水池技術改造工程中池壁洞口改造加固設計與分析

馬梓涵，王強

（中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津 300074）

1 引言

伴隨城鄉污水排放標準愈發嚴格，越來越多的水處理構筑物因工藝設計規模限制，已無法滿足現有水處理要求。為有效利用已有水處理構筑物，減少重建帶來的浪費，針對水處理構筑物的技術改造工程被廣泛實施[1]。此類技術改造工程旨在通過對現狀水處理構筑物采取開洞、加高及增加隔墻等措施，以滿足改造后工藝設計要求。其中，在水池池壁不同位置設置洞口以滿足水處理單元工藝設計要求最為常見。結構專業須在相應位置，根據開洞尺寸、形狀及位置制訂不同的加固方案，以求滿足池壁強度要求的同時對原池壁產生較小影響。本文結合的工程實例，研究不同類型池壁開洞加固設計方案。

2 項目背景

本文以天津某廠內現狀RH 循環供水提升泵池作為案例進行研究。該泵池改造后將作為中間泵站將廠區廢水加壓提升至新建調蓄池，改造內容主要包括：（1）對現狀內部隔墻做底部增設過水洞；（2）對現狀池壁增設DN800 mm 工藝管道。

現有泵池（見圖1）分為水池及泵坑兩部分，單個內徑為27.7 m×5.75 m，水池凈高5.8 m，原狀池壁厚350 mm，底板厚700 mm；水池底板頂標高為-2.00 m，工藝最高液位為0.1 m，室外地坪標高2.670 m，設計抗浮水位按室外地坪標高考慮。本改造工程未增加任何荷載，經復核，改造后水池滿足承載力要求。

圖1 天津某廠內現狀RH循環供水提升泵池

3 池壁開洞處加固及內力計算

水土側向壓力下，池壁根部及跨中會處產生控制彎矩，池壁洞口周邊對應產生應力集中。洞口處若無相應的加固措施滿足承載力要求，會因承載力或耐久性不滿足要求而產生相應破壞。

規范[2]中6.4 節規定，鋼筋混凝土構筑物開孔處應采取加強措施：（1）當開孔的凈距介于300～1 000 mm 時，孔口的每側沿受力鋼筋方向應配置不小于開孔切斷的受力鋼筋截面積的75%加強鋼筋，對矩形洞口四周加設斜筋；對圓形洞口加設環筋；（2）當開孔的凈距大于1 000 mm 時，對孔口四周加設肋梁；（3）當開孔直徑或寬度大于構筑物壁、板計算跨度的1/4時，宜對孔口設置邊梁。就水池改造工程而言，現狀池壁已經澆筑成型，通常沒有條件按上述要求設置附加鋼筋并滿足錨固長度要求。

另外，傳統計算池壁洞口處內力是將池壁按照雙向/ 單向板取手冊[4]系數進行計算，再對洞口截斷鋼筋面積以附加鋼筋的形式進行補強。但按照此方法計算的內力往往較大，計算所需附加鋼筋面積較大，加固洞口時將剔除更多池壁部分，對原有結構造成不必要的破壞。

本著盡量減少對于原結構構件的破壞與影響，并使構件受力明確合理的原則[3]。本文利用Midas 有限元模型對開洞處受力情況進行分析，制訂有針對性的洞口加固方案。

3.1 Mi das 有限元分析軟件

本工程采用Midas Gen 有限元軟件進行擬改造水池模型計算，通過有限元模型計算，能夠更好地考慮池壁間彎矩分配等效應，對池壁開洞處應力集中、應力重分配所產生的彎矩予以準確計算，實際工程中結合有限元分析結果，對洞口加固設計做出更合理的方案。

3.2 擬改造水池有限元模型

擬改造計算模型采用薄板單元與梁單元進行建模計算，有限元網格劃分最大單位長度為0.5 m，頂板、池壁及底板有限元單元網格劃分選用四邊形，圓形洞口部分考慮到計算準確性與圓形洞口傳力途徑，網格劃分時選取三角形及四邊形單元放射狀環洞口布置（見圖2）。

圖2 擬改造水池有限元模型

板單元厚度根據現狀水池設計數據確定，分別為150 mm（頂板）、400 mm/500 mm（池壁）及700 mm（底板）；根據原水池布置梁系，梁采用線單元模擬，截面為寬250 mm×高500 mm。擬改造水池模型邊界條件選取面彈性支承，角點處限制水平方向位移，彈簧剛度選取10 000 kN/m3。水池池壁及底板分滿水試驗/空池檢修兩種工況進行計算，其中內水重度取10.5 kN/m3，地下水位土的有效重度取10 kN/m3，地下水重度取10 kN/m3。

3.3 有限元模型內力分析

利用Midas Gen 有限元軟件，考慮水池結構整體剛度的影響，對上小節所建立模型進行有限元計算分析。圖3 為滿水試驗工況下，DN400 mm 擬開洞處池壁水平向、豎向內力值。此池壁為擬改造水池內池壁，內力彎矩值僅受池壁內側水壓力控制。擬開洞中心標高為-0.030 m，最高水位為-0.100 m。從有限元分析結果可見，擬改造DN400 mm 洞口周邊水平向/ 豎向彎矩值僅為1～3 kN·m。因此，在此工藝改造條件下，洞口處所受彎矩值很小，對池壁強度及裂縫影響可忽略不計。

