分析污水處理廠調(diào)節(jié)池的預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)與施工實(shí)踐

朱小明

（中機(jī)十院國際工程有限公司，北京100083）

1 引言

隨著近年來國家與社會(huì)各界環(huán)保意識(shí)的逐漸提升，污水處理廠的發(fā)展進(jìn)步也十分迅速，但在污水處理的過程中，受到污水排水間斷性較強(qiáng)且水質(zhì)變化波動(dòng)較大的影響，污水處理廠中必須設(shè)有足夠容量的調(diào)節(jié)池。通常情況下，污水處理廠需按照排水周期、排水濃度來儲(chǔ)存及混合污水，在調(diào)節(jié)池內(nèi)水質(zhì)水量基本調(diào)勻之后再向后續(xù)處理流程推進(jìn)，但這對(duì)調(diào)節(jié)池的要求相對(duì)極高，若想最大限度地發(fā)揮調(diào)節(jié)池的效果，預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)水平與施工質(zhì)量就必須要得到保證。

2 工程概況

以50 000t/d大型污水處理項(xiàng)目為例。本工程包括多個(gè)圓形水池與矩形水池，UASB厭氧池沉淀池與射流曝氣池、沉淀池等為前者的主要構(gòu)成部分，而矩形水池則以事故調(diào)節(jié)池、一段好氧池以及UASB厭氧池、消毒池等為主。因?yàn)樯鲜鑫鬯亻L寬尺寸均較大，儲(chǔ)水水位相對(duì)來講也極高，一旦外部荷載超過正常水平，就極易導(dǎo)致裂縫出現(xiàn)，進(jìn)一步引發(fā)滲漏。為降低水壓力、水溫與混凝土收縮產(chǎn)生的影響，使池壁與池底混凝土的裂縫問題得到規(guī)避，施工人員可在圓形水池池壁中配置環(huán)向預(yù)應(yīng)力筋，在矩形水池中配置無黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋，在池頂拉梁中配置黏結(jié)預(yù)應(yīng)力筋。由于污水處理廠須處理的污水量較多，對(duì)處理效率的要求也比較高，因此，本文以體量較大的調(diào)節(jié)池預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)與施工為基點(diǎn)展開研究，確保污水處理效果能真正得利提升。

3 調(diào)節(jié)池設(shè)置的關(guān)鍵點(diǎn)

3.1 泵前調(diào)節(jié)

對(duì)于調(diào)節(jié)池設(shè)置工作而言，泵前調(diào)節(jié)是十分常見且有效的調(diào)節(jié)方式。在進(jìn)水提升泵設(shè)置之前，技術(shù)人員通常會(huì)采取與提升泵集水池合建的方法，但與此同時(shí)，若想充分發(fā)揮這種布置方式的效果，相關(guān)人員也要掌握其使用時(shí)的關(guān)鍵點(diǎn)。受到污水處理廠進(jìn)水管埋深較大的影響，調(diào)節(jié)池通常都須采取地下式。經(jīng)實(shí)踐證明，其在集水池最高設(shè)計(jì)水位下池容的調(diào)節(jié)效果最好。但這種方法也存在一定的弊端，池中最高水位之上的池容，都屬于無效池容，進(jìn)水管道埋深較大的情況下利用率低相對(duì)更低，同時(shí)污泥清除難度大、成本高、土建構(gòu)造復(fù)雜等，也都是其顯著缺點(diǎn)；優(yōu)勢(shì)則主要體現(xiàn)在這種方式能確保污水一次提升到位，且運(yùn)行管理難度較低，能耗與運(yùn)行費(fèi)用較少。

3.2 泵后調(diào)節(jié)

泵后調(diào)節(jié)主要是以泵前調(diào)節(jié)弊端為基點(diǎn)提出的，其具備土建成本低、排泥便捷、構(gòu)造簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)。這種調(diào)節(jié)池出水方式主要有以下2種：（1）采取泵后高位調(diào)節(jié)的方式，實(shí)現(xiàn)后續(xù)處理構(gòu)筑物的重力流運(yùn)行，但這種方式相對(duì)而言對(duì)調(diào)節(jié)水量與穩(wěn)定出流的作用不明顯，因此，在污水處理廠中并不常見；（2）通過調(diào)節(jié)池后設(shè)置二次提升泵，能有效調(diào)節(jié)水量并為穩(wěn)定出流提供保證，弊端則在于二次提升會(huì)增加運(yùn)行費(fèi)用與能耗[1]。

