市政給排水工程中構筑物結構設計要點研究

吳皇鋼

（浙江省工業(yè)設計研究院有限公司，浙江 杭州310000）

給排水工程作為城市的送水和排水結構，在城市現(xiàn)代化的發(fā)展過程中承擔著重要的任務，由于市政給排水工程是針對污水處理和水源輸送的重要工程，就更需要加強重視。給排水工程主要構筑物的結構設計中，由于現(xiàn)階段工程的規(guī)模性和技術性，其結構設計具有一定的難度，相關人員在進行結構設計的過程中就很容易出現(xiàn)技術方面的問題，影響給排水工程的質(zhì)量。所以相關人員在進行市政給排水工程的設計過程中，就需要深入地對施工技術進行了解，保證水池構筑物的質(zhì)量，結合給排水的實際需要，對水池等構筑物的承載能力以及容納面積等要點進行關注，然后再進行設計。

1 市政給排水工程構筑物結構設計概述

給排水工程是指城市用水供給系統(tǒng)、排水系統(tǒng)（市政給排水）和建筑給排水，簡稱給排水。該工程主要由排水系統(tǒng)和供水系統(tǒng)兩個方面構成。供水系統(tǒng)具有取集和輸送原水、改善水質(zhì)的作用，排水系統(tǒng)主要是指排除人類生活污水和生產(chǎn)中的各種廢水、多余的地面水的工程。二者相互協(xié)調(diào)，共同構成了現(xiàn)階段的市政給排水工程。而作為給排水主要構成的水池等不具備、不包含或不提供人類居住功能的人工建造物，就被稱之為構筑物[1]。由于現(xiàn)階段市政給排水構成的規(guī)模不斷擴大，所以相關構筑物的設計也愈發(fā)復雜，相關人員就需要根據(jù)需求進行結構設計，保證工程功能的順利發(fā)揮。

2 市政給排水工程構筑物結構設計要點

水池等結構作為給排水工程構筑物，具有重要的地位。在現(xiàn)階段城市化的發(fā)展過程中，隨著社會對用水需求的不斷增長，水池構筑物受到的壓力不斷提升。想要保證構筑物滿足現(xiàn)階段社會發(fā)展的需要，就需要深刻把握給排水工程構筑物的設計要點。

2.1 水池的結構

在進行污水處理以及供水工作的過程中，相關構筑物需要根據(jù)不同的需要進行結構形式的選擇，水池結構的設計要符合相關的規(guī)定。水池各種結構的類別以及形式的數(shù)據(jù)都要進行相應的強度檢驗測算。按照工程的地質(zhì)條件、荷載條件以及水文地質(zhì)條件來決定驗算結構的穩(wěn)定性。其大小尺寸以及工藝等都需要按照實際需要進行確定，現(xiàn)階段的水池結構設計按照平面布局，結構可以分為圓形和矩形兩種，按照水池頂部是否具有擋板又可以分為敞口結構和有蓋結構兩種，按照有無隔離墻又可以分為單格結構以及多格結構[2]。水池的結構設計在很大程度上影響給排水構筑物功能的發(fā)揮，相關人員在進行設計的過程中需要根據(jù)實際需求選擇最佳方案，以保證水池構筑物的質(zhì)量。

2.2 水池的荷載

水池等構筑物作為市政給排水工程的重要構成，承擔著相關地區(qū)的水源供給以及排水功能，工作量很大，所以在進行結構設計的過程中，還需要綜合考慮水池構筑物承受荷載的能力。現(xiàn)階段市政給排水工程的水池構筑物荷載主要包含水壓力、土壓力、地下水壓力以及濕度和溫度荷載，荷載組合包括水壓力加自重、水壓力加自重加冬季溫差荷載、水壓力加自重加濕差以及土壓力加自重。相關人員需要大力關注的首先是水壓力，在進行設計的過程中應該在滿水狀態(tài)下計算出水池實際承受的水壓，避免后續(xù)運行過程中出現(xiàn)的溢水現(xiàn)象對水池造成損壞。然后就是土壤對水池造成的壓力，在進行水池等構筑物的設計過程中，部分水池需要在墻壁外圍進行填土處理，以保證水池內(nèi)外兩側(cè)壓力的穩(wěn)定[3]。在該環(huán)節(jié)的荷載壓力測定過程中，需要相關人員在結合具體情況的背景下采用朗肯理論進行測定活動，以保證數(shù)據(jù)的準確性。

