水池技術(shù)改造工程中池壁洞口改造加固設(shè)計(jì)與分析

馬梓涵，王強(qiáng)

（中國(guó)市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300074）

1 引言

伴隨城鄉(xiāng)污水排放標(biāo)準(zhǔn)愈發(fā)嚴(yán)格，越來(lái)越多的水處理構(gòu)筑物因工藝設(shè)計(jì)規(guī)模限制，已無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)有水處理要求。為有效利用已有水處理構(gòu)筑物，減少重建帶來(lái)的浪費(fèi)，針對(duì)水處理構(gòu)筑物的技術(shù)改造工程被廣泛實(shí)施[1]。此類(lèi)技術(shù)改造工程旨在通過(guò)對(duì)現(xiàn)狀水處理構(gòu)筑物采取開(kāi)洞、加高及增加隔墻等措施，以滿(mǎn)足改造后工藝設(shè)計(jì)要求。其中，在水池池壁不同位置設(shè)置洞口以滿(mǎn)足水處理單元工藝設(shè)計(jì)要求最為常見(jiàn)。結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)須在相應(yīng)位置，根據(jù)開(kāi)洞尺寸、形狀及位置制訂不同的加固方案，以求滿(mǎn)足池壁強(qiáng)度要求的同時(shí)對(duì)原池壁產(chǎn)生較小影響。本文結(jié)合的工程實(shí)例，研究不同類(lèi)型池壁開(kāi)洞加固設(shè)計(jì)方案。

2 項(xiàng)目背景

本文以天津某廠內(nèi)現(xiàn)狀RH 循環(huán)供水提升泵池作為案例進(jìn)行研究。該泵池改造后將作為中間泵站將廠區(qū)廢水加壓提升至新建調(diào)蓄池，改造內(nèi)容主要包括：（1）對(duì)現(xiàn)狀內(nèi)部隔墻做底部增設(shè)過(guò)水洞；（2）對(duì)現(xiàn)狀池壁增設(shè)DN800 mm 工藝管道。

現(xiàn)有泵池（見(jiàn)圖1）分為水池及泵坑兩部分，單個(gè)內(nèi)徑為27.7 m×5.75 m，水池凈高5.8 m，原狀池壁厚350 mm，底板厚700 mm；水池底板頂標(biāo)高為-2.00 m，工藝最高液位為0.1 m，室外地坪標(biāo)高2.670 m，設(shè)計(jì)抗浮水位按室外地坪標(biāo)高考慮。本改造工程未增加任何荷載，經(jīng)復(fù)核，改造后水池滿(mǎn)足承載力要求。

圖1 天津某廠內(nèi)現(xiàn)狀RH循環(huán)供水提升泵池

3 池壁開(kāi)洞處加固及內(nèi)力計(jì)算

水土側(cè)向壓力下，池壁根部及跨中會(huì)處產(chǎn)生控制彎矩，池壁洞口周邊對(duì)應(yīng)產(chǎn)生應(yīng)力集中。洞口處若無(wú)相應(yīng)的加固措施滿(mǎn)足承載力要求，會(huì)因承載力或耐久性不滿(mǎn)足要求而產(chǎn)生相應(yīng)破壞。

規(guī)范[2]中6.4 節(jié)規(guī)定，鋼筋混凝土構(gòu)筑物開(kāi)孔處應(yīng)采取加強(qiáng)措施：（1）當(dāng)開(kāi)孔的凈距介于300～1 000 mm 時(shí)，孔口的每側(cè)沿受力鋼筋方向應(yīng)配置不小于開(kāi)孔切斷的受力鋼筋截面積的75%加強(qiáng)鋼筋，對(duì)矩形洞口四周加設(shè)斜筋；對(duì)圓形洞口加設(shè)環(huán)筋；（2）當(dāng)開(kāi)孔的凈距大于1 000 mm 時(shí)，對(duì)孔口四周加設(shè)肋梁；（3）當(dāng)開(kāi)孔直徑或?qū)挾却笥跇?gòu)筑物壁、板計(jì)算跨度的1/4時(shí)，宜對(duì)孔口設(shè)置邊梁。就水池改造工程而言，現(xiàn)狀池壁已經(jīng)澆筑成型，通常沒(méi)有條件按上述要求設(shè)置附加鋼筋并滿(mǎn)足錨固長(zhǎng)度要求。

另外，傳統(tǒng)計(jì)算池壁洞口處內(nèi)力是將池壁按照雙向/ 單向板取手冊(cè)[4]系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，再對(duì)洞口截?cái)噤摻蠲娣e以附加鋼筋的形式進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。但按照此方法計(jì)算的內(nèi)力往往較大，計(jì)算所需附加鋼筋面積較大，加固洞口時(shí)將剔除更多池壁部分，對(duì)原有結(jié)構(gòu)造成不必要的破壞。

本著盡量減少對(duì)于原結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞與影響，并使構(gòu)件受力明確合理的原則[3]。本文利用Midas 有限元模型對(duì)開(kāi)洞處受力情況進(jìn)行分析，制訂有針對(duì)性的洞口加固方案。

