污水處理廠生物池結構設計研究

向仍勇

（中機國際工程設計研究院有限責任公司 湖南長沙　410007）

污水處理廠生物池結構設計研究

向仍勇

（中機國際工程設計研究院有限責任公司 湖南長沙410007）

隨著我國社會經濟的發展以及科學技術的進步，污水處理技術水平有了很大的提高，有效改善了我國的水環境。作為污水處理的主要載體，污水處理廠建設顯得十分重要，其中，生物池的結構設計引起了諸多專家學者的研究。本文結合具體的工程實例對生物池結構設計特點及設計要點進行了分析，供相關人士參考。

污水處理廠；生物池；結構設計

引言

生物池是污水處理廠的主要組成部分，其設計較為復雜，涉及了許多計算和模型的建立，因此，需要對其進行綜合考量，保證計算的準確性，同時需要對建設對象進行所有資料的收集和整理，在此基礎之上，才能保證生物池設計的合理性。下面就對其進行詳細闡述。

1　工程概述

某污水處理廠規劃旱季的總工程規模為30×104m3/d，分為近期和遠期兩個建設階段，近期工程旱季的規模為15×104m3/d，在雨季其規模為45×104m3/d，近期建設生物池數量為兩座，每座生物池的平面尺寸為123.8m×60.43m，池子的總深度為8.45m。生物池底板位于場地設計地面下2.7m，是地面式有蓋鋼筋混凝土水池。

2　場地工程地質條件

該污水處理廠位于山區，靠近河流，場地的東側、西側以及南側都是低山丘陵，北側是河流。根據相關地質勘察報告顯示，該場地抗震設防烈度為Ⅶ度，設計基本地震加速度值為0.10g，設計基本地震組為第一組，場地土類型為中軟～中硬土，建筑場地類別為Ⅱ類。場區內覆蓋著較厚的人工填土和淤泥質土，經過基本處理之后，場區內的地基承載力特征值大于等于120kPa，滿足生物池的建設需求。該場地有較為豐富的地下水資源，與地表水呈互補的關系，地下水位取場區設計地面下1.0m。

3　生物池結構設計

3.1結構整體設計

該生物池的規模較大，為了保證其在投入使用期間的安全性和穩定性，需要設置適宜溫度變化的伸縮縫。設計要求沿著縱向將該結構分為10個版塊。設置變形縫之后，每個板塊縱向尺寸≤25m，橫向尺寸≤30m。另外，在鋼筋混凝土池體中摻入具有抗裂功能的防水劑外加劑，變形縫之間用橡膠止水帶、低發泡聚乙烯嵌縫板、低模量雙組份聚硫密封膠進行填充。其結構布置如圖1所示。

本文針對如圖2所示的版塊進行重點分析。

3.2生物池頂板結構設計

根據設計要求，生物池池頂需要設置封閉頂板，這樣可以高效收集廢氣；生物池曝氣管和廢氣收集管都是布置在頂板上的，且加以綠化布置，覆土的厚度大約在800mm左右。

圖1　單座生物池結構布置示意圖

圖2　生物池典型區塊剖面示意圖

3.2.1頂板結構形式

該生物池的頂蓋是鋼筋混凝土結構，按照其和池壁的連接方式，可將其分為現澆結構以及裝配式結構兩種。其中，裝配式結構又可以按照材料的不同分為預制鋼筋混凝土結構、鋼結構以及膜結構等。對于裝配式結構來說，現澆結構優點較多，如整體性能好、抗震能力強、頂板孔洞根據工藝要求布置靈活等等，對于殼、膜、桁架等結構來說，現澆鋼筋混凝與結構頂板的頂面比較平整美觀，可以承受較大的外力作用，當前的施工技術水平較高。因此，該生物池頂板采用現澆鋼筋混凝土結構。現澆鋼筋混凝土頂板按照其受力形式的差異，可以分為無梁板式和梁板式。對于生物池設計和施工來說，其中隔墻布置必須規則分布均勻，因此會將中隔墻作為頂板支座，并沿著池體橫向設置4跨連續梁，將頂板布置為雙向板。連續梁平面布置需要對池體變形縫間距、頂板預留檢修孔觀察窗空定位等作慎重考慮，其基本考量標準是梁間距不能大于梁跨。該工程頂板梁局部平面布置如圖3所示。

圖3　頂板梁局部平面布置示意圖

3.2.2頂板結構計算

該工程頂板梁的尺寸設計為300mm×800mm，頂板的厚度定為250mm。混凝土等級為C30，保護層厚度為40mm。頂板按照2邊簡支（梁邊）、2邊固定（隔墻邊）雙向板進行計算，并且為了防止出現裂縫，采用雙層雙向配筋，計算配筋為上下雙層φ12@100。梁采用4跨連續梁，連續梁的尺寸為300mm×800mm，其計算結構如圖4所示。

