污水處理廠大型水池結構設計探討

姜 濤

(上海市同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司，上海 200092)

隨著國民經濟發展從粗放式向集約式轉變，國民環保意識逐步提高。十八屆三中、四中全會將生態文明建設提升到制度層面，十八屆五中全會又將“綠色”寫入了新發展理念，隨著《生態文明體制改革總體方案》《關于加快推進生態文明建設的意見》《水污染防治行動計劃》《大氣污染防治行動計劃》等指導文件相繼出臺，我國生態環保的頂層制度設計已然完成。

污水處理廠作為水處理的終端和重要環節，作用不可忽視。大型污水池又是污水處理廠的重要組成部分，其結構質量一旦發生問題，往往維修成本巨大。本文對常規大型污水池的結構設計進行分析，探討保證其質量的方法和措施，努力尋求工程質量和經濟效益的平衡點，望可為實際工程提供一定參考。

1 工程概況

某污水處理廠一大型污水池，平面尺寸為90.60 m×62.20 m，池高8.05 m，設計水深7.50 m，基坑深度4.00 m，采用鋼筋混凝土水池結構。

根據地勘報告，地質情況如下：

1)雜填土①-1：雜色，密實度不均勻，松散，主要由中、粗砂混合粘性土組成，含大量磚塊、混凝土塊、碎石等建筑垃圾，一般粒徑4 cm～10 cm不等，屬新填土，層厚2.50 m～3.50 m。

2)素填土①-2：黃褐、灰褐等色，稍濕，松散，主要由粘性土混合少量淤泥及粉砂組成。屬新填土，層厚2.800 m～4.60 m。

3)淤泥②-1：灰黑色，含有機質，具腥臭味，局部混少量粉細砂及腐木。光澤反應光滑，飽和，流塑狀態，平均厚度為2.20 m。

4)淤泥質土②-2：灰黑色，含有機質，略具腥臭味。含約22%～30%的粉細砂，局部含貝殼碎屑。光澤反應光滑，飽和，流塑狀態，平均厚度為1.90 m。

5)中砂③：灰黑色，成分為石英，不均勻含10%～25%的淤泥質粘粒，飽和，松散狀態，平均厚度為3.80 m。

6)全風化泥質粉砂巖④-1:紫紅、灰褐色，絕大部分礦物已風化成土狀，可見殘余結構，手捏有砂感，巖芯呈土柱狀，合金鉆具易鉆進，揭露層厚0.50 m～1.30 m。

7)強風化泥質粉砂巖④-2:紫紅、灰褐色，泥質膠結、層狀結構，裂隙發育，巖芯以塊狀、短柱狀為主，局部呈半巖半土狀，巖塊用手可折斷，合金鉆具易鉆進，揭露層厚1.40 m～6.40 m。

8)中風化泥質粉砂巖④-3:紫紅色，泥質膠結、層狀結構，巖體完整、裂隙稍發育，巖芯以柱狀、長柱狀為主，少量呈短柱狀，合金鉆具鉆進困難，揭露層厚3.60 m～4.70 m。

場地土對混凝土結構具微腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中鋼筋具微腐蝕性；場地地下水對混凝土結構具弱腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具微腐蝕性。

場地抗震設防烈度為6度，設計基本地震加速度值為0.05g，設計地震分組為第一組，場地類別為Ⅱ類，設計特征周期值為0.35 s。

2 基礎和基坑設計

因軟弱土層較厚，且地下水位較高，池體有抗浮要求，從經濟性考慮采用預應力管樁基礎，以強風化泥質粉砂巖④-2作為樁端持力層。由于十字型樁尖加工簡便，價錢低廉，破巖能力強，故采用十字型樁尖。

基坑開挖深度為4.00 m，場地開闊，故可采用單級放坡開挖，坡率1∶2.0，明溝加集水坑排水。因施工期間多雨且表層土土質較差，故采用50 mm厚噴射混凝土面層，內設雙向鋼筋網并設坡面插筋。施工期間應進行基坑變形監測，若邊坡難以穩定則考慮進一步放緩坡率并采用鋼板樁、攪拌樁進行邊坡加固。

3 池體設計

池體設計水深7.50 m，池壁若按單向板設計則所需壁厚達900 mm，極不經濟。故考慮間隔3 m～4 m設置扶壁，將池壁簡化為下部頂端自由雙向板和上部水平單向板，所需池壁厚度可減為300 mm。

因池體內部連通，運行時水位基本相同，不均勻荷載較小且采用樁基礎，故中部底板可減薄，厚度從四周900 mm減為500 mm。

池體屬露天環境且未設置外部保溫層，按《給水排水工程構筑物結構設計規范》分別在X向、Y向設置4道、2道伸縮縫，將池體劃分為15個約20.00 m×20.00 m區格，并注意與扶壁設置相配合。

伸縮縫一般由橡膠止水帶、填縫板、嵌縫密封膠三部分組成，形成止水帶和密封材料雙重止水防線，其寬度根據結構的伸縮變形量確定。當地年溫差30 ℃，20 m長鋼筋混凝土結構的變形量為6 mm～7 mm，取橡膠止水帶的變形率為25%，可得所需變形縫寬度為24 mm～28 mm，實際設計伸縮縫寬30 mm。

對盛水構筑物進行抗震驗算時，當構筑物高度1/2以上埋于地下時，可按地下式結構驗算；當構筑物高度1/2以上位于地面以上時，可按地面式結構驗算。抗震計算包含在自重慣性力、動水和動土壓力下產生的荷載作用。

