污水廠構(gòu)筑物水池結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計分析

燕家琪 李 川 常 偉

中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司

1 前言

國家對環(huán)境保護的重視增強，加之城市發(fā)展迅速，對污水處理的能力和標(biāo)準(zhǔn)也提出了更高的要求。提高污水廠的處理性能是對我國生態(tài)文明建設(shè)的積極響應(yīng)。污水廠在處理生活污水和工業(yè)污水的指標(biāo)上，需要不斷改進，適應(yīng)現(xiàn)代環(huán)境保護的標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計人員在對污水廠水池改造的設(shè)計過程中，需要考慮改造的可行性和經(jīng)濟性，選擇節(jié)能低耗的方案。

2 污水處理廠水池結(jié)構(gòu)設(shè)計要點

2.1 根據(jù)實際情況開展水池結(jié)構(gòu)設(shè)計和驗算工作

在對污水廠水池結(jié)構(gòu)設(shè)計之前，需要對污水廠所在地進行實地的環(huán)境考察和地質(zhì)勘探，深入了解當(dāng)?shù)氐乃|(zhì)情況和污水主要來源，從而核算水池結(jié)構(gòu)需要具備的載荷能力，并要進行驗算工作。在對水池結(jié)構(gòu)進行驗算后，還要考慮以下幾方面的影響：1地質(zhì)條件。要準(zhǔn)確驗算巖層結(jié)構(gòu)與水池結(jié)構(gòu)的匹配度。2水池的抗裂度或者裂縫寬度。污水廠水池一般采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，因此需要考慮抗裂度和裂縫寬度對水池穩(wěn)定性的影響?？沽讯群土芽p寬度主要跟水池在載荷的作用下，截面的受力狀態(tài)有關(guān)?？沽讯仁侵篙S心受力是拉長，而裂縫寬度是軸心受力是變彎。

2.2 對污水池表面材料施工工藝進行設(shè)計

由于污水處理廠處理的污水包括生活污水和工業(yè)污水，里面含有的雜質(zhì)種類較多，包括腐蝕性及滲透性比較強的有毒有害離子。所以在對水池表面材料設(shè)計時，需要考慮防滲防腐蝕性，從而避免污水對環(huán)境造成嚴(yán)重污染。另外由于環(huán)境和天氣的影響，也要考慮材料的伸展和收縮性，保護水池結(jié)構(gòu)的完整性。在具體的施工過程中，設(shè)計人員需要叮囑施工人員完成對水池表面材料的多層處理，確保水池的防滲透性和防腐蝕性。

3 污水處理廠水池結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要問題

3.1 水池的防滲透性能過低

由于污水池當(dāng)中的污水經(jīng)常會含有不良的腐蝕性物質(zhì)，在長期使用以后經(jīng)常會造成水池表面出現(xiàn)不良腐蝕和裂縫問題，進而造成了水池產(chǎn)生不良滲透問題，直接影響到了整個水池的工作效果。污水處理廠的水池結(jié)構(gòu)當(dāng)中，主要是通過鋼筋和混凝土結(jié)構(gòu)組成，這種結(jié)構(gòu)在外部環(huán)境的影響下，很容易產(chǎn)生熱脹冷縮，從而引起應(yīng)力的變化，因此也有可能會造成水池表面出現(xiàn)混凝土裂縫問題。

3.2 水池表面材料的施工工藝設(shè)計不足

在傳統(tǒng)的污水處理廠建設(shè)過程當(dāng)中，水池結(jié)構(gòu)的設(shè)計工作必須要充分注重水池整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和牢固性，因此將更多的設(shè)計重點放在了水池結(jié)構(gòu)的不均勻沉降以及水池表面所產(chǎn)生的裂縫問題上，而忽略了其他因素對水池結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的影響，例如水池表面沒有涂刷防腐材料，同時也沒有針對水池的表面進行二級預(yù)防設(shè)計工作。在污水池的實際運行過程中，除由于池體的不均勻沉降而使池體表面產(chǎn)生裂縫外，池體的防腐蝕以及防滲透性能較差，也在很大程度上加快了整個水池表面裂縫的擴張速度，同時，污水通過裂縫滲透到混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部，進而會對整個水池結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成更加深入和嚴(yán)重的破壞。

3.3 防滲防漏問題分析

污水廠的水池一般采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，為了提高鋼筋混凝土的防滲透性，施工時都會增加混凝土的覆蓋量，進而增加了鋼筋的承受力，從而會加重鋼筋混凝土的變形程度，嚴(yán)重的時候會產(chǎn)生不同程度的裂痕，最終破壞了水池結(jié)構(gòu)的完整性，加大了水池的滲透。與此同時，設(shè)計者在設(shè)計水池的構(gòu)造配筋時，未按照常規(guī)的圓形或者矩形設(shè)計，不規(guī)則的水池設(shè)計會造成水池結(jié)構(gòu)載荷不匹配，從而長時間使用，會對水池結(jié)構(gòu)造成破壞性影響，甚至是貫穿性的裂痕，無法保證水池的防滲防漏。另外，根據(jù)水處理工藝的要求，需要在水池內(nèi)部設(shè)置預(yù)埋件，也會對水池結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。底部的載荷和鋼筋混凝土的填埋程度不一樣，會造成各個方向的拉伸力不同，從而產(chǎn)生不同程度的裂縫。

