某污水處理廠結構設計探討

李健

（山西省城鄉規劃設計研究院工程設計中心 山西省太原市 030001）

1 概述

污水處理廠的結構設計是一個長期、復雜甚至循環往復的過程，在這過程中的任何遺漏或錯誤都有可能使整個設計過程變得更加復雜，使設計結果存在不安全因素。因此，在每個過程都應該進行認真地分析和計算，并且要不斷地進行優化設計，最終達到滿意的結果。

該污水處理廠采用了地下鋼筋混凝土結構，主要包括進水井、粗格柵及提升泵房、細格柵、沉砂池及砂水分離間、生物池、沉淀池、污泥池、中間水池、消毒池等構筑物。作者在結構設計中遵循有關的設計規范和規程，根據構筑物的使用要求和受力特點，選擇合理的結構形式和計算方法，根據承載的能力極限狀態和正常使用的極限狀態要求，分別進行了承載力，穩定，變形，裂縫寬度等計算，并做好驗算。

2 結構設計計算方法

在對大量文獻和實際工程項目進行研究分析后發現，要確保污水處理廠構筑物結構設計的整體質量，設計人員要總結前人經驗，在設計過程中認真地分析和計算，考慮施工過程中可能遇到的一切問題。作者結合自己多年對污水處理廠結構設計經驗，總結了在設計過程中應注意的設計方法和問題。

2.1 計算模型選擇

污水處理廠水工構筑物結構的類型均不相同，在具體設計過程中，選用合理的計算模型尤為重要，對于長寬高比較均勻的短跨尺寸在6m以內的小型水池和多格有蓋水池，計算底板內力可以按地基反力直線分布計算；當池壁線剛度為頂板線剛度的5倍以上時，可假設池壁頂端為鉸支，否則按彈性固定計算。敞口水池的池壁邊界條件假定為三邊支承，頂邊自由的板。但對于敞口有走道板水池，按照規程把走道板設計成橫向深梁，計算時按照不動鉸支撐考慮，這樣計算比敞口按照自由端考慮要合理和經濟。對池壁長度比較長或超大水池，底板的抗彎剛度大于池壁抗彎剛度10倍時，可以把底板作為嵌固端，池壁采用擋水墻來設計，對高度比較高的結構采用扶壁式擋水墻。底板計算應采取單位截條，將池壁作為集中力按彈性地基梁進行內力分析。

2.2 結構荷載選取

池頂荷載主要考慮頂板自重，覆土重，雪荷載和活荷載。池壁荷載考慮池內水壓力，池外土壓力和地下水壓力。

在設計中考慮兩種荷載組合：

（1）池內水壓+自重（池內有水，池外無土）。

（2）池外土壓+自重（池內無水，池外有土）。

第（1）組合為地上式構筑物的必需組合；第（1）（2）組合為地下或半地下構筑物的必需組合。

2.3 內力計算

內力計算時主要采取了以下方法：

（1）頂板的計算可以同鋼筋混凝土樓蓋的計算方法。圓形頂板水池，可根據支撐條件查靜力計算手冊。

（2）底板計算按水池的結構形式確定。當池壁采用獨立基礎時，底板反力可按直線分布考慮；當水池為整體式底板時，應按彈性地基上的梁板計算內力。

（3）矩形水池池壁的內力計算可先按單塊矩形板進行計算，再根據相鄰池壁的剛度進行彎矩分配求出板彎矩。圓形水池的池壁彎矩可根據支撐條件查靜力計算手冊。

2.4 配筋

構筑物配筋主要有強度和裂縫兩部分控制。大水池中裂縫配筋遠大于承載力計算配筋。且筆者在設計計算其它構筑物配筋時，一般情況都是裂縫控制，因此結構設計人員在設計中不要忽視了裂縫控制。

3 構筑物常見裂縫分析

裂縫是構筑物結構設計中普遍存在的一種現象，它的出現不僅會降低其抗滲能力，影響水池的使用功能，而且會引起鋼筋的銹蝕。經驗表明水池的裂縫產生和發展是可以從根本上得到控制的。在結構設計時，必須重視溫差及混凝土收縮、水化熱、內外約束、以及不均勻沉降等對水池裂縫寬度的影響，在滿足工藝要求的前提下，合理的結構設計，正確的施工方法是工程質量的重要保證。

