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。但大型水池結構自重較大，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，提高污水廠的經濟效益和環境效益。

2 污水廠大型水池裂縫的產生與控制

2.1 產生原因

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

圖1 污水廠大型水池裂縫

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

非結構裂縫包括塑性收縮裂縫、化學反應裂縫等類型。在水池混凝土凝結前，表層混凝土容易因為水分流失而產生結構收縮變形，繼而產生裂縫，產生的裂縫呈現出中間寬、兩側細的形態，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，促使結構毛細孔中產生較大的負壓，引發結構急劇收縮問題。在結構收縮力不足的情況下，會導致結構裂縫問題。而化學反應裂縫的產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，后者會造成局部結構膨脹變大，均會導致裂縫產生，給結構整體安全性帶來威脅。從總體上來看，水池裂縫的產生都是因為結構發生了變形，應通過加強結構設計避免裂縫產生。

2.2 控制措施

在水池裂縫控制方面，考慮到結構在剛度突變、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造配筋預防裂縫產生。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，能夠減小結構受到的影響。其次，可以通過設置伸縮縫應對結構變形問題。考慮到混凝土結構施工容易因水化熱等因素發生體積變化，可以將結構劃分為多個單元，通過布置膨脹縫或收縮縫避免結構產生過大的應力。按照國家設計規范，污水廠大型水池伸縮縫間距最大應在20～30 m，應做到根據地基溫差和硬度等參數合理確定伸縮縫間距，保證伸縮縫可以有效發揮作用。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，可以在水化熱發生早期發揮裂縫控制作用。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，抵抗后期產生的結構變形。大型水池的結構體量較大，選用的水泥強度較高，容易產生大量的水化熱。摻加復合型抗裂防水劑能夠通過結構自應力補償收縮產生的拉應力，增強水池的抗裂性能，使結構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外溫差，預防收縮裂縫發生。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結構變形。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，按照總體規劃需要建設尺寸為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 抗滲等級。作為大型混凝土水池，采用敞口設計，在施工過程中結構易受到外界溫濕度變化的影響，應通過減小內部結構應變加強混凝土裂縫控制。

3.2 結構設計方案

在結構設計方面，按照CECS 138：2002《給水排水工程鋼筋混凝土水池結構設計規程》，利用靜力分析法對結構偏心受力構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；σsq為根據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 為根據有效受拉截面面積計算獲得的鋼筋配筋率；a 為構件受壓系數；v 為鋼筋表面特征系數。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。在未考慮結構內部變形應力的情況下進行結構布筋，采用有限元軟件Midas 簡化計算過程，完成水池結構受力分析。按照原方案池壁會產生最大寬度為0.21 mm 的裂縫，底板最大產生寬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，但根據現行規范要求，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，需要采用增加構造筋、設置后澆帶等方式控制水池結構裂縫產生。

3.3 裂縫控制措施

3.3.1 增加抗溫構造筋

針對水池在后期使用過程中將承受內外溫差的問題，在日常溫差達到20 K 的條件下，結構彎矩折減系數將達到0.65，結構線性膨脹系數為1×10-5，通過有限元分析可得水池附加彎矩（見表1）。根據結構內力組合，需要增設抗溫構造筋，通過加強配筋應對溫度應力帶來的影響，有效控制結構裂縫的產生。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。通過布置抗溫構造筋，可以增強池壁混凝土抵抗溫度應力變化的能力，在結構施工后減少溫差效應，避免混凝土因內部拉應力過大引發裂縫。

表1 水池附加彎矩

3.3.2 設置后澆帶結構

在裂縫控制方面，還要完成后澆帶結構設置，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 個區域，在縱向位置布置2 道后澆帶，如圖2 所示。在各分區分別設置2 道膨脹加強帶，能夠保證結構產生的變形能夠主動釋放，同時，可以通過加強帶消耗結構釋放應力，避免結構產生裂縫。后澆帶采用C40 收縮補償混凝土，迎水面上鋪設止水鋼板，能夠對結構產生的收縮應力進行補償，并預防結構滲漏問題。在兩側池壁混凝土澆筑42 d 后才能進行后澆帶施工，并對混凝土結構進行28 d 的養護。為避免冷縫產生，在兩側混凝土澆筑后應及時完成加強帶澆筑，有效保證結構施工質量。采用該措施可以在不設縫的情況下完成水池澆筑施工，降低結構施工難度，保證結構施工質量，提高結構整體穩固性。

圖2 后澆帶布置

3.3.3 添加結構抗裂劑

考慮水池體積較大，為滿足結構裂縫控制需要，需要在混凝土結構中添加抗裂劑，增強結構的自防水性能。具體來講，就是在水池底板、池壁和頂板結構混凝土中摻加氧化鎂類膨脹劑，可以緩慢發生微膨脹，具有齡期長、可持續膨脹等優勢，提高水池的抗裂性能。從結構膨脹率指標來看，在20 ℃下進行水養護7 d，膠砂限制膨脹率至少達到0.012%，在40 ℃下能夠達到0.020%。在結構施工期間，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。為避免結構發生應變，施工過程應加強混凝土內部溫升監測，通過控制內外溫差防止裂縫產生。此外，需要對添加抗裂劑的混凝土結構實施14 d 的養護，其間應通過灑水保持結構表面濕潤，確保材料膨脹性能可以充分發揮。

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構施工，并精細組織施工，通過加強水泥用量控制、水灰比調節等措施增強各部分混凝土的抗裂能力，保證整體結構施工質量良好[3]。其間，應加強混凝土內外溫差控制，并使混凝土表面保持濕潤，以免結構發生干縮變形等問題，從而減小結構內部的溫度應力，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，始終未出現裂縫，體現了良好的使用性能。

4 結語

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