圖4　 4跨連續梁計算結構示意圖

3.3生物池外壁結構設計

3.3.1池壁結構計算模型的選擇

生物池底板厚度大于池壁的厚度，底板厚度為700mm，池壁厚度為600mm，并且還有1.0b的外挑，其剛度大于池壁剛度10倍，所以，池壁下段固結與底板。頂板厚度為250mmm，和池壁相較而言，剛度較小，但是和池壁組成整體現澆，并且頂板鋼筋會錨入池壁，所以池壁上算按照彈性固定來進行設定。計算內容主要包括：分別對池壁和頂板進行構件計算，節點處不平衡彎矩按照轉動剛度進行分配調整。

3.3.2池壁結構計算

對單向板外池壁受力情況進行分析，當池內有水、池外沒有土時，池內壁作用下的計算和單位板寬彎矩標準值都如圖5～6所示。

圖5　池壁水壓作用下計算簡圖

頂板節點處彎矩分別是由連續梁和雙向板進行傳遞的，經過詳細計算，連續梁傳遞彎矩標準值時430kN·m，雙向板是27kN·m。據對其受力影響范圍的估算，單位板寬頂板傳遞壁處節點彎矩標準值是M=430/4.7+27=118kN·m。由于節點處的不平衡彎矩較小，為6kN·m，可以直接忽略。頂板支座處的剪力標準值就是池壁上端軸向壓力值，計算結果為100kN/m。按照混凝土等級C30進行估算，外層水平筋保護層的厚度為40mm，偏心受壓構件計算配筋，得出的結果為：池壁內側上算配φ20@100mm，裂縫的寬度為w=0.100mm；池壁內側上端配筋為φ20@200mm，裂縫的寬度w=0.200mm；池壁外側配筋為φ20@200mm，裂縫寬度w= 0.141mm。

圖6　池壁水壓作用圖彎矩

3.4生物池底板結構設計

3.4.1底板結構計算模型選擇

底板地基是處理后的填土層構成的，地基承載力要≥120kPa，假設地基反力分布式均勻的。底板鉸支于池壁之上，外池壁彎矩會隨著構造傳遞給地板，底板取單位寬截條，按照四跨連續梁進行計算。

3.4.2底板結構計算

底板結構計算如圖7所示。

圖7　底板結構計算簡圖

其中，均布反力P1=40.29kPa，池壁傳來的彎矩M1=-223kN·m，池壁傳來的軸向拉力為255kN，得出的最大支座負彎矩標準值MB=-295.8kN·m。該工程使用的混凝土等級為C30，其保護層厚度設置為40mm，偏心受拉構件計算配筋，得出的結果為：受力方向下層配筋為（φ20+φ18）@100mm，裂縫寬度w=0.183mm；上層配筋為（φ20+φ18）@100mm。裂縫寬度w=0.148mm。

3.5回流污泥渠設計

該污水處理廠共有兩座生物池，兩座生物池之間設有回流污泥渠。渠道是設置在生物池池壁牛腿之上的，牛腿頂面鋪有氯丁橡膠，可以使得渠道和生物池形成兩個獨立的區域。渠道按照閉合框架進行計算，其結構如圖8所示。

3.6抗震結構設計

圖8　回流污泥渠示意圖

該工程抗震設防烈度為Ⅶ度，設計基本地震加速度值為0.10g，設計基本地震組為第一組，場地土類型為中軟～中硬土，建筑場地類別為Ⅱ類，抗震設防類別為乙類。對于該工程的生物池來說，計算時仍然按照Ⅶ度進行計算，但需按Ⅷ度采取抗震構造措施。經過計算，在地震的反復作用下，池壁自重慣性力為1.98kN/m2，動水壓力值為2.6kN/m2。對于按照承載能力極限狀態設計進行計算的池壁內力在此次計算中可以忽略不計。所以，生物池抗震設計主要針對的是抗震構造措施。該生物池抗震構造措施如下：池壁拐角處的水平筋配筋率需大于0.3%，水平筋伸入兩側池壁的長度≥4.5m；水池池壁變形縫處鋼筋需要加強，使其具有抗側力的能力，節點如圖9所示。

圖9　變形縫節點配筋構造示意圖

4　結束語

綜上所述，該污水處理廠構筑物是薄壁的空間結構，應該將其作為一個有機整體進行分析，但是由于當前專業有限元軟件僅僅適用于構筑物的計算，因此需要將其整體結構劃分為平面構件進行計算。根據該生物池的受力特點等選擇適宜的計算模型之后，需要在水池構造上采取相應措施保證其能夠與計算模型相符。水池構造對于裂縫的控制要求較高，同時，構造措施也非常重要，這些都需要設計者進行詳細分析和處理。

[1]孫申興.阜新市污水處理廠生物池設計特點淺析[J].中國新技術新產品，2011（16）：11.

[2]李少彬.生物池底板大體積混凝土無縫施工技術的應用研究[J].膨脹劑與膨脹混凝土，2013（2）：90.

[3]關瑞華.污水處理廠生物池清水混凝土模板施工技術[J].城市建設理論研究：電子版，2011（17）：45.

X703

A

1673-0038（2015）20-0012-03

2015-4-29

向仍勇（1981-），男，工程師，本科，主要從事自來水廠、污水處理廠結構設計工作。