分析市政污水處理廠水池結構設計要點

文／王昱昊 合肥市市政設計研究總院有限公司 安徽合肥 230000

引言：

良好的生態環境及生態系統的良性循環是我們城市發展的必要條件，而污水處理是確保良好生態環境的重要組成部分。由于城市污水需通過污水管網進行收集，難以實現源頭治理，因此，污水通常采取后期處理，建設污水廠能進一步落實水污染治理工作，完善污水處理設施。而在市政污水廠的各類構筑物中，池體結構是主要組成部分，必須保證其結構的安全性、合理性和耐久性，才能滿足污水處理的使用功能。因此，本文對市政污水處理廠水池結構設計問題進行詳細論述。

1.水池結構設計要點探究

1.1 污水處理廠水池結構設計要點

1.1.1 結構設計應滿足相關規范

在制定市政污水處理廠結構方案時，應根據周邊環境、水文地質資料和運行荷載，進行詳細的計算，在遵循現行國家和地方設計規范和標準的前提下，使結構在施工階段和使用階段均能滿足承載力、穩定性和抗浮等要求。

1.1.2 設計原則和特點

針對市政污水處理廠池體結構尺寸大、要求高的特點，應確保其安全性、實用性，既要達到功能性要求，又要確保傳力明確、受力合理，又要兼顧經濟性要求，同時優先采用新技術、新材料。另外，在進行池體結構設計時，應按池內有水、池外無土和池內無水、池外有土工況進行結構內力計算，并考慮 溫、濕度應力的影響。在進行結構計算的同時，還有要考慮抗滲、防腐等方面的設計。污水處理廠是用來處理生活污水或工業廢水，池體結構對防滲有著較高要求，因此，如何防止因污水滲漏而產生二次污染就顯得尤為重要。

1.2 池形選擇

污水廠池體構造形式多樣，適用領域也很廣泛。池由三部分組成：頂板、底板和池墻組成。根據不同形態，可以劃分成圓形和矩形兩類；根據材料不同，水池可劃分為鋼筋混凝土水池、金屬材質水池和砌體結構水池；根據不同工況，可將其劃分成開放型和密閉型；可將水池分為全地上、半地上以及全地下。一般由工藝根據設備具體條件來確定蓄水池容量，而結構專業根據場地、結構受力特點和技術條件來確定蓄水池類型。根據現場適用性，矩形水池具有明顯優越性，它能有效提高土地利用率，節省空間，而且它施工支模也比較簡單，尤其是在多個池塘或者屋頂建筑情況下，更為理想要屬矩形水池。

針對大型混凝土構筑物地基承載力要求低的特點，大型敞口池結構底板采取整體式條基與構造底板結合的方式，充分利用天然基礎，降低底板平均結構厚度和用筋量。由于敞口水池池壁上端自由，通過合理設置走道板，對池壁上端進行約束，以減小池壁配筋量和頂部變形。

1.3 水池主要設計荷載

（1）土重度：土天然重度除詳地質資料外，一般取γ=18kN/m3

土飽和重度取γ=20kN/m3，土浮容重γ=10kN/m3

地下水位以下土的有效重度取10.00kN/m3。

（2）回填土側向土壓力：側向土壓力系數取1/3。

（3）構筑物地面堆載取10.00kN/m2。

（4）污水重度取10.50kN/m3。

（5）混凝土：強度計算時γ=25kN/m3

抗浮計算時γ=23kN/m3。

（6）吊車動力系數1.10。

（7）活荷載取值：

屋面均布活荷載標準值：0.5kN/m2（不上人屋面），2.0kN/m2（上人屋面），池頂走道板2.0kN/m2，樓梯活荷載3.5kN/m2，欄桿及挑檐水平荷載1.0kN/m，雨篷挑檐施工檢修荷載1.0kN。對于有設備、工具、堆物的應根據實重驗算局部集中荷載。其他活荷載嚴格按照現行國標《建筑結構荷載規范》GB50009-2012 及其它相關規范規程取用活荷載。

1.4 結構抗裂性能和裂縫寬度控制

《給水排水工程構筑物設計規范》中提出：當截面為軸心受拉或小偏心受拉時，應按照不發生開裂原則，采用影響短期效應標準組合進行計算，以此進行結構抗裂性校核；當構件截面受彎、大偏心受壓或受拉時，應按照裂縫寬度來控制，并采用具有較強長期影響準永久性聯合計算。

在對池體進行結構設計時，應對其結構變形和抗裂度進行仔細分析。水池部分的結構設計按承載力極限狀態和正常使用極限狀態兩種狀態控制，需嚴格控制混凝土裂縫開展寬度，對軸心受拉構件、小偏心受拉構件按抗裂度進行設計。對受彎構件及大偏心受拉構件裂縫控制等級一般為三級，水池構件最大裂縫寬度限值為≤0.2mm。按照“細而密”的設計原則進行配筋設計，池體水平鋼筋（溫度筋）間距控制在≤150mm 的范圍內，起到控制混凝土有害裂縫產生及控制裂縫開展寬度的作用。

