分析市政污水處理廠水池結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn)

文／王昱昊 合肥市市政設(shè)計研究總院有限公司 安徽合肥 230000

引言：

良好的生態(tài)環(huán)境及生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)是我們城市發(fā)展的必要條件，而污水處理是確保良好生態(tài)環(huán)境的重要組成部分。由于城市污水需通過污水管網(wǎng)進(jìn)行收集，難以實(shí)現(xiàn)源頭治理，因此，污水通常采取后期處理，建設(shè)污水廠能進(jìn)一步落實(shí)水污染治理工作，完善污水處理設(shè)施。而在市政污水廠的各類構(gòu)筑物中，池體結(jié)構(gòu)是主要組成部分，必須保證其結(jié)構(gòu)的安全性、合理性和耐久性，才能滿足污水處理的使用功能。因此，本文對市政污水處理廠水池結(jié)構(gòu)設(shè)計問題進(jìn)行詳細(xì)論述。

1.水池結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn)探究

1.1 污水處理廠水池結(jié)構(gòu)設(shè)計要點(diǎn)

1.1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范

在制定市政污水處理廠結(jié)構(gòu)方案時，應(yīng)根據(jù)周邊環(huán)境、水文地質(zhì)資料和運(yùn)行荷載，進(jìn)行詳細(xì)的計算，在遵循現(xiàn)行國家和地方設(shè)計規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的前提下，使結(jié)構(gòu)在施工階段和使用階段均能滿足承載力、穩(wěn)定性和抗浮等要求。

1.1.2 設(shè)計原則和特點(diǎn)

針對市政污水處理廠池體結(jié)構(gòu)尺寸大、要求高的特點(diǎn)，應(yīng)確保其安全性、實(shí)用性，既要達(dá)到功能性要求，又要確保傳力明確、受力合理，又要兼顧經(jīng)濟(jì)性要求，同時優(yōu)先采用新技術(shù)、新材料。另外，在進(jìn)行池體結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)按池內(nèi)有水、池外無土和池內(nèi)無水、池外有土工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算，并考慮 溫、濕度應(yīng)力的影響。在進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算的同時，還有要考慮抗?jié)B、防腐等方面的設(shè)計。污水處理廠是用來處理生活污水或工業(yè)廢水，池體結(jié)構(gòu)對防滲有著較高要求，因此，如何防止因污水滲漏而產(chǎn)生二次污染就顯得尤為重要。

1.2 池形選擇

污水廠池體構(gòu)造形式多樣，適用領(lǐng)域也很廣泛。池由三部分組成：頂板、底板和池墻組成。根據(jù)不同形態(tài)，可以劃分成圓形和矩形兩類；根據(jù)材料不同，水池可劃分為鋼筋混凝土水池、金屬材質(zhì)水池和砌體結(jié)構(gòu)水池；根據(jù)不同工況，可將其劃分成開放型和密閉型；可將水池分為全地上、半地上以及全地下。一般由工藝根據(jù)設(shè)備具體條件來確定蓄水池容量，而結(jié)構(gòu)專業(yè)根據(jù)場地、結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)和技術(shù)條件來確定蓄水池類型。根據(jù)現(xiàn)場適用性，矩形水池具有明顯優(yōu)越性，它能有效提高土地利用率，節(jié)省空間，而且它施工支模也比較簡單，尤其是在多個池塘或者屋頂建筑情況下，更為理想要屬矩形水池。

針對大型混凝土構(gòu)筑物地基承載力要求低的特點(diǎn)，大型敞口池結(jié)構(gòu)底板采取整體式條基與構(gòu)造底板結(jié)合的方式，充分利用天然基礎(chǔ)，降低底板平均結(jié)構(gòu)厚度和用筋量。由于敞口水池池壁上端自由，通過合理設(shè)置走道板，對池壁上端進(jìn)行約束，以減小池壁配筋量和頂部變形。

1.3 水池主要設(shè)計荷載

（1）土重度：土天然重度除詳?shù)刭|(zhì)資料外，一般取γ=18kN/m3

土飽和重度取γ=20kN/m3，土浮容重γ=10kN/m3

地下水位以下土的有效重度取10.00kN/m3。

（2）回填土側(cè)向土壓力：側(cè)向土壓力系數(shù)取1/3。

（3）構(gòu)筑物地面堆載取10.00kN/m2。

（4）污水重度取10.50kN/m3。

（5）混凝土：強(qiáng)度計算時γ=25kN/m3

抗浮計算時γ=23kN/m3。

（6）吊車動力系數(shù)1.10。

（7）活荷載取值：

屋面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值：0.5kN/m2（不上人屋面），2.0kN/m2（上人屋面），池頂走道板2.0kN/m2，樓梯活荷載3.5kN/m2，欄桿及挑檐水平荷載1.0kN/m，雨篷挑檐施工檢修荷載1.0kN。對于有設(shè)備、工具、堆物的應(yīng)根據(jù)實(shí)重驗算局部集中荷載。其他活荷載嚴(yán)格按照現(xiàn)行國標(biāo)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2012 及其它相關(guān)規(guī)范規(guī)程取用活荷載。

