農(nóng)村生活污水處理設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計＊
——以甘肅某農(nóng)村為例

鮑 嬌

（蘭州博文科技學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

農(nóng)村生活污水治理作為改善人居環(huán)境的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，不僅密切關(guān)系著農(nóng)村居民的身體健康狀況，而且嚴(yán)重影響著村民賴以生存的生活環(huán)境，這對進一步提升農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展也有著重要意義。目前，中國農(nóng)村水環(huán)境的保護與治理問題依然面臨著諸多困難。一方面，受到居住環(huán)境、經(jīng)濟條件等制約影響，致使農(nóng)村生活污水治理并不能像城市污水一樣采取集中處理的方式；另一方面，因缺乏相應(yīng)的污水處理設(shè)施，導(dǎo)致污水處理問題并未從根本上得到解決，同時又造成了大量水資源的浪費。

1 工藝設(shè)計

1.1 工藝參數(shù)

以甘肅省某農(nóng)村為工程背景，該地區(qū)位于甘肅省中部，地處祁連山與秦嶺2個褶皺帶中，多山溝，兼有塬、川。該縣有6個鎮(zhèn)，219個行政村，全縣人口達(dá)34萬人，總面積1.212 4×109m2。與其他地區(qū)相比，該地區(qū)具有獨特的民族風(fēng)俗，生活習(xí)慣存在較大差異，根據(jù)場地實際條件和使用情況、裝置建造工藝要求和結(jié)構(gòu)特點等方面綜合考量，設(shè)計小型、實用性強的污水處理裝置。

水池結(jié)構(gòu)設(shè)計中遵循安全適用、經(jīng)濟合理的原則，保證結(jié)構(gòu)整體受力穩(wěn)定的同時降低設(shè)備建設(shè)成本。由于農(nóng)村居民日排水量小，設(shè)計矩形與圓形2種不同截面類型，考慮到矩形截面相比圓形對場地使用要求小、成本低，經(jīng)濟效益更突出。因此，此設(shè)備采用矩形結(jié)構(gòu)、全地上的污水處理裝置。按照農(nóng)村居民日排水量均值25 L/人計算，每戶4人，日處理量為100 L。左側(cè)室作為一級缺氧池，尺寸為100 mm×75 mm×95 mm,中間室尺寸100 mm×70 mm×95 mm,右側(cè)室為接觸氧化池，尺寸100 mm×75 mm×80 mm，作為進水水池與凈化水池有效容積均能滿足日常污水處理，見圖1。

1.2 工藝流程

處理裝置分為3個腔室分別進行污水處理。左側(cè)室為污水初次與二次過濾間；中間室為藥物凈化室，側(cè)壁設(shè)置有進藥管；右側(cè)室作為凈化水儲液箱，內(nèi)部設(shè)置有活性炭濾網(wǎng)。生活污水以自流方式進入裝置進水斗，大塊雜質(zhì)或纖維通過濾網(wǎng)進行初次過濾，在其作用下將所含泥沙等雜質(zhì)物與第一次過濾產(chǎn)物共同進入雜物暫存箱。污水則通過第二濾網(wǎng)再次進行除雜，除雜后的污水進入攪拌箱，通過動力軸帶動攪拌并與凈化藥物充分融合，從而凈化污水中的污染物。而后進入儲液箱，在活性炭濾網(wǎng)作用下進一步凈化。凈化水便可送入田間地頭，便于村民進行澆灌。

2 地基承載力驗算

地基所受荷載類型分為永久荷載與可變荷載。其中土體的水平向壓力及豎向壓應(yīng)力，污水處理裝置結(jié)構(gòu)自重GC，裝置內(nèi)水壓力GW為永久荷載，可變荷載有水池蓋板荷載Gh1，地面活載Gh2，地下水壓力、溫度、濕度變化等因素構(gòu)成。其中，地面荷載10.00 kN/m2,裝置頂板荷載1.50 KN/m2,組合值系數(shù)為0.90；計算中，永久荷載分項系數(shù)水池自重以1.30，其他1.27進行計算，可變荷載分項系數(shù)中地下水壓為1.27[1]，調(diào)整系數(shù)為1.00。

2.1 基地壓力PK計算

式中：污水處理裝置結(jié)構(gòu)自重，GC=G1+G2+G3=58.50 kN；基底以上裝置覆土重量Gt=0；基底以上地下水重量GS=0；裝置內(nèi)水重量GW=11.76 kN；可變荷載Gh=3.00 kN，基底面積A=3.00 m2。

2.2 修正地基承載力

由于水池采用是全地上結(jié)構(gòu)，地下水位于底板下1 m以下，不考慮地下水作用影響γ取基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度18.00 kN/m3。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 50007—2011）的要求，修正地基承載力