圖3 滿水試驗工況下內水壓力作用下DN400 mm洞口內力（單位：kN·m/m）

對于DN800 mm 擬開洞口池壁，洞口中心標高為-1.200 m，工藝最高水位-0.100 m。在滿水試驗工況下，由圖4 可見，工藝水位較低，擬開洞口周邊池壁水平彎矩最大值為10 kN·m；豎向彎矩最大值近似為20 kN·m。

圖4 滿水試驗工況下內水壓力作用下DN800 mm洞口彎矩（單位：kN·m）

空池檢修工況下，擬改造水池池體埋深較深（約5.050 m），受到外部水土側向壓力影響較大。池壁外側在外部水土及堆積荷載側向作用產生的壓力下，水平向及豎向池壁彎矩值如圖5 所示，最大值約為100 kN·m。在外部水土壓力作用下，因應力集中及洞口處應力重分配，洞口周圍所受彎矩值較大，需采取有效的加固措施對洞口進行處理。

圖5 空池檢修工況下外土壓力作用下DN800 mm洞口彎矩（單位：kN·m/m）

根據上述擬改造水池有限元計算結果，不難發現，利用有限元軟件對擬改造水池進行整體計算，可以使設計者更精準地掌握不同工藝改造條件下的擬改造池壁洞口處的實際內力大小。利用此結果，可優化傳統加固方案，同時可使加固方案對于池壁的影響降到最低。

4 水池改造洞口處加固方案

本文中所研究擬改造水池共涉及3 種不同類型開洞（內池壁方形過水洞、多洞口并排布置及池壁較深處開洞）。本小節結合有限元分析結果就3 種不同類型開洞的加固設計措施加以討論研究。

4.1 位于內部池壁的方形過水洞

此類型改造洞口為兩個內池壁底部過水方形洞，該池壁兩側工藝改造水位相同，池壁兩側水壓力平衡，無內力產生。此類構件僅需簡單剔除，切斷后的混凝土表面做鑿毛處理后，做素水泥漿（內摻建筑膠）一道，并抹聚合物水泥砂漿面層。

4.2 多洞口并排布置

圖1 中，擬改造DN400 mm 池壁開洞共3 處，距離較近，洞口凈距僅1 500 mm。如按照傳統加固方案設置環梁，需開鑿直徑遠大于400 mm 的洞口，施工過程易對洞口間薄弱部位造成破壞，影響整個池壁。根據上一節中有限元分析計算結果（見圖3），該處擬改造洞口在內水壓力作用下，洞口周圍內力可忽略不計。因此，本側改造措施主要以防漏封堵為主。具體方案如圖6 所示，池壁處開鑿直徑500 mm 洞口，對洞口混凝土表面做鑿毛處理，加做素水泥漿（內摻建筑膠）一道，并抹聚合物水泥砂漿面層后，穿入DN400 mm 鋼管。鋼管與池壁開孔表面按照02S404《防水套管》圖集密封防水做法（打石棉水泥后，封嵌密封膏）做防水處理。

4.3 較深處池壁開洞

擬改造水池中，改造DN800 mm 洞口位于水池較深位置，雖水池內部工藝最高水位較低，但水池埋深較深，池壁內力主要受外部水土作用影響。擬改造水池有限元計算結果（見圖4和圖5）顯示，此處洞口周邊應力集中較明顯，彎矩較大。本工程中擬采用環梁（見圖7），根據有限元模型分析結果計算環梁所需配筋面積，從而對此處擬改造洞口進行開鑿加固設計。

圖7 DN800 池壁開洞處加固做法（單位：mm）

值得一提的是，傳統雙向板池壁內力將近似取為池壁底部彎矩，彎矩取值較大，計算配筋面積（所用鋼筋）及環梁截面大小均會偏大。而有限元模型分析結果，能給出洞口處較為精確的內力值，可以對環梁加固方案進行配筋優化。既能保證結構構件安全，又能節省改造成本。

5 結論與展望

本文針對實際工程實例，對擬改造水池不同類型洞口加固措施加以研究。通過Midas Gen 有限元軟件分析計算，得出較精確的洞口處內力值。根據不同位置分析結果，提出相對應的設計加固方案。在滿足結構安全性要求的情況下，做出更為優化的加固設計方案。

針對本文研究內容，得出以下結論，供今后水池構筑物技術改造工程洞口加固設計參考。

1）水池技術改造工程中，構筑物水池開洞應盡量選擇圓形洞口，減少應力集中影響，同時對開鑿洞口所在池壁影響較小。

2）水池技術改造工程中，構筑物水池開洞應盡量避免洞口設置過密。洞口間凈距過小，在開鑿洞口過程中將形成薄弱部位，易對池壁造成破壞。

3）水池構筑物改造開鑿洞口，如洞口所在池壁在外側壓力作用下，由應力集中產生的洞口處內力值可忽略時，加固設計可考慮取消環梁，僅設置防漏防水措施，減小開鑿洞口尺寸。

4）利用有限元分析軟件對擬改造池壁開洞水池進行整體建模計算，可精準算出洞口處由應力集中產生的內力，從而優化洞口環梁設計，減少鋼筋用量，降低改造成本。