1.4 結(jié)構(gòu)抗裂性能和裂縫寬度控制

《給水排水工程構(gòu)筑物設(shè)計規(guī)范》中提出：當(dāng)截面為軸心受拉或小偏心受拉時，應(yīng)按照不發(fā)生開裂原則，采用影響短期效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合進(jìn)行計算，以此進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗裂性校核；當(dāng)構(gòu)件截面受彎、大偏心受壓或受拉時，應(yīng)按照裂縫寬度來控制，并采用具有較強(qiáng)長期影響準(zhǔn)永久性聯(lián)合計算。

在對池體進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)對其結(jié)構(gòu)變形和抗裂度進(jìn)行仔細(xì)分析。水池部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計按承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)兩種狀態(tài)控制，需嚴(yán)格控制混凝土裂縫開展寬度，對軸心受拉構(gòu)件、小偏心受拉構(gòu)件按抗裂度進(jìn)行設(shè)計。對受彎構(gòu)件及大偏心受拉構(gòu)件裂縫控制等級一般為三級，水池構(gòu)件最大裂縫寬度限值為≤0.2mm。按照“細(xì)而密”的設(shè)計原則進(jìn)行配筋設(shè)計，池體水平鋼筋（溫度筋）間距控制在≤150mm 的范圍內(nèi)，起到控制混凝土有害裂縫產(chǎn)生及控制裂縫開展寬度的作用。

1.5 防腐處理

污水對混凝土構(gòu)筑物有一定程度的腐蝕性，對構(gòu)筑物的表面防腐是結(jié)構(gòu)安全性、耐久性的重要保證。土建設(shè)計將依據(jù)工藝提供的水質(zhì)條件，按處理類別、酸性程度采取相應(yīng)的防水防腐涂料。

2.市政污水處理廠水池結(jié)構(gòu)設(shè)計中需要注意的問題

在城市污水處理廠水池結(jié)構(gòu)設(shè)計中，除了對池體自身進(jìn)行受力分析，還需要對池體抗浮和防滲問題進(jìn)行考慮，這是目前工程中經(jīng)常遇到問題。

2.1 池體抗浮問題

在進(jìn)行地埋池設(shè)計時，應(yīng)充分考慮地下水對池體的影響。在地下水作用下，池體放空狀態(tài)時僅靠自重可能無法滿足抗浮要求。一般來講，水池抗浮不能滿足的原因有以下兩種原因：一是工程場地的內(nèi)的地下水位通常是會發(fā)生一定起伏變化，其不僅受到環(huán)境的影響也受到降水量的影響，而地勘單位難以長期精確測量該區(qū)域的地下水位，為了保證抗浮安全，通常地勘報告中給出的抗浮水位為設(shè)計地面標(biāo)高以下0.5～1m。二是盡管結(jié)構(gòu)可以滿足整體抗浮的要求，但是由于結(jié)構(gòu)池體面積較大，隔墻分布不均勻，導(dǎo)致局部區(qū)域不能滿足設(shè)計規(guī)范中抗浮要求，當(dāng)?shù)装迨艿礁×r，局部可能會產(chǎn)生應(yīng)力集中。

2.2 防滲漏問題

目前，污水處理廠的內(nèi)大多蓄水池為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，有些池體在完工后運(yùn)行過程中出現(xiàn)池體開裂滲漏的問題。主要因素有兩個：一是池體的混凝土水泥用量較高，在施工中會出現(xiàn)水化熱，養(yǎng)護(hù)不到位，溫度上升導(dǎo)致出現(xiàn)收縮裂縫；二是混凝土沒有振搗均勻，混凝土產(chǎn)生蜂窩狀構(gòu)造，混凝土硬化過程中產(chǎn)生裂縫；在澆注池體底板與側(cè)壁銜接處時，底板應(yīng)與部分側(cè)壁同步澆筑，施工縫應(yīng)留設(shè)在底板以上300mm 的高度。如果底板與側(cè)壁分開澆筑，接縫處易產(chǎn)生滲漏問題。

