污水廠大型水池裂縫控制設計探究

張樹俊，吳偉

（南京市市政設計研究院有限責任公司，南京 210000）

1 引言

在城市快速發(fā)展的過程中，需要處理的污水量逐漸增加，因此，污水廠在建設過程中需要設計建造大型水池。但大型水池結(jié)構(gòu)自重較大，同時受土壓力、水壓力等各方面作用力的影響，使用過程中容易出現(xiàn)裂縫，需要耗費較多的資金進行維修處理，造成污水廠運行成本過高的同時，也會給環(huán)境造成污染。因此，應加強水池裂縫控制設計研究，提高污水廠的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

2 污水廠大型水池裂縫的產(chǎn)生與控制

2.1 產(chǎn)生原因

污水廠大型水池多采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，一旦產(chǎn)生裂縫將導致池水滲漏，如圖1 所示，嚴重污染周圍的環(huán)境。污水廠大型水池裂縫主要可以分為結(jié)構(gòu)裂縫和非結(jié)構(gòu)裂縫。

圖1 污水廠大型水池裂縫

結(jié)構(gòu)裂縫主要在結(jié)構(gòu)內(nèi)外約束（如大體積混凝土結(jié)構(gòu)自重、內(nèi)部應力等）的作用下產(chǎn)生。由于外界水、土壓力、振動荷載等因素的影響，水池結(jié)構(gòu)也容易因受到的拉應力過大而開裂。由于池壁內(nèi)側(cè)蓄水，外側(cè)受室外溫度等因素的影響容易產(chǎn)生溫度過高情況，而池壁內(nèi)側(cè)由于充水不會產(chǎn)生較大的溫升，導致池壁內(nèi)外側(cè)因溫差過大產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形，嚴重時會產(chǎn)生貫穿性裂縫。

非結(jié)構(gòu)裂縫包括塑性收縮裂縫、化學反應裂縫等類型。在水池混凝土凝結(jié)前，表層混凝土容易因為水分流失而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)收縮變形，繼而產(chǎn)生裂縫，產(chǎn)生的裂縫呈現(xiàn)出中間寬、兩側(cè)細的形態(tài)，長度能夠達到2～3 m，寬度通常在1～5 mm[1]。分析原因可知，混凝土凝結(jié)前強度較低，在外部高溫或大風作用下表面水分迅速流失，促使結(jié)構(gòu)毛細孔中產(chǎn)生較大的負壓，引發(fā)結(jié)構(gòu)急劇收縮問題。在結(jié)構(gòu)收縮力不足的情況下，會導致結(jié)構(gòu)裂縫問題。而化學反應裂縫的產(chǎn)生與鋼筋銹蝕以及堿骨料反應有關。前者將導致鋼筋與混凝土剝離，后者會造成局部結(jié)構(gòu)膨脹變大，均會導致裂縫產(chǎn)生，給結(jié)構(gòu)整體安全性帶來威脅。從總體上來看，水池裂縫的產(chǎn)生都是因為結(jié)構(gòu)發(fā)生了變形，應通過加強結(jié)構(gòu)設計避免裂縫產(chǎn)生。

2.2 控制措施

在水池裂縫控制方面，考慮到結(jié)構(gòu)在剛度突變、形狀凹凸等位置容易受溫差和收縮作用的影響，可以通過在局部增加構(gòu)造配筋預防裂縫產(chǎn)生。針對容易受溫度變化等因素影響的部位，如大體積混凝土或暴露部位，通過設置保溫層等方法施加預應力，能夠減小結(jié)構(gòu)受到的影響。其次，可以通過設置伸縮縫應對結(jié)構(gòu)變形問題?？紤]到混凝土結(jié)構(gòu)施工容易因水化熱等因素發(fā)生體積變化，可以將結(jié)構(gòu)劃分為多個單元，通過布置膨脹縫或收縮縫避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大的應力。按照國家設計規(guī)范，污水廠大型水池伸縮縫間距最大應在20～30 m，應做到根據(jù)地基溫差和硬度等參數(shù)合理確定伸縮縫間距，保證伸縮縫可以有效發(fā)揮作用。再者，可以設置后澆帶減小混凝土收縮造成的變形，通常間距在20～30 m，保留時間在40 d 以上，最佳為60 d。布置后澆帶可以適當增大伸縮縫間距，但不能代替伸縮縫，可以在水化熱發(fā)生早期發(fā)揮裂縫控制作用。對于大體積混凝土，也可以布置膨脹加強帶預先施加壓應力，抵抗后期產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)變形。大型水池的結(jié)構(gòu)體量較大，選用的水泥強度較高，容易產(chǎn)生大量的水化熱。摻加復合型抗裂防水劑能夠通過結(jié)構(gòu)自應力補償收縮產(chǎn)生的拉應力，增強水池的抗裂性能，使結(jié)構(gòu)獲得更強的抗變形能力[2]。此外，針對長度和高度較大的池壁，可以通過外砌墻或設置保溫層等形式減少內(nèi)外溫差，預防收縮裂縫發(fā)生。在墻壁較薄時，應盡量減少施工縫，以免因溫度急劇變化引發(fā)結(jié)構(gòu)變形。在大型水池建造過程中，具體采用哪種控制措施還應結(jié)合實際情況。