2.3 構筑物的截面安全系數(shù)設計

市政給排水工程構筑物的質(zhì)量關鍵還在于其截面的設計，現(xiàn)階段的截面一般包括水池頂蓋、池壁以及底板等部位，相關人員需要對其進行細致的分析，結合給排水的實際需要進行質(zhì)量控制，以避免相關構筑物產(chǎn)生裂縫等問題。在進行水池頂蓋的設計環(huán)節(jié)，針對其強度需要設計的安全系數(shù)來說，頂蓋承受的荷載一般包括自身重量帶來的壓力、土壤覆蓋產(chǎn)生的壓力以及活荷載等，在進行設計的過程中，需要關注頂蓋自身重量以及覆蓋土壤的重量，其安全系數(shù)一般保持在平衡狀態(tài)的1.0最為合適。針對池壁的安全系數(shù)設計來說，由于其在使用過程中主要承受來自于墻外泥土產(chǎn)生的壓力以及內(nèi)部池水造成的壓力，所以在計算過程中只需要對比兩者的數(shù)據(jù)即可。在進行計算的過程中，應該以水池滿載為實驗對象，然后結合朗肯理論進行壓力計算，一般要保證外界土壤對墻壁造成的壓力較大，所以安全系數(shù)一般在1.0左右。而對于底板強度設計的附加系數(shù)來說，由于其只受到來自水池內(nèi)部的水壓力，所以進行壓力計算的環(huán)節(jié)最為簡單，通常只需要計算水壓及均布荷載即可，并且保證安全系數(shù)在1.0左右[4]。這樣一來，就能在很大程度上保證水池構筑物的質(zhì)量。

2.4 水池設計的要點

市政給排水工程構筑物的設計還包括水池等蓄水設施，針對這種大型的構筑物進行設計，相關人員就需要從池形選擇、池壁設計以及底板設計等環(huán)節(jié)進行設計，以保證水池的質(zhì)量和功能的發(fā)揮。在池形選擇環(huán)節(jié)，相關人員根據(jù)具體的要求選擇合適的大小。而且針對水池的形狀，相關人員在設計過程中還需要考慮溫度變化對水池的影響，在專業(yè)人員的指導下設置伸縮縫，這樣才能保證質(zhì)量。然后就是水池材料的選擇，現(xiàn)階段的水池一般都是由鋼筋混凝土結構構成，在承受能力和抗壓能力上均有很高的強度。相關人員要想保證混凝土材質(zhì)的質(zhì)量，就需要結合當?shù)氐沫h(huán)境以及水質(zhì)排放情況進行合理的配比，針對性地提升混凝土強度，保證水池的質(zhì)量。在池壁設計環(huán)節(jié)，相關人員首先就需要使用三邊固定頂端自由或簡支、深池的上部三邊嵌固一邊自由或簡支、下部水平閉合框架兩部分以及淺池按懸臂式擋水墻等計算形式合理地選擇結構計算模型，保證結構設計的準確可靠。然后就是池壁的形態(tài)設計，其池壁厚度的確定通常按水池深度的1/20左右選取，還需要考慮水平角隅的計算問題，注意滿足規(guī)范對鋼筋間距不宜小于100 mm的要求。在底板的設計環(huán)節(jié)，其厚度需要按照1.2～1.5倍池壁厚度選取，既保證底板的剛度也要考慮池壁與底板節(jié)點平衡，并確保池壁是固定支撐于底板上。這樣一來，作用于底板上的池內(nèi)水重和底板自重與它們引起的地基反力相抵消，而不產(chǎn)生彎曲應力，就在很大程度上保證了構筑物的質(zhì)量。市政水池建筑物示意圖1如圖1所示。

圖1 市政水池建筑物示意圖1

3 市政給排水工程構筑物結構設計存在的問題

在進行市政給排水工程的設計過程中，由于現(xiàn)階段社會對于給排水工程的需求更加強烈，對構筑物的規(guī)模和技術提出了更高的要求，相關人員在進行設計的過程中就很容易出現(xiàn)問題，影響水池等構筑物功能的發(fā)揮。想要保證構筑物的質(zhì)量，還需要對設計過程中容易出現(xiàn)的問題進行針對性的了解。

3.1 質(zhì)量方面的問題

在現(xiàn)階段的給排水工程中，給排水工程構筑物的質(zhì)量是設計環(huán)節(jié)的一大問題。在相關構筑物的使用過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)目標無法實現(xiàn)以及給排水構筑物故障等問題，嚴重影響了功能的發(fā)揮。一方面，作為水資源的儲存場所如水箱以及水池等，一般規(guī)模較大，承受著來自內(nèi)部的水壓力，再加上水箱水池等缺乏維修，也會出現(xiàn)故障，影響給排水工程的質(zhì)量。另一方面，作為給排水工程主要構成的管道，也是發(fā)生問題的關鍵部位，現(xiàn)階段的給排水管道一般由金屬和塑料兩種材質(zhì)構成，常年使用加上污水的侵蝕，就很容易出現(xiàn)破裂和接口松動等方面的問題，影響給排水功能的發(fā)揮。而且在構筑物的建設過程中，由于技術和自然等因素的影響，水池等構筑物會在使用過程中產(chǎn)生沉降，嚴重影響構筑物功能的發(fā)揮。