3.解決污水處理廠水池結(jié)構(gòu)產(chǎn)生問題措施

3.1 解決底板抗浮穩(wěn)定性問題

當(dāng)池體放空狀態(tài)時僅靠自重?zé)o法滿足抗浮要求時，需進(jìn)行抗浮設(shè)計，提出抗浮措施：（1）配重抗浮：通過增加池體自重，通常在池底板增加配重混凝土，通過鋼筋將之與底板連接。（2）樁基抗浮：可選用灌注樁及預(yù)制樁。本著經(jīng)濟(jì)安全可靠、施工工期快的原則選用鋼筋混凝土預(yù)制樁比較適宜，但當(dāng)池底板下土層為巖層或較硬土質(zhì)，靜壓樁難以施工的情況可采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁。（3）錨桿抗?。阂罁?jù)《建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，當(dāng)抗浮設(shè)計等級為乙級時，標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定抗浮構(gòu)件一般要求按不出現(xiàn)裂縫進(jìn)行設(shè)計，故抗浮設(shè)計等級為乙級及以上的工程，宜選擇預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿，預(yù)應(yīng)力抗浮錨桿采用套管將錨桿桿體與地下水土完全隔離，且注漿體受力時處于壓力狀態(tài)避免錨固體拉伸裂縫的出現(xiàn)，克服了傳統(tǒng)拉力型錨桿存在的耐久性隱患。

3.2 水池結(jié)構(gòu)滲漏措施

池體在干縮和溫縮等因素的共同作用下，容易產(chǎn)生開裂，從而導(dǎo)致池體滲漏。為防止池體出現(xiàn)滲漏，應(yīng)注意選用合適混凝土強(qiáng)度，并對水泥用量、水膠比等進(jìn)行嚴(yán)格控制。對于構(gòu)筑物平面尺寸露天式大于20m、全地下式大于30m 時，一般通過設(shè)置變形縫將結(jié)構(gòu)完全分開，縫寬30mm，中間設(shè)置遇水膨脹橡膠止水帶。當(dāng)單體構(gòu)筑物對整體性要求較高，分縫過多會產(chǎn)生不利影響時，設(shè)計將采取設(shè)置后澆帶、加強(qiáng)帶等方法達(dá)到抗裂目的。我們對溫度應(yīng)力采取“以防為主”的處理方式，通過在混凝土中添加低含堿量的添加劑，并設(shè)置現(xiàn)澆膨脹加強(qiáng)帶及后澆帶抵抗溫度應(yīng)力，控制施工期間早期裂縫的開展。下部結(jié)構(gòu)在構(gòu)造上采取下列防裂措施可有效防止裂縫開展：

（1）優(yōu)化水平鋼筋的配置，采用細(xì)筋密布原則布置，在同樣配筋率的情況下優(yōu)先選擇較細(xì)鋼筋較小間距布置；（2）對于超長池體壁板水平分布筋，采用布置附加水平細(xì)鋼筋抵抗溫度收縮應(yīng)力；（3）優(yōu)化混凝土配比，減小水化熱，提高抗裂、抗?jié)B性能；（4）混凝土中摻膨脹劑、纖維等提高混凝土的抗裂性能；（5）加強(qiáng)混凝土的養(yǎng)護(hù)，減少混凝土開裂。

4.案例分析

以合肥市長豐縣某市政污水處理廠為實(shí)例，該污水廠工程模為5.0 萬m3/d。需新建A2/O 生化池、高效沉淀池、粗格柵及進(jìn)水泵房、細(xì)格柵及旋流沉砂池、選擇池及厭氧池、接觸消毒池等構(gòu)筑物。主體結(jié)構(gòu)均采用C30 混凝土，盛水構(gòu)筑物和泵房地下部分等混凝土抗?jié)B等級為P8～P10。包管、二次澆筑混凝土等級為C30，墊層混凝土等級為C15，配重混凝土等級為C20。

4.1 周邊環(huán)境及地層結(jié)構(gòu)

施工場地位于長豐縣某開發(fā)區(qū)，場地大地貌單元屬江淮波狀平原，微地貌單元為崗地。場地基本已經(jīng)整平，場地較開闊，地勢起伏較小根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)鉆探揭露及地表地質(zhì)調(diào)查，場內(nèi)地層自上而下主要地層分述如下：