作者結合自身的設計經驗及查閱文獻，認為目前造成裂縫的原因主要有以下幾方面：

3.1 荷載造成的裂縫

在設計計算階段，對結構的荷載沒有進行計算或者是計算方面出現了漏洞，這樣所設計出來的荷載與實際的荷載存在著一定的差異，使結構安全系數達不到所規定的標準。在受到很大荷載的情況下，會使得結構出現一定的裂縫，另外因設計圖紙設計的不夠清晰，圖紙上的內容沒有進行準確地表達，造成施工單位沒有用夠鋼筋，這樣也會造成水池荷載裂縫的產生。

在施工階段，在對水池工程進行施工的時候，如果所使用到的建筑材料受到了損傷，那么所修建的水池肯定得不到相應的質量保證，從而造成裂縫現象的產生。還有就是在施工的過程中，施工人員如果不根據設計的圖紙進行施工，那么就會改變水池結構應有的模式，從而使得水池結構的受力特點也遭到了改變，這勢必會導致裂縫的產生。

3.2 溫度造成的裂縫

在對構筑物進行施工的時候，由于結構所需要承受的荷載比較大，所以結構的混凝土澆筑厚度一般都比較大。當所澆筑的混凝土的厚度超過一定值時，由于混凝土中的水泥在澆筑的過程中會進行水化放熱，這樣就會使得鋼筋混凝土墻柱內外的溫差非常的大，從而會使得結構的表面出現裂縫。構筑物要進行蒸汽養護，主要是由于冬天的天氣溫度太低，以免造成水池結構的破壞。不過在進行蒸汽養護時混凝土溫度非常高，一旦水池停止了蒸汽養護冬天寒冷的空氣就會導致混凝土的溫度驟然下降，這樣就很容易造成水池裂縫的產生。

3.3 混凝土收縮裂縫

收縮裂縫也是常見的一種裂縫，它主要發生在混凝土在凝固之前強度比較小的時候，由于這個時候的混凝土受到高溫或者大風的襲擊，這樣混凝土的表面就會很快的喪失水分，從而就使得混凝土結構內部有比較大的負壓，導致混凝土內部的體積出現了急劇收縮的情況。但是這個時候混凝土的強度又不能夠抵抗其本身收縮，這樣就出現了龜裂的情況，這就是所謂的收縮裂縫。同時這種裂縫主要是在特定的環境下形成的，如果在高溫或者大風的天氣，就會出現中間寬、兩邊細和長短不一致的情況，并且相互之間不能連貫起來。

針對常見的裂縫，結構設計人員在設計中一定要引起注意。作者在污水廠構筑物設計中，為避免裂縫出現，主要考慮了以下幾個方面：

（1）分離式配筋不宜用于水池底板和頂板上，而應使用上下兩層連續式配筋。

（2）水池配筋率不宜過大，因為配筋率過大時，會增強鋼筋對混凝土收縮的約束作用，進而導致混凝土表面出現不規則的龜裂，故單側配筋率宜控制0.8～1%以內。

（3）水平加強筋宜應被安置于敞口水池頂端，且其內外兩側水平加強筋各不應少于3根，直徑要高于池壁受力鋼筋，且直徑長度不宜小于16mm，間距應設置在50～100mm之間。

（4）配筋的分布應盡可能按照小直徑和小間距來設置，尤其是要縮小水平向的鋼筋間距，且水平向的鋼筋宜滿足4～10根/m之間。

（5）暗柱宜設置在易裂的邊緣部位，如丁字交接、池壁交界轉角及十字交叉處。確保水池的整體性和整體抗裂性能。

（6）在可能的情況下，宜設置腋角在水池池壁的拐角及與頂、底板的交界處，且保證腋角邊寬不宜小于150mm。

4 結束語

對于污水處理廠水池結構其不僅要達到結構強度要求同時還必須具有抗滲漏性能、耐腐蝕性能以及抗凍性能等。設計人員實際設計過程中應對各種條件與因素加以充分的考慮及分析，并結合當地具體情況制定各種防腐抗滲措施不斷優化水池結構設計方案這樣才使污水處理廠水池的使用年限更長。