根據《室外給水排水和熱氣熱力工程抗震設計規范》，下列情況的盛水構筑物當滿足抗震構造要求時可不進行抗震驗算：設防烈度為6度的各種結構型式水池；設防烈度為7度各種結構型式的不設變形縫、單層水池；設防烈度為8度的地下式敞口鋼筋混凝土和預應力混凝土圓形水池；設防烈度為8度的地下式，平面長寬比小于1.5、無變形縫構造的鋼筋混凝土或預應力混凝土的有蓋矩形水池。

一般情況下，簡單水池可不進行抗震驗算或采用編制表格簡單計算，應特別注意中間構造配筋的隔墻，容易出現配筋不滿足的情況。復雜水池可采用理正、Ansys等軟件進行整體分析，并對關鍵節點人工復核。

4 耐久性設計

該水池環境類別為二類b，場地土對混凝土結構具微腐蝕性，地下水對混凝土結構具弱腐蝕性。按《混凝土結構設計規范》及《工業建筑防腐蝕設計規范》，混凝土結構相關要求如表1，表2所示。

水池混凝土抗滲等級P6，墊層采用C20混凝土，采用普通硅酸鹽水泥。承臺、地基梁等地下構件采用聚合物水泥漿兩遍防腐。池體采用鋼筋混凝土自防水，可不做其他抗滲處理。

表1 混凝土結構的材料要求

表2 混凝土結構的保護層最小厚度 mm

因氯鹽易加劇電化學腐蝕，故不得作為防凍、早強劑。最冷月平均氣溫低于-3 ℃，混凝土抗凍等級為F200。

預應力管樁的混凝土強度等級不低于C60，抗滲等級不低于P10，保護層厚度不小于35 mm，采用焊接接樁，鋼零件涂刷防腐蝕耐磨涂層。

5 構造措施及注意事項

1)優化鋼筋的配置。

相同配筋率下，選用較細、較密的配筋方式，可使混凝土內部應力分布更為均勻，提高構件的抗拉強度，從而節省工程造價，但間距也不得小于100 mm，以免影響混凝土澆筑質量。

2)裂縫控制。

混凝土結構由于溫度、濕度的變化會發生伸縮，當受到周邊約束，難以自由伸縮時，就會出現次生內力。因混凝土結構抗壓能力強，抗拉能力弱，故預防裂縫應以防止混凝土受拉為主。除按常規措施設置變形縫和后澆帶外，也可在混凝土中摻加膨脹劑配制補償收縮混凝土以減少受拉可能，增強混凝土抗裂性能。澆筑大體積、大面積混凝土時，可進一步設置膨脹加強帶，以膨脹加強帶替代后澆帶，簡化施工工藝，縮短工期。膨脹加強帶按其澆筑時間可分為連續式、間歇式和后澆式，釋放早期變形的能力依次加強。

膨脹劑性能參數主要按《混凝土加外加劑應用技術規范》，摻量根據膨脹劑廠家使用說明書和現場試驗結果確定。一般部位的膨脹劑摻量在10%左右，限制膨脹率要求在水中14 d不小于0.015%,水中14 d轉空氣中28 d不小于-0.030%；后澆帶、膨脹加強帶和工程接縫等特殊部位膨脹劑摻量在13%左右，限制膨脹率要求在水中14 d不小于0.025%,水中14 d轉空氣中28 d不小于-0.020%。選用的膨脹劑必須符合《混凝土外加劑應用技術規范》及建材行業標準《混凝土膨脹劑》的要求，嚴禁使用對人體產生危害、對環境產生污染的膨脹劑。

對鋼筋混凝土結構的裂縫控制有抗、放兩種措施，設變形縫、后澆帶等屬于放，設膨脹加強帶、防裂鋼筋等屬于抗，而同時采用補償收縮混凝土、膨脹加強帶、防裂鋼筋、后澆帶和伸縮縫則屬于放、抗結合。工程師可根據過往經驗、單體特點和現場情況靈活選擇，一般對地上結構或較厚構件，應以放為主，對于地下結構或較薄的構件，應以抗為主。

3)蓋板。

金屬材質蓋板宜采用熱鍍鋅或不銹鋼材質，若采用熱鍍鋅材質，需注意要在鋼格柵蓋板包邊工作完成后進行熱浸鍍鋅。蓋板一般要求活荷載承載力在無設備區不小于3 kN/m2，有設備區按設備實際荷載，撓度不大于跨度/200且不大于10 mm，據此按廠家手冊選用相應規格的蓋板。

4)鐵件防腐。

因污水處理廠濕氣重、腐蝕性強，外露鐵件需進行防腐處理。一般可采用環氧富鋅底涂料二道(干膜厚度70 μm)，環氧云鐵中間涂料一道(干膜厚度60 μm)，聚氨酯面涂料二道(干膜厚度70 μm)處理，定期重新涂抹。

6結語

污水處理廠的大型水池除滿足承載力要求外，還應滿足抗滲、防腐等耐久性要求。結構工程師在實際工程設計中應全面分析各種因素，因地制宜的選用合適的方案和措施，確保工程質量的同時節省造價，以實現生態效益和經濟效益的有機結合，為祖國的環保事業貢獻自己的力量。

參考文獻:

[1] GB 50032—2016，室外給水排水和燃氣熱力工程抗震設計規范[S].

[2] BG/T 50046—95，工業建筑防腐蝕設計規范[S].