3.4 抗浮問題分析

尤其在水池放空檢修階段，水池會出現(xiàn)上浮的問題。主要原因是在水池設(shè)計過程中，設(shè)計抗浮水位選擇不恰當(dāng)，水池頂板和底板的抗浮性驗算以及整體抗浮不夠準(zhǔn)確，抗浮穩(wěn)定系數(shù)不能滿足抗浮要求。另外，地質(zhì)勘探的缺乏，地基處理不當(dāng)，也會影響水池的穩(wěn)固性，造成上浮。

4 主體結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

4.1 具體設(shè)計要求

（1）設(shè)計的安全系數(shù)，具體體現(xiàn)在以下幾個方面。其一，頂蓋強度設(shè)計的附加安全系數(shù)。通常情況下，水池結(jié)構(gòu)的頂蓋所承受的荷載包括自重荷載、活荷載以及覆土荷載等，在這幾類荷載中，自重荷載和覆土荷載的比例較大。由于土體本身的容重會隨著含水量、密度等因素的變化而發(fā)生改變，并且還具有變異性較大的特點，所以，附加安全系數(shù)的選擇應(yīng)以1.0最為理想。其二，水池池壁設(shè)計的附加安全系數(shù)。水池池壁的受力載荷主要包括外土壓力、地下水壓力和池內(nèi)水壓力。內(nèi)水壓力要按照水池運行時可能出現(xiàn)的最高水位進行設(shè)計，這樣就不會因為特殊情況造成水池的載荷壓力過大。

（2）裂縫控制。在污水廠的運行過程中，很多水池都會有不同程度的裂縫。造成裂縫出現(xiàn)的原因有很多，因此在水池設(shè)計的過程中，要通過前期的地質(zhì)勘查，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，盡量減少裂縫的產(chǎn)生及裂縫發(fā)展。對于超長水池，為了防止混凝土水化熱產(chǎn)生的溫度裂縫，還要按照規(guī)范要求設(shè)置后澆帶，后澆帶的設(shè)置可避免部分不利的溫差及混凝土收縮產(chǎn)生的溫差，從而增大了伸縮縫的間距。后澆帶的間距首先考慮削減收縮力，其次需要考慮的是與施工縫結(jié)合。對工期比較緊的工程可以采用UEA混凝土加強帶，依靠加強帶UEA混凝土較大的膨脹應(yīng)變，補償兩側(cè)的溫差變化，可以抵消由于混凝土硬化過程中產(chǎn)生的收縮拉應(yīng)力。也可對UEA進行調(diào)配，這樣就能補償混凝土的收縮，使混凝土收縮溫差≤0，同樣能夠達到增大伸縮縫的目的，另外添加防滲劑便可以達到防滲抗裂的目的。

（3）配筋。在設(shè)計水池池壁的配筋時，應(yīng)當(dāng)按照具體形狀進行區(qū)分，如矩形水池池壁水平方向最小配筋率不得低于0.20%；圓形水池池壁外側(cè)最小配筋率不得低于0.35%，內(nèi)側(cè)不得低于0.20%。增加配筋率能增加混凝土的拉伸，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，在節(jié)點應(yīng)力集中處沿截面配置細、密的構(gòu)造鋼筋或網(wǎng)片，可提高構(gòu)件的抗裂能力。在具有腐蝕性環(huán)境或者處理腐蝕性污水的條件下，需要在混凝土中增加防銹劑，可以增加水池的使用年限。

4.2 抗浮設(shè)計

通過考察污水廠的實際問題，會發(fā)現(xiàn)抗浮性也是水池結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的常見問題。那么在設(shè)計的過程中，就要根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶嶋H地質(zhì)情況，包括天氣及環(huán)境等因素，核算出相對精確的地下水最高水位。水池除滿足整體抗浮要求外，還需對底板等進行局部抗浮驗算。另外，在滿足水處理工藝要求的前提下，與水專業(yè)有效溝通，盡量提高底板的標(biāo)高，從而達到安全經(jīng)濟目的；對地下水位隨季節(jié)變化大的區(qū)域，可以考慮在水池四周設(shè)置降水井來降低地下水位，達到抗浮的目的。