3 污水廠大型水池裂縫控制設計實踐

3.1 工程概況

某污水處理廠位于郊區(qū)，按照總體規(guī)劃需要建設尺寸為118.4 m×55.8 m×10.6 m（長×寬×高）的半埋式地下生物反應池，地上部分高4.7 m，地下部分高5.9 m，基礎采用C35 復合樁基，能夠達到P6 抗?jié)B等級。作為大型混凝土水池，采用敞口設計，在施工過程中結(jié)構(gòu)易受到外界溫濕度變化的影響，應通過減小內(nèi)部結(jié)構(gòu)應變加強混凝土裂縫控制。

3.2 結(jié)構(gòu)設計方案

在結(jié)構(gòu)設計方面，按照CECS 138：2002《給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設計規(guī)程》，利用靜力分析法對結(jié)構(gòu)偏心受力構(gòu)件的最大裂縫寬進行計算：

式中，Wmax為最大裂縫寬，mm；ψ 為裂縫間受拉鋼筋應變不均勻系數(shù)；σsq為根據(jù)永久組合作用分析得到的截面縱向受到的拉應力，MPa；Es為鋼筋的彈性模量；c 為外層縱向受拉鋼筋保護層厚度，mm；d 為縱向受拉鋼筋的直徑，mm；ρ 為根據(jù)有效受拉截面面積計算獲得的鋼筋配筋率；a 為構(gòu)件受壓系數(shù)；v 為鋼筋表面特征系數(shù)。對縱向鋼筋配筋率進行計算：

式中，A 為受拉鋼筋截面面積，mm；b 和h 分別為截面計算寬度和高度，mm。在未考慮結(jié)構(gòu)內(nèi)部變形應力的情況下進行結(jié)構(gòu)布筋，采用有限元軟件Midas 簡化計算過程，完成水池結(jié)構(gòu)受力分析。按照原方案池壁會產(chǎn)生最大寬度為0.21 mm 的裂縫，底板最大產(chǎn)生寬0.18 mm 的裂縫。如果采用布置橡膠止水帶伸縮縫方式控制裂縫，布置的伸縮縫間距需要達到24～26 m，但根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范要求，水池總高度約1/2 位于地面以上，水池伸縮縫間距不能超過20 m。通過綜合分析，需要采用增加構(gòu)造筋、設置后澆帶等方式控制水池結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生。

3.3 裂縫控制措施

3.3.1 增加抗溫構(gòu)造筋

針對水池在后期使用過程中將承受內(nèi)外溫差的問題，在日常溫差達到20 K 的條件下，結(jié)構(gòu)彎矩折減系數(shù)將達到0.65，結(jié)構(gòu)線性膨脹系數(shù)為1×10-5，通過有限元分析可得水池附加彎矩（見表1）。根據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力組合，需要增設抗溫構(gòu)造筋，通過加強配筋應對溫度應力帶來的影響，有效控制結(jié)構(gòu)裂縫的產(chǎn)生。具體來講，就是在池壁兩端增設預應力筋，采用φ15.4 mm 鋼筋，間距200 mm，并在中部增設錨固筋，采用φ15.4 mm 鋼筋，間距100 mm，由兩端向中間施加預應力。通過布置抗溫構(gòu)造筋，可以增強池壁混凝土抵抗溫度應力變化的能力，在結(jié)構(gòu)施工后減少溫差效應，避免混凝土因內(nèi)部拉應力過大引發(fā)裂縫。