3.2 防滲漏環(huán)節(jié)存在缺陷

水池等作為儲存水源的重要構筑物，在設計的過程中就需要針對水池進行防滲漏處理，一方面避免水資源的浪費，另一方面也避免污水等滲透到土壤中對周圍環(huán)境造成影響。但是在現(xiàn)階段的水池結構設計環(huán)節(jié)，還存在防滲漏方面的問題?，F(xiàn)階段的水池結構通常是由鋼筋混凝土構成，在進行水池結構設計和施工的過程中要想保證水池的承載能力和質(zhì)量，就需要使用大量的水泥以提升混凝土結構的強度。一旦和水源進行長時間的接觸，就會引發(fā)水化熱的增加和混凝土的變形，從而造成混凝土裂縫，使水池的抗?jié)B性能遭到破壞。而且在變形縫的設計過程中，部分設計人員還存在不根據(jù)規(guī)范設計的現(xiàn)象，這樣一來，一旦構筑物外界環(huán)境條件發(fā)生變化，構筑物的結構就會受到很大的影響，造成裂縫的產(chǎn)生，進一步加劇滲漏。另一方面，水池建造技術也會造成水資源的滲漏，水池等結構為了保證質(zhì)量，一般會采用鋼筋混凝土結構作為主要設計方式，在對水池結構進行配筋設計的時候，如果沒有按照圓形水池或者矩形水池分別地進行構造配筋，就會形成貫穿裂縫[5]。所以在現(xiàn)階段市政給排水工程發(fā)展過程中，防滲漏環(huán)節(jié)還存在很大的問題，直接影響了構筑物的質(zhì)量。

3.3 抗上浮方面的問題

水池等構筑物的主要功能是進行水資源的儲存，雖然自來水廠和污水處理廠的水池水源來源和用途不同，但是核心功能是一致的，所以在給排水工程中，水池的重要性十分突出。在現(xiàn)階段市政給排水構筑物工程設計環(huán)節(jié)，還需要加大對水池位置的關注力度。水池類的構筑物由于位置和設計等方面的原因，在運行過程中經(jīng)常會發(fā)生上浮現(xiàn)象，嚴重影響水池功能的發(fā)揮。在水池設計環(huán)節(jié)，如果相關人員在進行設計的過程中缺乏對最低水位的控制，一旦水池內(nèi)部的水位低于區(qū)域最低水位線，就會發(fā)生水池上浮現(xiàn)象，對水池造成嚴重的影響。另一方面，水池的設計位置也會對上浮造成影響，相關人員在進行設計的過程中如果選擇的位置地勢較為低下，一旦遇到雨季，就會造成大量的雨水匯集，導致地下水位超過最低水位，造成水池的上浮。此外，地基的承載能力取值不合理以及不合理的抗上浮措施的使用，也會造成水池上浮。現(xiàn)階段水池上浮已經(jīng)嚴重影響了水池功能的發(fā)揮，需要相關人員加大關注力度，針對水池上浮現(xiàn)象進行處理。

4 市政給排水工程中構筑物結構設計的優(yōu)化

在現(xiàn)階段市政給排水工程構筑物設計的過程中，由于在質(zhì)量、抗上浮以及防滲透等環(huán)節(jié)還存在一定的問題，很大程度上影響了構筑物功能的發(fā)揮，嚴重制約了城市給排水工程的發(fā)展。所以在現(xiàn)代化建設的發(fā)展過程中，就需要相關人員加大重視力度，針對給排水工程構筑物設計環(huán)節(jié)存在的問題進行解決，優(yōu)化構筑物的設計方案。

