污水處理廠水池改造與加固

莊勇 魏常寶

（1.中國市政工程西北設計研究院有限公司江蘇分院 南京210017；2.甘肅土木工程科學研究院有限公司 蘭州730020）

引言

隨著我國國民經濟的發展和城鄉一體化建設進程，城鄉污水處理及達標排放成為現階段市政工程建設的重點。由于國家對污水處理廠的排放標準愈發嚴格，越來越多的污水處理廠為響應減排的號召，排放標準由原來的《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918-2002）中的一級B標準提升為一級A標準或者更高標準。許多污水廠由于當時原設計等級原因，原有的污水處理單元無法滿足現有污水處理要求，所以對這一類型污水處理廠的提標改造也不得不提上議事日程[1]。

據不完全統計，截至2014年底，全國設市城市、縣累計建成污水處理廠3900余座，污水日處理能力約1.55億m3，其中一級A排放標準污水處理廠860座，日污水處理能力約為2925萬m3[2]。根據此前的污水處理廠排放標準及排入水體的環境容量要求，多數污水處理廠執行城鎮污水廠一級B排放標準。2015年國務院“水十條”提出：現有城鎮污水處理設施要因地制宜進行改造。2020年底前達到相應排放標準或再生利用要求。今敏感區域（重點湖泊、重點水庫、近岸海域匯水區域）城鎮污水處理設施應于2017年底前全面達到一級A排放標準。今建成區水體水質達不到地表水Ⅳ類標準的城市，新建城鎮污水處理設施要執行一級A排放標準。因此，將對這類排放不達標的污水處理廠進行提標改造，以適應排放要求。本文將針對此類污水處理廠提標改造中對現有池體進行利舊改造以及改造后的加固措施與技術進行探討。

1 水池改造與加固

1.1 水池改造與加固程序

對現有污水處理廠進行改造，要對現有廠區情況進行摸底，根據筆者參與的多個提標改造設計項目的總結，水池改造與加固程序可按圖1所示的程序進行。

圖1 水池的改造與加固程序框圖Fig.1 A program of reconstruction and reinforcement of sewage pool

水池改造工藝方案經論證有可行性時，設計人應根據原勘察設計文件對原有水池進行評估與判斷，確定改造的結構安全性能，作為池體改造設計的初步依據。在確定水池改造工藝方案和池體改造的可行性后，可由業主委托檢測鑒定單位對構筑物進行檢測鑒定，評定構筑物主要結構系統的安全性與使用性，評定其可靠性，同時需對構筑物進行抗震鑒定，確定其抗震能力，為后續的改造與加固設計提供技術依據。

根據《混凝土結構加固設計規范》（GB 50367-2013），在混凝土結構加固前，應根據構筑物的種類，按《工業建筑可靠性鑒定標準》（BG 50144-2008）對待改造的水池進行檢測與鑒定。當與抗震加固結合進行時，應按《工業構筑物抗震鑒定標準》（BG 50023-2014）進行抗震鑒定。池體原結構材料的強度根據實測值確定，若實測值大于設計值，則按原設計值取。

方案設計前對水池原結構的再計算與分析是合理制定改造加固方案的依據。通過對原池體的混凝土強度及耐久性分析，對原有池體結構材料的劣化情況進行定性分析，根據建筑材料劣化情況綜合對結構構件配筋進行復核，對其承載能力進行定量評定，做到改造前結構現狀清晰明確，以此指導改造與加固設計方案。

確定水池改造方案后，根據原有結構的性能及建設年代，確定改造后結構的后續使用年限[3]。原則上，經改造與加固后原水池的后續使用年限不超過原設計使用年限，若建設單位有特殊要求，以建設方特殊要求為準，加固措施相應加強。