4.3 主體結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計算與分析

主體結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析方法主要有兩種：一是采用經(jīng)典力學(xué)分別對底板及池壁進行簡化計算分析。底板可采用彈性地基梁板法計算筏板內(nèi)力，也可以采用倒梁樓蓋法進行計算，具體設(shè)計時可結(jié)合兩者計算結(jié)果配筋；外墻池壁可按連續(xù)板進行計算，各層樓板作為支座，其中頂板及中板按鉸支座、底板按固定支座考慮，水平荷載則可水土分算。此種方法的優(yōu)點是計算分析時間較短，缺點是計算結(jié)果精度相對較低。

二是通過建立空間整體計算模型，采用有限元單元法對箱體結(jié)構(gòu)進行空間整體分析。此種方法可借助有限元軟件，通過對計算模型的合理劃分單元，能夠獲得比較精確的計算結(jié)果，且可以根據(jù)內(nèi)力包絡(luò)圖進行構(gòu)件的變截面設(shè)計，依據(jù)構(gòu)件內(nèi)力分布進行配筋設(shè)計。此種方法與第一種設(shè)計方法相匹配筋更為經(jīng)濟合理，但計算分析時間較長。

5 水廠水池結(jié)構(gòu)的施工

5.1 底板施工要點

其一，在對混凝土開展?jié)仓ぷ髦?，首先需要檢查現(xiàn)場地基土壤質(zhì)量，判斷和確定它是否符合設(shè)計要求，如與設(shè)計圖紙不符，那就應(yīng)該根據(jù)相關(guān)實際情況采取合理的處理措施，處理完成后方可進行混凝土墊層的澆筑。其二，混凝土墊層澆筑完成之后，再進行底板中心、角點處的測量和確定，以此為基礎(chǔ)按照設(shè)計尺寸實施放線操作，確定底板邊線、池壁邊線，并且正確描畫鋼筋分布線，沿著所畫分布線進行鋼筋的鋪放與綁扎施工，再實施底板外模板的安裝。其三，在綁扎鋼筋的過程中，需要認(rèn)真、細致檢查各項參數(shù)和指標(biāo)，主要包括搭接長度、間隔距離、直徑、具體的位置以及預(yù)埋件數(shù)量等，都必須與相關(guān)設(shè)計要求和標(biāo)準(zhǔn)相符。對于上下層鋼筋而言，必須通過馬凳筋的應(yīng)用進行有效固定，以避免在進行混凝土澆筑工作的時候引發(fā)鋼筋塌陷等現(xiàn)象。其四，懸空架設(shè)柱基模板，利用體積較小的臨時方木對下方墊層進行支撐，在進行混凝土澆筑的同時取出臨時方木。其五，對于底板，需要進行一次連續(xù)澆筑，在完成此項操作后不得預(yù)留施工縫。嚴(yán)格控制暫停施工的時間，切忌大于混凝土初凝時間。如果底板厚度較大（大于200mm），需采用插入式振動器進行操作，且要做好混凝土的降溫、防裂等養(yǎng)護工作。其六，對于底板和池壁相連部位的水平施工縫，一般常留在與基礎(chǔ)上口相距500mm的位置，在池壁混凝土澆筑和振搗之前，需要將止水鋼板安裝并固定好。其七，在完成混凝土澆筑施工之后，如果強度小于1.2Mpa禁止振動，同樣不能將腳手架安裝于底板位置。

5.2 池壁混凝土澆筑

在實際的施工過程中，水池池壁的固定模板用的鐵絲和螺栓不宜直接穿過池壁，避免大的破壞造成載荷不同，會在以后的使用過程中出現(xiàn)裂縫的隱患。若當(dāng)螺栓必須穿過池壁時，需采取螺栓上加焊止水環(huán)，止水環(huán)應(yīng)滿焊。且各個施工縫應(yīng)做好預(yù)處理工程，保證沒有縫隙出現(xiàn)，造成以后的工程隱患。

5.3 池體粉刷、防腐層等施工

池體的粉刷、防腐措施應(yīng)根據(jù)構(gòu)筑物的不同要求進行，對于污水廠的構(gòu)筑物來說，池體內(nèi)外壁可根據(jù)不同情況采用冷底子油+熱瀝青、聚合物水泥砂漿、氰凝涂料、IPN8710、乙烯基酯防腐涂料等。而在給水廠中對飲水安全要求較高，除在內(nèi)壁采用聚合物水泥砂漿外，還需再做一層滲透結(jié)晶型防水涂料（食品級），外壁的防腐可同污水廠采用氰凝涂料等。

6 結(jié)束語

在污水處理廠的污水處理池結(jié)構(gòu)設(shè)計當(dāng)中，結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計人必須要對水池的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計要點加以明確，同時必須要對水池結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、安全系數(shù)以及表面抗?jié)B漏等相關(guān)問題加以充分重視，從而使污水處理池在施工、運行及檢修等過程中都能保證其安全穩(wěn)定，減少后期的改造維修費用，使其能長期有效地發(fā)揮作用。