（1）層雜填土，層厚1.30～3.20m，雜色，該層為近期人工回填土，以粘性土、碎石及植物根莖組成，屬欠固結(jié)土層，該層土厚度不均勻。（2）層淤泥層，層厚1.60～3.70m，灰色～灰黑色，軟～流塑狀，飽和，含腐殖質(zhì)，有嗅味，干強(qiáng)度低，韌性低。（3）層粉質(zhì)黏土層，層厚1.20～4.00m，灰、灰黃色，干強(qiáng)度中等，韌性中等，切面較粗糙，無搖振反應(yīng)。（4）層黏土層，層厚1.20～4.00m，灰黃、黃褐色?？伞菜軤顟B(tài)，含少量鐵錳氧化物。搖振反應(yīng)無，切面稍光滑，干強(qiáng)度中等，韌性中等。此層土分布于整個場地，屬于中等壓縮性土。（5）層強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖該層未鉆穿，棕紅色，結(jié)構(gòu)構(gòu)造大部分破壞，主要由砂土及黏土礦物組成，巖芯極破碎，含風(fēng)化碎屑，手捏易碎。

表1 天然地基設(shè)計參數(shù)

4.2 抗浮設(shè)計

根據(jù)《建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，本工程抗浮設(shè)計等級為乙級，抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)為1.05。

式中Kf——抗浮穩(wěn)定性系數(shù)。

ΣW——計算區(qū)域總抗浮里標(biāo)準(zhǔn)值，KN；

ΣFf——計算區(qū)域地下結(jié)構(gòu)底板所承受的浮力標(biāo)準(zhǔn)值綜合，KN/m2；

A——計算區(qū)域的底板面積，m2。

表2 各單體抗浮計算結(jié)果表

圖1 高效沉淀池計算模型

由上述計算結(jié)果可知，A2/O 生化池、接觸消毒池及二沉池以自重抗浮系數(shù)＜1.05,不滿足抗浮要求。因A2/O生化池池體面積達(dá)4464m2，結(jié)構(gòu)單體所受浮力較大、上浮變形控制要求較高，采用抗浮樁方案更為安全、可靠，能應(yīng)對各種復(fù)雜工況，故本工選用樁基抗浮。二沉池及接觸消毒池等面積較小的構(gòu)筑物因抗浮系數(shù)接近規(guī)范要求值，故采用增加一定數(shù)量的配重混凝土來使其滿足要求。

4.3 池體結(jié)構(gòu)設(shè)計

以該污水廠的高效沉淀池為例，該水池為典型的多格鋼筋混凝土水池，池體長為33.7m，寬度為14.4m。池體高度總高度為9m，底板埋深為4.5m?；A(chǔ)持力層為④層粘土，承載力特征值fak=200kPa。

高效沉淀池屬于露天結(jié)構(gòu)，根據(jù)《給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》第7.1.3 條，現(xiàn)澆露天混凝土結(jié)構(gòu)伸縮縫最大間距為20m。規(guī)程中也注明當(dāng)在混凝土中加摻合料或設(shè)置混凝土后澆帶以減少收縮變形時，伸縮縫間距可根據(jù)經(jīng)驗確定。為保證結(jié)構(gòu)的整體性，在高效沉淀池的混凝土中摻入抗?jié)B防裂微膨脹型外加劑，要求外加劑不得對人體產(chǎn)生危害、對環(huán)境產(chǎn)生污染，質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合相關(guān)規(guī)范的要求。同時，在池體平面中部設(shè)置后澆帶，后澆帶寬度為1m，后澆帶設(shè)置包含底板、側(cè)壁及頂板形成閉環(huán)。要求高效沉淀池后澆帶位置在兩側(cè)混凝土澆筑完42 天后，外表面經(jīng)過鑿毛清理后，澆筑比主體結(jié)構(gòu)混凝土強(qiáng)度等級提高一級的補(bǔ)償收縮混凝土即C35 混凝土。

由于水池的受力情況較為復(fù)雜，需要考慮多種不同的池內(nèi)外荷載作用，如外土壓力、水壓力，溫度作用等。在不同的工況下，需要采用多種的荷載組合，針對閉水試驗、滿水、無水等工況進(jìn)行計算分析。

結(jié)語：

城市污水廠池體結(jié)構(gòu)能否合理地設(shè)計，將會對污水廠的建設(shè)及運(yùn)行產(chǎn)生重大影響。設(shè)計要掌握設(shè)計要領(lǐng)，根據(jù)周圍環(huán)境，區(qū)別各構(gòu)筑物的體形、工藝要求等特點(diǎn)，制定安全、經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)受力體系和計算模型。根據(jù)各構(gòu)筑物高度和不同工況特點(diǎn)，選取合理的受力模型，改變構(gòu)件內(nèi)力分布，從而達(dá)到降低造價、提高構(gòu)筑物安全性和耐久性的目的。