1.2 水池改造與加固原則

通過對水池的改造與加固總結得出污水處理廠水池改造與加固的設計原則如下：

1.改造與加固結構設計方案是在滿足工藝改造要求的前提下，盡量減少破壞或拆除原有結構構件。

2.改造與加固設計方案應構件受力明確合理，能夠協同工作，最大限度地降低對原結構的破壞。

3.改造與加固結構設計方案應盡量通過結構布置來減少構件的內力，使結構改造與加固工程量減少，使改造與加固具有較好的經濟性。

4.改造與加固設計方案應綜合選擇技術可靠、經濟合理、工期較短、方便施工、對生產影響較小的設計方案。

5.對于改造中需拆除的結構構件，在拆除前，應采取結構加固措施后再進行拆除。

2 水池常用的改造加固技術和措施

最大化地利用原有構筑物的池體結構進行工藝改造是污水處理廠提標改造中最常見的問題。對原有池體內部結構重新布置來滿足新改工藝的水流路線，此舉需改變原有池體的受力工況。對池體結構本身來講，要按新的結構模型去復核計算原池體承載力指標。如池內液位增加，池體需要加高處理，首先要核算其地基承載力，再對池體結構進行復核。對一般的生物處理單元，結構尺寸較大，在軟弱土地基上如涉及到對其地基進行加固處理（一般采用注漿加固，一般注漿孔的布置較密，注漿孔間距宜為1.2m～2.0m），地基加固需打穿水池底板實施，池底板將被鉆成“篩子”，則不推薦原有池體利舊。

根據污水處理廠的升級改造設計方案，可多方案地制定水池改造與加固設計方案。通過工程設計實踐，對于水池的改造與加固常用的有如下幾種措施。

2.1 拆除或增設結構改造措施

通過拆除水池的池壁、內隔墻等結構對水池中的處理單元進行分割或改變水處理流線，以滿足工藝改造設計要求。此類型工藝改造方案應避免對主要承重結構的改動，對原有隔墻應考慮其受力工況的改變，如原有導流墻構造屬性的墻體改造后變為受力墻體，則需進行加固補強設計。并連帶驗算與改造加固隔墻相連的池底板承載力，若承載力不滿足要求，則進行補強設計。

也可通過新增水池池壁等混凝土結構（如隔墻、池壁、拉梁、柱等）的方式對原有池體進行改造，改善原有結構受力環境和受力狀態，達到工藝上的改造目的，也達到結構安全使用目標，使之滿足在目標使用年限內有足夠的承載能力和安全儲備。

2.2 池壁開洞改造措施

池壁開洞在污水處理廠的提標改造中是最常見的做法之一，通過在水池池壁上設置不同的洞口來滿足處理單元水處理工藝設計要求。池壁開洞口前需對洞口部位進行加固補強。根據洞口大小和不同位置制定不同的加固補強措施。開洞后加固補強的做法可參考《給水排水工程構筑物結構設計規范》（GB 50069-2002）第4.6條開孔處加固。池壁開洞與加固常見做法如圖2所示。

圖2 池壁洞口加固常見做法Fig.2 Common practice of strengthening and reinforcing after opening of large opening of pool wall

2.3 改擴建、擴容改造措施

工藝上擴容設計根據工藝情況大致為分兩類：一類為池高不變，水平面擴容，利用現有池體的一面池壁，適用于現場場地較充足的情況；另一類為池體平面不變，對池體進行加高擴容處理。第二種類型在改造中較為多見，特別適用于場地受限的情況[4]。根據諸多工程設計實例的對比方案，池體結構改造宜根據現有池體情況進行不同增高方案的對比，如前所述對池體根據地基承載力和池體承載力，在合理富裕度和可靠度情況下確定最高液位值，作為水池增高改造的限值指標。在此限值內增高，地基基礎尚可滿足承載要求，可不做加固處理，若超出此限值增高，則地基基礎需進行加固處理。

2.4 水池地基加固措施

根據污水處理廠升級改造設計方案，應盡量避免對地基基礎進行加固。一般來說水池的地基基礎有如下特點：基礎底面積大，基底荷載小。對一般改造來說，水池改造后總體增加重量比重較小，改造后附加荷載對地基的影響不大，可不考慮對地基的加固。經過諸多工程實踐，對加高增容的池體，一般在加高2m以內可不考慮對地基的影響，當然需要驗算地基變形。對于軟土地基，一般根據水池的荷載情況，對原設計采用諸如換填法、墊層法等地基處理方式進行過改良的軟弱土地基要慎重考慮池體加高方案。若改造工藝設計必須池體加高增容，對于軟土地基，地基須進行加固。驗算改造后水池地基土的承載力或變形不能滿足設計要求時，可通過加固措施在地基土中加入豎向增強體構成復合地基進行加固處理。常用的地基加固措施有注漿加固技術[4]、錨桿靜壓樁加固技術[5]、旋噴樁加固技術[6]、擠密樁等。