1.5 防腐處理

污水對混凝土構筑物有一定程度的腐蝕性，對構筑物的表面防腐是結構安全性、耐久性的重要保證。土建設計將依據工藝提供的水質條件，按處理類別、酸性程度采取相應的防水防腐涂料。

2.市政污水處理廠水池結構設計中需要注意的問題

在城市污水處理廠水池結構設計中，除了對池體自身進行受力分析，還需要對池體抗浮和防滲問題進行考慮，這是目前工程中經常遇到問題。

2.1 池體抗浮問題

在進行地埋池設計時，應充分考慮地下水對池體的影響。在地下水作用下，池體放空狀態時僅靠自重可能無法滿足抗浮要求。一般來講，水池抗浮不能滿足的原因有以下兩種原因：一是工程場地的內的地下水位通常是會發生一定起伏變化，其不僅受到環境的影響也受到降水量的影響，而地勘單位難以長期精確測量該區域的地下水位，為了保證抗浮安全，通常地勘報告中給出的抗浮水位為設計地面標高以下0.5～1m。二是盡管結構可以滿足整體抗浮的要求，但是由于結構池體面積較大，隔墻分布不均勻，導致局部區域不能滿足設計規范中抗浮要求，當底板受到浮力時，局部可能會產生應力集中。

2.2 防滲漏問題

目前，污水處理廠的內大多蓄水池為鋼筋混凝土結構，有些池體在完工后運行過程中出現池體開裂滲漏的問題。主要因素有兩個：一是池體的混凝土水泥用量較高，在施工中會出現水化熱，養護不到位，溫度上升導致出現收縮裂縫；二是混凝土沒有振搗均勻，混凝土產生蜂窩狀構造，混凝土硬化過程中產生裂縫；在澆注池體底板與側壁銜接處時，底板應與部分側壁同步澆筑，施工縫應留設在底板以上300mm 的高度。如果底板與側壁分開澆筑，接縫處易產生滲漏問題。

3.解決污水處理廠水池結構產生問題措施

3.1 解決底板抗浮穩定性問題

當池體放空狀態時僅靠自重無法滿足抗浮要求時，需進行抗浮設計，提出抗浮措施：（1）配重抗浮：通過增加池體自重，通常在池底板增加配重混凝土，通過鋼筋將之與底板連接。（2）樁基抗浮：可選用灌注樁及預制樁。本著經濟安全可靠、施工工期快的原則選用鋼筋混凝土預制樁比較適宜，但當池底板下土層為巖層或較硬土質，靜壓樁難以施工的情況可采用鋼筋混凝土鉆孔灌注樁。（3）錨桿抗浮：依據《建筑工程抗浮技術標準》，當抗浮設計等級為乙級時，標準中規定抗浮構件一般要求按不出現裂縫進行設計，故抗浮設計等級為乙級及以上的工程，宜選擇預應力抗浮錨桿，預應力抗浮錨桿采用套管將錨桿桿體與地下水土完全隔離，且注漿體受力時處于壓力狀態避免錨固體拉伸裂縫的出現，克服了傳統拉力型錨桿存在的耐久性隱患。

3.2 水池結構滲漏措施

池體在干縮和溫縮等因素的共同作用下，容易產生開裂，從而導致池體滲漏。為防止池體出現滲漏，應注意選用合適混凝土強度，并對水泥用量、水膠比等進行嚴格控制。對于構筑物平面尺寸露天式大于20m、全地下式大于30m 時，一般通過設置變形縫將結構完全分開，縫寬30mm，中間設置遇水膨脹橡膠止水帶。當單體構筑物對整體性要求較高，分縫過多會產生不利影響時，設計將采取設置后澆帶、加強帶等方法達到抗裂目的。我們對溫度應力采取“以防為主”的處理方式，通過在混凝土中添加低含堿量的添加劑，并設置現澆膨脹加強帶及后澆帶抵抗溫度應力，控制施工期間早期裂縫的開展。下部結構在構造上采取下列防裂措施可有效防止裂縫開展：

（1）優化水平鋼筋的配置，采用細筋密布原則布置，在同樣配筋率的情況下優先選擇較細鋼筋較小間距布置；（2）對于超長池體壁板水平分布筋，采用布置附加水平細鋼筋抵抗溫度收縮應力；（3）優化混凝土配比，減小水化熱，提高抗裂、抗滲性能；（4）混凝土中摻膨脹劑、纖維等提高混凝土的抗裂性能；（5）加強混凝土的養護，減少混凝土開裂。