表1 水池附加彎矩

3.3.2 設置后澆帶結(jié)構(gòu)

在裂縫控制方面，還要完成后澆帶結(jié)構(gòu)設置，確保大體積混凝土底板獲得更強的抗裂能力。具體來講，需要將整個水池劃分為3 個區(qū)域，在縱向位置布置2 道后澆帶，如圖2 所示。在各分區(qū)分別設置2 道膨脹加強帶，能夠保證結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的變形能夠主動釋放，同時，可以通過加強帶消耗結(jié)構(gòu)釋放應力，避免結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫。后澆帶采用C40 收縮補償混凝土，迎水面上鋪設止水鋼板，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生的收縮應力進行補償，并預防結(jié)構(gòu)滲漏問題。在兩側(cè)池壁混凝土澆筑42 d 后才能進行后澆帶施工，并對混凝土結(jié)構(gòu)進行28 d 的養(yǎng)護。為避免冷縫產(chǎn)生，在兩側(cè)混凝土澆筑后應及時完成加強帶澆筑，有效保證結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量。采用該措施可以在不設縫的情況下完成水池澆筑施工，降低結(jié)構(gòu)施工難度，保證結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量，提高結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)固性。

圖2 后澆帶布置

3.3.3 添加結(jié)構(gòu)抗裂劑

考慮水池體積較大，為滿足結(jié)構(gòu)裂縫控制需要，需要在混凝土結(jié)構(gòu)中添加抗裂劑，增強結(jié)構(gòu)的自防水性能。具體來講，就是在水池底板、池壁和頂板結(jié)構(gòu)混凝土中摻加氧化鎂類膨脹劑，可以緩慢發(fā)生微膨脹，具有齡期長、可持續(xù)膨脹等優(yōu)勢，提高水池的抗裂性能。從結(jié)構(gòu)膨脹率指標來看，在20 ℃下進行水養(yǎng)護7 d，膠砂限制膨脹率至少達到0.012%，在40 ℃下能夠達到0.020%。在結(jié)構(gòu)施工期間，抗裂劑摻加量將達到26～50 kg/m3，后澆帶和加強帶中摻加量更大。為避免結(jié)構(gòu)發(fā)生應變，施工過程應加強混凝土內(nèi)部溫升監(jiān)測，通過控制內(nèi)外溫差防止裂縫產(chǎn)生。此外，需要對添加抗裂劑的混凝土結(jié)構(gòu)實施14 d 的養(yǎng)護，其間應通過灑水保持結(jié)構(gòu)表面濕潤，確保材料膨脹性能可以充分發(fā)揮。

3.4 方案實施分析

在方案實施過程中，應嚴格按照裂縫控制設計進行水池各部分結(jié)構(gòu)施工，并精細組織施工，通過加強水泥用量控制、水灰比調(diào)節(jié)等措施增強各部分混凝土的抗裂能力，保證整體結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量良好[3]。其間，應加強混凝土內(nèi)外溫差控制，并使混凝土表面保持濕潤，以免結(jié)構(gòu)發(fā)生干縮變形等問題，從而減小結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度應力，消除其他因素對方案實施帶來的影響。

從方案實施效果來看，建造的大型生物反應池投運1 a 以來，始終未出現(xiàn)裂縫，體現(xiàn)了良好的使用性能。

4 結(jié)語

針對污水廠大型水池可能產(chǎn)生的各種結(jié)構(gòu)裂縫和非結(jié)構(gòu)裂縫，可以采用設置構(gòu)造筋、布置伸縮縫等多種方式進行控制，避免水池出現(xiàn)池壁或底板開裂等問題。但在設計實踐中，還應結(jié)合工程條件選擇適合的設計方案，根據(jù)大型混凝土水池設計條件展開分析，通過結(jié)構(gòu)靜力分析發(fā)現(xiàn)無法通過設置伸縮縫有效控制結(jié)構(gòu)裂縫，還要綜合利用抗溫構(gòu)造筋、后澆帶等手段完成結(jié)構(gòu)設計。從方案實施效果來看，不僅可以有效控制結(jié)構(gòu)裂縫產(chǎn)生，還能增強結(jié)構(gòu)耐久性，降低結(jié)構(gòu)維修成本，為污水廠的可持續(xù)發(fā)展提供支持。