大海則礦井水處理間超長水池設計

肖長江 劉彥東

（中煤西安設計工程有限責任公司， 陜西 西安 710054）

近年來，環保政策日趨嚴格，很多礦井都在進行井下水的深度處理綜合利用項目[1-3]。池體結構在這類工程中得到了廣泛應用，相關學者對池體的溫度應力及超長設計已經有了一定的研究[4-8]。本文結合水處理工程池體的特點，從設計的角度出發對這類工程結構的材料選用、耐久性要求、各種工況組合、不規則池體的計算分析、吸水井的設計等內容進行闡述。

1 項目簡介

中煤陜西榆林能源化工有限公司大海則煤礦礦井水綜合利用項目位于榆林市榆陽區補浪河鄉，處理規模36 000 m3/d。綜合處理間是最大的單體建筑，長度147.1 m，寬度81 m，其中池體長度為147.1 m，池體寬度為29 m、36 m、45.5 m，半地下水池底標高-3.5 m，頂標高4.2～4.7 m（結構找坡），通長吸水井寬2.0 m，深1.5 m，泵房底標高-3.8 m，地下水池底標高-5.75 m，頂標高-0.12 m、-1.0 m。根據車間的工藝布置在46.1 m處池體結構設雙墻，基礎脫開，泵房的側壁及底板設止水帶，右側99.6 m長的范圍內設兩道后澆帶。池體結構的平面圖如圖1，最寬處剖面圖如圖2。

圖1 池體結構平面圖

圖2 剖面圖

2 結構材料及耐久性設計

本工程中SWRO濃水池的硫酸根含量最高為4 510.6 mg/l，根據《工業建筑防腐設計標準》（GB/T 50046-2018），腐蝕性等級為強腐蝕，混凝土強度等級統一取C40。根據《石油化工鋼筋混凝土水池結構設計規范》（SH/T 3132-2013），本工程水池的防水等級為二級，混凝土的抗滲等級為P8，該地區最冷月平均氣溫低于-10 ℃，混凝土的抗凍等級為F200。泵房內的環境類別為一類，保護層厚度按《混凝土結構設計規范》（GB 50010-2010）（2015年版）取值，池體部分保護層厚度根據《工業建筑防腐設計標準》（GB/T 50046-2018）取值。

3 荷載取值及工況組合

水池及泵房的主要荷載有土壓力、地面均布活荷載、池頂的建筑做法及活荷載、水壓力和溫度作用。其中土壓力在地下水范圍內時應考慮飽和重度，地面均布活荷載應考慮有無設備并不小于10 kN/m2。

根據《給水排水工程鋼筋混凝土水池結構設計規程》（CECS 138：2002），現澆混凝土水池伸縮縫的最大間距為30 m。本工程中間設一道伸縮縫后右側水池長度為99.6 m，超長3.32倍，需要考慮溫度作用。初始溫度按后澆帶封帶時4月份的溫度考慮，根據榆林氣象站統計資料4月份平均溫度為10.6 ℃，考慮施工的不可預見性取±5 ℃的偏差，最低平均初始溫度T01=10.65-5=5.6 ℃，最高平均初始溫度T02=10.6+5=15.6 ℃。本工程半地下水池的側墻和池頂采取保溫措施，夏季通風、冬季采暖，結構冬季最低平均溫度TS1=15 ℃，結構夏季最高平均溫度TS2=26 ℃，混凝土收縮在其內部產生拉應力，把后澆帶封閉后的殘余收縮變形等效為結構的整體降溫，考慮-5 ℃的當量負溫差。計算最大升溫△TS=TS2-T01-5=26-5.6-5=15.4 ℃，計算最大降溫△TJ=TS1-T02-5=15-15.6-5=-5.6 ℃。

水池結構的工況組合主要有三種：蓄水試驗、空池和滿水。而且水壓力還需要考慮不同區格水池有水、無水的不利組合。

4 YJK軟件整體計算

礦井水處理的池體結構池壁分隔不規則，高度不統一，工況組合較多，本文應用YJK有限元設計軟件對池體結構進行整體分析計算。

4.1 模型及計算參數

建立池體及上部結構的全模型，可考慮上部荷載及池壁柱對池體的影響。土壓力及池外地面活荷載引起的池壁側壓力在蓄水試驗時不存在，所以要按自定義工況輸入，每個區格水池的水壓力按一種自定義工況荷載輸入，便于進行不利組合計算。溫度荷載按全樓節點溫差輸入。

計算參數確定：“樓板剛性假定”選擇“不強制采用剛性樓板假定”；勾選“生成繪等值線數據”，可在計算結果中查看內力云圖；“地下室層數”輸0，通過自定義的池壁外土壓力進行各工況的組合；“彈性板荷載計算方式”選擇“有限元計算”；在板屬性菜單下對全樓的樓板設置為“彈性板6”；不考慮梁端剛域，不考慮柱端剛域。

荷載組合：除按程序默認的組合以外還要確定自定義工況的組合，恒載有正常恒載和自定義工況的土壓力，活載有正常活載和水壓力，在這里可以定義疊加+包絡，也可以定義全組合。

4.2 計算結果及配筋

計算結果：在設計結果中查看各工況的位移、內力、應力等。以水池11滿水工況為例的位移如圖3。

圖3 水池滿水單工況位移云圖

配筋：底板配筋在等值線模塊查看，分別給出X向、Y向頂底配筋共四個文件，墻的配筋結果輸出12個數值，適應墻配筋內外側不同、上下左右加密的布置情況，輸入結果及說明如圖4。

圖4 墻配筋及說明

4.3 溫度應力的影響

溫度作用是一個長期反復不利荷載，與施工期間的溫度、后澆帶封帶溫度、有無保溫通風采暖、混凝土的殘余收縮變形等因素有關，同時與池體的形狀、長度、隔墻間距等也有關系。選取本工程的墻A、墻B、墻C（見平面圖）考慮升溫15.4 ℃、降溫-5.6 ℃進行溫度作用的有無對比（保留其余荷載工況）。從結果可以看出對于超長方向溫度作用影響較大，對于泵房外墻C由于高度低且無內水壓力，沿墻長方向溫度荷載起控制作用，影響更大。

5 MIDAS軟件優化設計

MIDAS軟件作為通用的有限元軟件，已經廣泛應用于池體結構的分析研究[9-10]。本工程有通長吸水井，寬2 m，深1.5 m，加腋通過45°找坡與兩側底板連接，吸水井局部已經發生了很大的改變，實際工程設計須考慮實際吸水井的影響。采用MIDAS GEN有限性軟件進行設計，建模采取簡化的模型，長度取2個12 m長的水池共24 m，寬度同工程水池，吸水井加腋采用實體單元，網格劃分為1 m，采用面彈性支撐模擬底板下土的作用，基床系數取20 MPa。計算模型及四個池子均滿水工況的位移如圖5。

圖5 計算模型及滿水位移云圖

以半地下水池通長吸水井為例，根據滿水最不利工況得到各部位的彎矩，加腋部分根據有限元單元及彎矩值對應的根部1 m的平均厚度作為板厚進行計算，再根據受彎構件求各部位的配筋。

6 結語

本文結合大海則深度水處理超長池體結構，闡述了材料的選用、耐久性的設計、荷載及工況組合，對池體結構進行YJK整體有限元設計，對池體的吸水井采用MIDAS有限元軟件進行優化設計，為類似工程的設計提供參考。