4.案例分析

以合肥市長豐縣某市政污水處理廠為實例，該污水廠工程模為5.0 萬m3/d。需新建A2/O 生化池、高效沉淀池、粗格柵及進水泵房、細格柵及旋流沉砂池、選擇池及厭氧池、接觸消毒池等構筑物。主體結構均采用C30 混凝土，盛水構筑物和泵房地下部分等混凝土抗滲等級為P8～P10。包管、二次澆筑混凝土等級為C30，墊層混凝土等級為C15，配重混凝土等級為C20。

4.1 周邊環境及地層結構

施工場地位于長豐縣某開發區，場地大地貌單元屬江淮波狀平原，微地貌單元為崗地。場地基本已經整平，場地較開闊，地勢起伏較小根據現場工程地質鉆探揭露及地表地質調查，場內地層自上而下主要地層分述如下：

（1）層雜填土，層厚1.30～3.20m，雜色，該層為近期人工回填土，以粘性土、碎石及植物根莖組成，屬欠固結土層，該層土厚度不均勻。（2）層淤泥層，層厚1.60～3.70m，灰色～灰黑色，軟～流塑狀，飽和，含腐殖質，有嗅味，干強度低，韌性低。（3）層粉質黏土層，層厚1.20～4.00m，灰、灰黃色，干強度中等，韌性中等，切面較粗糙，無搖振反應。（4）層黏土層，層厚1.20～4.00m，灰黃、黃褐色。可～硬塑狀態，含少量鐵錳氧化物。搖振反應無，切面稍光滑，干強度中等，韌性中等。此層土分布于整個場地，屬于中等壓縮性土。（5）層強風化泥質砂巖該層未鉆穿，棕紅色，結構構造大部分破壞，主要由砂土及黏土礦物組成，巖芯極破碎，含風化碎屑，手捏易碎。

表1 天然地基設計參數

4.2 抗浮設計

根據《建筑工程抗浮技術標準》，本工程抗浮設計等級為乙級，抗浮穩定安全系數為1.05。

式中Kf——抗浮穩定性系數。

ΣW——計算區域總抗浮里標準值，KN；

ΣFf——計算區域地下結構底板所承受的浮力標準值綜合，KN/m2；

A——計算區域的底板面積，m2。

表2 各單體抗浮計算結果表

圖1 高效沉淀池計算模型

由上述計算結果可知，A2/O 生化池、接觸消毒池及二沉池以自重抗浮系數＜1.05,不滿足抗浮要求。因A2/O生化池池體面積達4464m2，結構單體所受浮力較大、上浮變形控制要求較高，采用抗浮樁方案更為安全、可靠，能應對各種復雜工況，故本工選用樁基抗浮。二沉池及接觸消毒池等面積較小的構筑物因抗浮系數接近規范要求值，故采用增加一定數量的配重混凝土來使其滿足要求。

4.3 池體結構設計

以該污水廠的高效沉淀池為例，該水池為典型的多格鋼筋混凝土水池，池體長為33.7m，寬度為14.4m。池體高度總高度為9m，底板埋深為4.5m。基礎持力層為④層粘土，承載力特征值fak=200kPa。

高效沉淀池屬于露天結構，根據《給水排水工程鋼筋混凝土水池結構設計規程》第7.1.3 條，現澆露天混凝土結構伸縮縫最大間距為20m。規程中也注明當在混凝土中加摻合料或設置混凝土后澆帶以減少收縮變形時，伸縮縫間距可根據經驗確定。為保證結構的整體性，在高效沉淀池的混凝土中摻入抗滲防裂微膨脹型外加劑，要求外加劑不得對人體產生危害、對環境產生污染，質量標準應符合相關規范的要求。同時，在池體平面中部設置后澆帶，后澆帶寬度為1m，后澆帶設置包含底板、側壁及頂板形成閉環。要求高效沉淀池后澆帶位置在兩側混凝土澆筑完42 天后，外表面經過鑿毛清理后，澆筑比主體結構混凝土強度等級提高一級的補償收縮混凝土即C35 混凝土。

由于水池的受力情況較為復雜，需要考慮多種不同的池內外荷載作用，如外土壓力、水壓力，溫度作用等。在不同的工況下，需要采用多種的荷載組合，針對閉水試驗、滿水、無水等工況進行計算分析。

結語：

城市污水廠池體結構能否合理地設計，將會對污水廠的建設及運行產生重大影響。設計要掌握設計要領，根據周圍環境，區別各構筑物的體形、工藝要求等特點，制定安全、經濟的結構受力體系和計算模型。根據各構筑物高度和不同工況特點，選取合理的受力模型，改變構件內力分布，從而達到降低造價、提高構筑物安全性和耐久性的目的。