2.5 水池底板加固措施

對于大型池體，采用增大基礎底面的加固措施一般作用不明顯，因此對大型池體的底板加固可按彈性地基梁模型進行設計，作用明顯。

水池基礎底板的補強加固，一般是在池體內進行，采用在池體底板上部增加“反梁”、“加勁肋”等，并與池壁的補強一同考慮。這種加固做法有一定的局限性，不能夠有效解決池底板底部配筋不足的情況，在加固方案論證階段應避免。

2.6 水池池體加固技術

污水處理廠工藝升級改造水池加固常用的加固技術大體有如下幾種：

1.混凝土后錨固技術

混凝土后錨固是通過相關技術手段在既有混凝土結構上錨固后錨固件，是相對于澆筑混凝土時預先埋設的先錨固（預埋）而命名的。此技術具有施工簡便、使用靈活等優點。植筋是混凝土結構后錨固技術中常見常用的一種，是指在混凝土、墻體巖石等基材上鉆孔，清孔后注入植筋膠，再插入鋼筋，膠固化后將鋼筋與基材粘接為一體，是加固補強較常用的一種輔助性的建筑工程技術[7]。在增大截面法、粘錨鋼加固法中，為了增加加固面層與原結構的契合度，混凝土后錨固技術也常常被用到。混凝土后錨固應避讓原結構鋼筋，且滿足最小厚度要求。根據原結構尺寸大小確定植筋排布方案，植筋長度根據《混凝土結構設計規范》（GB 50367-2013）要求進行計算，并滿足抗震構造要求。對于薄壁混凝土結構，其上植筋若不能滿足最小厚度要求時，鋼筋連接不能采用植筋方式，應采用鑿出原有鋼筋并與之焊接連接。植筋錨固做法見圖3。

圖3 混凝土結構植筋做法Fig.3 Planting steel bars method of concrete construction

2.增大截面法加固技術

增大截面加固法，是指在原受力構件的若干個面新澆筑一層新的混凝土并補強相應的鋼筋，以提高原構件承載能力的方法，是工程中常用的一種加固方法[8]。當增加的混凝土處在受拉區時，對補加的鋼筋起到粘結和保護作用；當增加的混凝土處在受壓區時，增加了構件的有效高度，從而提高了構件的抗彎、抗剪承載力，并增加了構件的剛度。因此，其加固效果是顯著的。增大截面法主要應用于柱、梁的加固，在水池加固中也可采用此法，采用增加扶壁柱、梁等方式進行加固。

3.粘錨鋼加固技術

粘錨鋼加固亦稱粘貼錨固鋼板加固，是將鋼板采用高性能的環氧類粘結劑粘結于混凝土構件的表面，再使用錨栓錨固，使鋼板與混凝土形成統一的整體，利用鋼板良好的抗拉強度達到增強構件承載能力及剛度的目的。用粘結劑粘貼鋼板補強、加固的鋼筋混凝土結構構件，能大大提高其原設計承載力和抗破壞能力。這是因為粘貼鋼板后，提高了原結構構件的配筋量，相應就提高了結構構件的抗拉、抗彎、抗剪等方面的力學性能，而這些性能是靠結構膠粘劑的良好粘結性能，把鋼板與混凝土牢固地粘結在一起，形成整體，有效地傳遞應力，共同工作來保證的。粘錨鋼加固做法見圖4。