3.1 Mi das 有限元分析軟件

本工程采用Midas Gen 有限元軟件進(jìn)行擬改造水池模型計(jì)算，通過(guò)有限元模型計(jì)算，能夠更好地考慮池壁間彎矩分配等效應(yīng)，對(duì)池壁開(kāi)洞處應(yīng)力集中、應(yīng)力重分配所產(chǎn)生的彎矩予以準(zhǔn)確計(jì)算，實(shí)際工程中結(jié)合有限元分析結(jié)果，對(duì)洞口加固設(shè)計(jì)做出更合理的方案。

3.2 擬改造水池有限元模型

擬改造計(jì)算模型采用薄板單元與梁?jiǎn)卧M(jìn)行建模計(jì)算，有限元網(wǎng)格劃分最大單位長(zhǎng)度為0.5 m，頂板、池壁及底板有限元單元網(wǎng)格劃分選用四邊形，圓形洞口部分考慮到計(jì)算準(zhǔn)確性與圓形洞口傳力途徑，網(wǎng)格劃分時(shí)選取三角形及四邊形單元放射狀環(huán)洞口布置（見(jiàn)圖2）。

圖2 擬改造水池有限元模型

板單元厚度根據(jù)現(xiàn)狀水池設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)確定，分別為150 mm（頂板）、400 mm/500 mm（池壁）及700 mm（底板）；根據(jù)原水池布置梁系，梁采用線單元模擬，截面為寬250 mm×高500 mm。擬改造水池模型邊界條件選取面彈性支承，角點(diǎn)處限制水平方向位移，彈簧剛度選取10 000 kN/m3。水池池壁及底板分滿(mǎn)水試驗(yàn)/空池檢修兩種工況進(jìn)行計(jì)算，其中內(nèi)水重度取10.5 kN/m3，地下水位土的有效重度取10 kN/m3，地下水重度取10 kN/m3。

3.3 有限元模型內(nèi)力分析

利用Midas Gen 有限元軟件，考慮水池結(jié)構(gòu)整體剛度的影響，對(duì)上小節(jié)所建立模型進(jìn)行有限元計(jì)算分析。圖3 為滿(mǎn)水試驗(yàn)工況下，DN400 mm 擬開(kāi)洞處池壁水平向、豎向內(nèi)力值。此池壁為擬改造水池內(nèi)池壁，內(nèi)力彎矩值僅受池壁內(nèi)側(cè)水壓力控制。擬開(kāi)洞中心標(biāo)高為-0.030 m，最高水位為-0.100 m。從有限元分析結(jié)果可見(jiàn)，擬改造DN400 mm 洞口周邊水平向/ 豎向彎矩值僅為1～3 kN·m。因此，在此工藝改造條件下，洞口處所受彎矩值很小，對(duì)池壁強(qiáng)度及裂縫影響可忽略不計(jì)。

圖3 滿(mǎn)水試驗(yàn)工況下內(nèi)水壓力作用下DN400 mm洞口內(nèi)力（單位：kN·m/m）

對(duì)于DN800 mm 擬開(kāi)洞口池壁，洞口中心標(biāo)高為-1.200 m，工藝最高水位-0.100 m。在滿(mǎn)水試驗(yàn)工況下，由圖4 可見(jiàn)，工藝水位較低，擬開(kāi)洞口周邊池壁水平彎矩最大值為10 kN·m；豎向彎矩最大值近似為20 kN·m。

圖4 滿(mǎn)水試驗(yàn)工況下內(nèi)水壓力作用下DN800 mm洞口彎矩（單位：kN·m）

空池檢修工況下，擬改造水池池體埋深較深（約5.050 m），受到外部水土側(cè)向壓力影響較大。池壁外側(cè)在外部水土及堆積荷載側(cè)向作用產(chǎn)生的壓力下，水平向及豎向池壁彎矩值如圖5 所示，最大值約為100 kN·m。在外部水土壓力作用下，因應(yīng)力集中及洞口處應(yīng)力重分配，洞口周?chē)軓澗刂递^大，需采取有效的加固措施對(duì)洞口進(jìn)行處理。

圖5 空池檢修工況下外土壓力作用下DN800 mm洞口彎矩（單位：kN·m/m）

根據(jù)上述擬改造水池有限元計(jì)算結(jié)果，不難發(fā)現(xiàn)，利用有限元軟件對(duì)擬改造水池進(jìn)行整體計(jì)算，可以使設(shè)計(jì)者更精準(zhǔn)地掌握不同工藝改造條件下的擬改造池壁洞口處的實(shí)際內(nèi)力大小。利用此結(jié)果，可優(yōu)化傳統(tǒng)加固方案，同時(shí)可使加固方案對(duì)于池壁的影響降到最低。

4 水池改造洞口處加固方案

本文中所研究擬改造水池共涉及3 種不同類(lèi)型開(kāi)洞（內(nèi)池壁方形過(guò)水洞、多洞口并排布置及池壁較深處開(kāi)洞）。本小節(jié)結(jié)合有限元分析結(jié)果就3 種不同類(lèi)型開(kāi)洞的加固設(shè)計(jì)措施加以討論研究。

