：①在對其混凝土裂縫控制過程中，主要是受到混凝土抗拉強度的影響，通過選擇正確的混凝土型號，能夠更好的提升混凝土的強度，但是卻不能夠有效的提升混凝土的抗拉強度，在工程的水平結構設計過程中，應該采取中低檔強度的水泥類型（C25～C35）；②鋼筋保護層過厚會導致混凝土的開裂幾率更大，設計中應根據耐久性要求的最小允許厚度確定（GB50010－2010 混凝土結構設計規(guī)范，8.2.1 條），如果外界環(huán)境較為惡劣，就應該增加保護層的厚度，以此來減少裂縫的出現(xiàn)；③設計過程中，構件除了滿足計算要求外，構造鋼筋的配置也十分重要，它對結構抗裂影響很大。如水池墻體的上下的加強暗梁的設置、轉角處的樓板放射筋的設置、孔洞處加強筋的配置等。除了結構設計上幾點的重視外，澆筑混凝土現(xiàn)場的潮濕保溫養(yǎng)護也是很重要的。通過注意這些方面，對減少污水池的裂縫出現(xiàn)能起到促進作用。

3 結語

從一線城市到鄉(xiāng)鎮(zhèn)，污水處理廠是改善環(huán)境的重要工程。確保污水處理廠的合理結構設計，這樣才能夠更好的延長污水處理廠的使用壽命，還能夠減少其中的成本投入。本文筆者結合設計的項目經驗分析目前污水廠設計中普遍存在的設計問題并做總結及相應措施。望能為結構設計者提供參考價值。