圖4 粘鋼加固做法Fig.4 Anchor steel reinforcement

3 工程實例

本文通過以下工程實例對污水處理廠各種類型水池的改造與加固設計方案進行介紹，對所采用的加固改造措施以及加固技術及應用進行介紹。

3.1 實例1

楊凌防洪渠截污治污工程二沉池改造是很典型的利舊工程。因原有二沉池底標高過低，新工藝要求水線提高2.1m。經分析后對工藝設計及改造方案如下：為了不過多增加地基的附加荷載（確保地基基礎不需加固），采用原池底板和新增池底板之間架空處理，即通過在原池內部增加環向支承墻體，將新增水池池底擱在該支承墻體頂部，將上部新增結構的荷載通過支承墻傳遞到原有池底板，從而改善原有底板受力環境。本工程通過合理的結構布置，使得原有結構盡量少加固，原結構承載就能滿足改造后的承載要求。該二沉池250mm厚池壁增高，豎向鋼筋與原池壁原有鋼筋鑿出并焊接連接。抗剪錨筋采用植筋錨固的方式，錨筋植筋須避讓原池壁鋼筋，根據原結構尺寸進行植筋排布，植筋錨固長度滿足抗震構造規定。該二沉池改造平面做法見圖5，剖面做法見圖6。

圖5 二沉池改造平面示意Fig.5 Plan of the second sedimentation basin

圖6 二沉池改造剖面示意Fig.6 Cross-section drawn after transformation of the second sedimentation basin

3.2 實例2

宜興污水處理廠調節池及CASS池改造工程也是一個利舊改造的項目，是將原有調節池及原CASS池聯合改造成AAO池，將原調節池改造成AAO池的厭氧池與缺氧池使用，將原CASS池改造為AAO的好氧池使用。

調節池改造主要是對原有池體內部的一些掛壁構件（如水槽、格柵井）進行靜力切割拆除，在原有結構隔墻上開洞處理。改造設計液位較原工藝有所降低，因此對外池壁無需進行結構補強加固設計。由于工藝功能性要求增加了多組導流墻，考慮原底板采用構造底板，新增隔墻采用條形基礎做錨筋嵌固在原底板上，隔墻的增加雖然增加了荷載，但相對原底板的板跨縮小到了原來的1／3，經復核原底板配筋滿足現有結構要求無需進行底板結構加固。調節池改造前原有池體拆除見圖7，原有池體改造平、剖面示意見圖8。

圖7 調節池改造前原有池體Fig.7 Original cell body of the regulating reservoir

圖8 調節池改造后平、剖面示意Fig.8 Plan and profile after transformation of the regulating reservoir

CASS池改造主要是對原有池體內部主要隔墻進行靜力拆除、池壁開洞處理、新增導流墻處理。改造設計液位較原工藝基本無變化，因此對外池壁無需進行結構補強加固設計。且由于工藝功能性要求增加了多組導流墻。同調節池改造，經復核原底板配筋，滿足現有結構要求，無需進行底板結構加固。該CASS池改造前、后平面示意見圖9。

圖9 CASS池改造平面示意Fig.9 Plan of the CASS pond

3.3 實例3

楊凌華宇水質凈化有限公司提標改造工程消毒接觸水池改造是因為該池容量不足，需進行擴容。該工程改造在原有接觸池一側擴建3個廊道，通過新增鋼筋混凝土池體的方式在原有水池一側新建池體的方式進行平面擴容改造，原有池體高度不變。同時在原有池體局部新增隔墻進行改造，由于新增隔墻跨度較小，故采用兩端及下部植筋錨固的方式與原結構錨固連接。另外原有池壁因工藝改造要求進行了局部開洞處理。因原有接觸池一側擴建3個廊道而新增池體與原有池體共壁，采用植筋錨固并澆筑新混凝土與原有池體連接為一個整體。其改造做法和池體加固做法平、剖面示意見圖10。

圖10 消毒接觸水池改造平、剖面示意Fig.10 Reconstruction plan and profile of the sterilizing contact pool

4 結語

本文結合工程實例歸納和總結了污水處理廠水池常用的加固和改造措施及技術。通過這些加固改造措施及技術，使原有結構在利舊的前提下滿足改造后的工藝要求和安全使用要求，節約工程投資，避免浪費，對其他類似市政工程構筑物的改造與加固設計也有一定借鑒意義。