4.1 位于內(nèi)部池壁的方形過(guò)水洞

此類(lèi)型改造洞口為兩個(gè)內(nèi)池壁底部過(guò)水方形洞，該池壁兩側(cè)工藝改造水位相同，池壁兩側(cè)水壓力平衡，無(wú)內(nèi)力產(chǎn)生。此類(lèi)構(gòu)件僅需簡(jiǎn)單剔除，切斷后的混凝土表面做鑿毛處理后，做素水泥漿（內(nèi)摻建筑膠）一道，并抹聚合物水泥砂漿面層。

4.2 多洞口并排布置

圖1 中，擬改造DN400 mm 池壁開(kāi)洞共3 處，距離較近，洞口凈距僅1 500 mm。如按照傳統(tǒng)加固方案設(shè)置環(huán)梁，需開(kāi)鑿直徑遠(yuǎn)大于400 mm 的洞口，施工過(guò)程易對(duì)洞口間薄弱部位造成破壞，影響整個(gè)池壁。根據(jù)上一節(jié)中有限元分析計(jì)算結(jié)果（見(jiàn)圖3），該處擬改造洞口在內(nèi)水壓力作用下，洞口周?chē)鷥?nèi)力可忽略不計(jì)。因此，本側(cè)改造措施主要以防漏封堵為主。具體方案如圖6 所示，池壁處開(kāi)鑿直徑500 mm 洞口，對(duì)洞口混凝土表面做鑿毛處理，加做素水泥漿（內(nèi)摻建筑膠）一道，并抹聚合物水泥砂漿面層后，穿入DN400 mm 鋼管。鋼管與池壁開(kāi)孔表面按照02S404《防水套管》圖集密封防水做法（打石棉水泥后，封嵌密封膏）做防水處理。

4.3 較深處池壁開(kāi)洞

擬改造水池中，改造DN800 mm 洞口位于水池較深位置，雖水池內(nèi)部工藝最高水位較低，但水池埋深較深，池壁內(nèi)力主要受外部水土作用影響。擬改造水池有限元計(jì)算結(jié)果（見(jiàn)圖4和圖5）顯示，此處洞口周邊應(yīng)力集中較明顯，彎矩較大。本工程中擬采用環(huán)梁（見(jiàn)圖7），根據(jù)有限元模型分析結(jié)果計(jì)算環(huán)梁所需配筋面積，從而對(duì)此處擬改造洞口進(jìn)行開(kāi)鑿加固設(shè)計(jì)。

圖7 DN800 池壁開(kāi)洞處加固做法（單位：mm）

值得一提的是，傳統(tǒng)雙向板池壁內(nèi)力將近似取為池壁底部彎矩，彎矩取值較大，計(jì)算配筋面積（所用鋼筋）及環(huán)梁截面大小均會(huì)偏大。而有限元模型分析結(jié)果，能給出洞口處較為精確的內(nèi)力值，可以對(duì)環(huán)梁加固方案進(jìn)行配筋優(yōu)化。既能保證結(jié)構(gòu)構(gòu)件安全，又能節(jié)省改造成本。

5 結(jié)論與展望

本文針對(duì)實(shí)際工程實(shí)例，對(duì)擬改造水池不同類(lèi)型洞口加固措施加以研究。通過(guò)Midas Gen 有限元軟件分析計(jì)算，得出較精確的洞口處內(nèi)力值。根據(jù)不同位置分析結(jié)果，提出相對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)加固方案。在滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)安全性要求的情況下，做出更為優(yōu)化的加固設(shè)計(jì)方案。

針對(duì)本文研究?jī)?nèi)容，得出以下結(jié)論，供今后水池構(gòu)筑物技術(shù)改造工程洞口加固設(shè)計(jì)參考。

1）水池技術(shù)改造工程中，構(gòu)筑物水池開(kāi)洞應(yīng)盡量選擇圓形洞口，減少應(yīng)力集中影響，同時(shí)對(duì)開(kāi)鑿洞口所在池壁影響較小。

2）水池技術(shù)改造工程中，構(gòu)筑物水池開(kāi)洞應(yīng)盡量避免洞口設(shè)置過(guò)密。洞口間凈距過(guò)小，在開(kāi)鑿洞口過(guò)程中將形成薄弱部位，易對(duì)池壁造成破壞。

3）水池構(gòu)筑物改造開(kāi)鑿洞口，如洞口所在池壁在外側(cè)壓力作用下，由應(yīng)力集中產(chǎn)生的洞口處內(nèi)力值可忽略時(shí)，加固設(shè)計(jì)可考慮取消環(huán)梁，僅設(shè)置防漏防水措施，減小開(kāi)鑿洞口尺寸。

4）利用有限元分析軟件對(duì)擬改造池壁開(kāi)洞水池進(jìn)行整體建模計(jì)算，可精準(zhǔn)算出洞口處由應(yīng)力集中產(chǎn)生的內(nèi)力，從而優(yōu)化洞口環(huán)梁設(shè)計(jì)，減少鋼筋用量，降低改造成本。