PK=24.92

3 結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算與分析

應(yīng)用理正工具箱，通過此軟件建立模型，進行水池強度與裂縫計算，輸入裝置頂板荷載、內(nèi)壁水壓力荷載及裝置內(nèi)無水、有水等各種情況下底板荷載作用。模擬與實際情況相符的各種荷載組合，同時考慮到池壁濕度、溫度作用，運用核算辦法檢驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式，長度L為2.5 m，寬度B為1.2 m，高度H為1.2 m，底板標(biāo)高以水平地面為基準(zhǔn)。水池壁厚b1=200 mm，底厚b3=250 mm，池池頂板厚b2=200 mm，底板外挑長度為0。混凝土強度等級為C30，鋼筋采取值HRB400，圖2、圖3為計算簡圖。

圖2 水池計算平面圖

圖3 水池計算剖面圖

3.1 計算工況

荷載基本組合方式有以下3種：

（1）池外作用土壓力時，考慮池內(nèi)無水，池外填土作用；

（2）池內(nèi)有水，池外無土，只考慮水壓力作用；

（3）池壁溫、濕度作用影響下，池內(nèi)外溫差=池內(nèi)溫度-池外溫度。

3.2 內(nèi)力計算與分析

（1）頂板內(nèi)力以四邊簡支，按單向板進行計算，荷載組合較簡單，荷載作用下平行于Iy方向板跨中彎矩最大，My=1.03 kN·m，下側(cè)受拉。

（2）前后側(cè)池壁類型為淺池壁，受左右池壁及底板作用，以三邊固定，頂邊簡支類型計算分析。計算跨度Ix=2.300 m，Iz=0.750 m。溫濕度應(yīng)力按雙向板計算，壓力同時向水平和垂直2個方向傳遞，側(cè)壁在荷載作用下區(qū)分條件見表1。

表1 側(cè)壁受力條件

考慮角隅效應(yīng)而引起彎矩，裝置外土壓力作用：基本組合：-0.00，準(zhǔn)永久組合：-0.00；池內(nèi)水壓力作用：基本組合：0.18 kN·m,準(zhǔn)永久組合：0.14 kN·m。池壁內(nèi)側(cè)受拉為正，外側(cè)受拉為負(fù)。不同工況作用下彎矩見表2—表5。

表2 基本組合作用彎矩（池內(nèi)無水，池外填土） 單位：kN·m

表3 準(zhǔn)永久組合作用彎矩 單位：kN·m

表4 基本組合作用彎矩（池內(nèi)有水，池外無土） 單位：kN·m

表5 準(zhǔn)永久組合作用彎矩 單位：kN·m

不論在何種荷載作用下，平行于Ix方向板邊緣底部彎矩最大，且外側(cè)受拉，彎矩圖見圖4。

圖4 彎矩示意圖

（3）左右側(cè)池壁計算時同樣采用三邊固定，頂邊簡支類型，內(nèi)力計算跨度Iy=1.000 m，Iz=0.750 m，按照雙向板計算。在不同荷載作用下，平行于Iy方向板邊緣彎矩最大且外側(cè)受拉。

（4）底板四邊簡支與池壁傳遞彎矩作用，計算跨度Ix=2.3 m,Iy=1 m，按照單向板進行計算。池內(nèi)有水時，側(cè)中心點彎矩最大，My=1.53 kN·m，上側(cè)受拉。

計算結(jié)果顯示，在各工況作用下水池頂板、池壁、底板的內(nèi)力大小符合《給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50069—2002）及《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010—2010）的要求。

4 配筋與裂縫驗算

配筋計算以基本組合彎矩，按照單筋受彎構(gòu)件計算板受拉鋼筋，裂縫計算根據(jù)《給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50069—2002）附錄A公式進行準(zhǔn)永久組合彎矩計算[2]。其中，縱向鋼筋保護層厚度頂板（上35 mm、下35 mm），池壁（內(nèi)35 mm、外35 mm），底板（上35 mm、下35 mm），鋼筋取值HRB400，裂縫寬度限值0.20 mm，配筋調(diào)整系數(shù)1.00。

式中：ωmax為最大裂縫寬度（mm）；ψ為裂縫間受拉鋼筋應(yīng)變不均勻系數(shù)，當(dāng)ψ<0.4時，應(yīng)取0.4；ρte以有效受拉混凝土截面面積計算的縱向受拉鋼筋配筋率，即為混凝土軸心抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值；C為最外層縱向受拉鋼筋的混凝土凈保護層厚度[3]。以前后池壁為例，配筋及裂縫可根據(jù)表6看出，裂縫寬度均小于0.2 mm，根據(jù)《給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50069—2002），受彎構(gòu)件滿足裂縫0.2 mm的要求。

表6 前后側(cè)池壁配筋及裂縫

5 結(jié)論

由于污水處理設(shè)備有腐蝕性物質(zhì)等雜質(zhì)存在，在設(shè)計中應(yīng)當(dāng)充分考慮水池使用過程的防滲抗漏問題。因此，在水池設(shè)計中以結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、經(jīng)濟合理為前提，可借助有限元軟件平臺建立模型，根據(jù)荷載工況進行內(nèi)力分析。并利用配筋結(jié)果進行裂縫驗算，防止使用后產(chǎn)生池壁開裂，出現(xiàn)滲、漏水現(xiàn)象。在混凝土強度設(shè)計方面，選用具備防滲、耐久、防腐性能的材料，以保證水池正常使用。