4.1 構筑物沉降問題的解決

在市政給排水工程構筑物的建設過程中，水池等構筑物的沉降也是影響構筑物功能發(fā)揮的重要因素，嚴重的沉降不僅會影響水池等構筑物的功能，還會對水池形成侵蝕，造成構筑物的質(zhì)量問題，從而造成市政給排水工程的安全隱患。所以在現(xiàn)階段的發(fā)展過程中，就需要相關人員加強對構筑物沉降現(xiàn)象的重視程度，并進行針對性的解決。首先，針對水池構筑物的設計，要進行水池形態(tài)的選擇，相關人員需要結合市政給排水工程的實際規(guī)范和相關要求進行長度以及形態(tài)的選擇，以保證和整體工程的適配性。在池壁以及水池整體的設計環(huán)節(jié)，還需要以懸臂板設定為主，為保證其質(zhì)量，池體就需要在地面下1～3 m左右，而且要保證沉降指數(shù)能達到相關標準[6]。此外，針對池壁的厚度、池底的厚度、抗彎和剪力以及壓力等方面的設計，也需要結合實際的要求保證其合理性。在設計環(huán)節(jié)，也要遵循一般池體設計的規(guī)范，一方面需要考慮溫差和池底內(nèi)部水壓等因素造成的內(nèi)力，然后根據(jù)實際情況將池壁和底板的厚度控制在適宜的區(qū)間內(nèi)。最后，構筑物沉降的產(chǎn)生主要是由于水池滿水后，水池底部的土質(zhì)松軟，無法承受水池蓄水時的重量所產(chǎn)生的壓力，要想對其進行解決，首先需要根據(jù)水池滿池時的重量，以及結構安全系數(shù)計算出其承載能力，挖除水池底部松軟的土壤至良好的土層，水池底部增加厚度適當、級配良好的分層壓實換填層，對于軟土深厚區(qū)域則在水池底板下進行合理的樁基礎的設置，從根本上避免了水池構筑物過度沉降的發(fā)生。

4.2 構筑物的防滲漏處理

現(xiàn)階段市政給排水工程構筑物設計過程中，滲漏現(xiàn)象是制約水池功能發(fā)揮的重要問題，所以想要保證構筑物的質(zhì)量，就需要結合實際針對滲漏現(xiàn)象進行治理。在構筑物的設計環(huán)節(jié)，由于水池結構的滲漏通常都是由變形縫以及混凝土結構產(chǎn)生的裂縫引起的，所以針對滲漏問題的治理就可以從水池的變形縫以及混凝土裂縫環(huán)節(jié)入手。首先，在選材環(huán)節(jié)，相關人員需要根據(jù)構筑物的規(guī)模和設計需要合理地選擇混凝土的強度等級，以保證混凝土的質(zhì)量。而且在滲漏現(xiàn)象的發(fā)生環(huán)節(jié)，水泥和水源發(fā)生反應產(chǎn)生的熱溫差效應是造成混凝土變形的重要因素，所以在施工的過程中，還需要控制好水泥的使用量，才能有效地減小水化的熱溫差以及收縮變形，從而規(guī)避裂縫的產(chǎn)生。在施工環(huán)節(jié)應該注意以下幾點：避免在高溫季節(jié)施工，降低溫差對混凝土的影響；控制水泥比，避免水化熱現(xiàn)象的發(fā)生；保證攪拌環(huán)節(jié)的質(zhì)量，增強混凝土的密實度以及保證預埋件的清潔，避免混凝土與之分離。

4.3 抗上浮技術的實施

在現(xiàn)階段市政給排水工程的發(fā)展過程中，上浮現(xiàn)象也是影響水池構筑物功能發(fā)揮的重要原因，所以相關人員還需要加強對上浮現(xiàn)象的關注，并對其進行抗上浮處理。在實際的使用過程中，水池上浮的原因一般是地下水的浮力過大以及水池位置選擇出現(xiàn)偏差。所以在現(xiàn)階段一方面可以通過增加水池底板的厚度、保證回填質(zhì)量以及增加水池自身的重量等措施規(guī)避可能發(fā)生的水池上浮。在設計的過程中事先針對水池的整體進行抗浮穩(wěn)定計算，同時也要做好局部位置的驗算。要綜合各種影響因素來選擇荷載組合進行抗浮設計。這樣一來，就在很大程度上保證了水池的抗上浮能力。另一方面，由于地勢也是造成水池上浮的重要影響因素，所以還可以在位置選擇方面對上浮現(xiàn)象進行規(guī)避。相關人員在進行水池位置的選擇過程中需要盡量選擇地勢較高的位置，避免雨季水流的大量集聚，從而避免水池上浮。市政水池建筑物示意圖2如圖2所示。

圖2 市政水池建筑物示意圖2

5 結束語

在市政給排水構筑物的設計環(huán)節(jié)，由于現(xiàn)階段城市化的發(fā)展越來越迅速，市政給排水工程的功能越發(fā)復雜，規(guī)模也越來越大，相應地增加了給排水構筑物設計方面的難度。給排水作為現(xiàn)代社會發(fā)展的重要組

成，承擔著重要的任務，需要相關人員通過把握材料選擇、防滲漏、水池設計以及防上浮等要點，保證給排水工程的質(zhì)量，從而促進給排水工程的發(fā)展進步。