4 污水處理廠調(diào)節(jié)池的預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)

4.1 有限元模型

首先，此調(diào)節(jié)池的長、寬、高，分別為120m、126m、8.9m，規(guī)格為矩形多格有蓋半地下式水池，框架柱間距9m，正方形布置。此水池已在池壁設(shè)置扶壁柱，在池頂設(shè)置圈梁與拉梁，且水池工作條件長期為50～80℃。此污水調(diào)節(jié)池由于抗浮問題設(shè)置了抗拔樁基礎(chǔ)，底板與池壁厚度分別為600mm、350～500mm變截面，混凝土強(qiáng)度為C40，鋼筋為HRB400。其次，技術(shù)人員需注重合理選擇單元，調(diào)節(jié)池樁基礎(chǔ)、扶壁柱以及拉梁，均以beam188單元為主，shell63單元?jiǎng)t主要應(yīng)用于池壁。本調(diào)節(jié)池最大的問題是進(jìn)水溫度過高，對(duì)裂縫影響很大，按常規(guī)現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，單立方混凝土的含筋量超過210kg，極大地增加了建設(shè)成本，故考慮采用預(yù)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

4.2 預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)

本工程為一級(jí)抗裂控制，即在荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合下，拉應(yīng)力是不允許出現(xiàn)的。站在污水處理廠調(diào)節(jié)池結(jié)構(gòu)體系的角度上來看，其中采取的預(yù)應(yīng)力筋與鋼絞線，規(guī)格分別為1 860MPa與15.2mm。若根據(jù)30%來計(jì)算調(diào)節(jié)池壁中的預(yù)應(yīng)力損失，則會(huì)得出每束預(yù)應(yīng)力筋有效張拉力為137kN的結(jié)果。除此之外，技術(shù)人員還應(yīng)將裂縫控制條件作為根據(jù)，得出預(yù)應(yīng)力筋的數(shù)量，最終按照預(yù)應(yīng)力計(jì)算出非預(yù)應(yīng)力的面積。

由于此污水調(diào)節(jié)池屬于超長結(jié)構(gòu)，在溫度、水壓力以及混凝土收縮等因素的長期作用下，產(chǎn)生裂縫的概率也會(huì)大幅增加。因此，技術(shù)人員還要明確以下幾點(diǎn)內(nèi)容：（1）底板與池壁交接部分即為底板拉應(yīng)力最大的位置；（2）底板與池壁交接的內(nèi)側(cè)，是豎向應(yīng)力最大的位置；（3）底板交接處柱內(nèi)側(cè)為扶壁柱拉應(yīng)力最大的位置；（4）拉梁與柱交接部分是拉梁與圈梁拉應(yīng)力最大的位置。除此之外，技術(shù)人員還應(yīng)將水池在各種條件下變形與受力特征充分考慮在內(nèi)，使用直線方法來布置調(diào)節(jié)池底板、中扶壁柱與中池壁中的預(yù)應(yīng)力筋，同時(shí)應(yīng)采取曲線方式來布置邊扶壁柱、邊池壁以及拉梁與圈梁中的預(yù)應(yīng)力筋，注意形狀應(yīng)接近于彎矩圖矢量[2]。

5 水池預(yù)應(yīng)力施工的注意事項(xiàng)

在案例工程中，由于池底、壁以及扶壁柱與拉梁、圈梁等構(gòu)件，都需要進(jìn)行預(yù)應(yīng)力的合理施加。因此，應(yīng)注重預(yù)應(yīng)力時(shí)各構(gòu)件間不均勻變形的情況。實(shí)踐證明，若張拉方案設(shè)置不夠科學(xué)合理，就會(huì)提高張拉過程中意外事故出現(xiàn)的概率，因此，技術(shù)人員必須對(duì)調(diào)節(jié)池的受力特征充分考慮，并遵循以下張拉原則：

1）對(duì)稱性原則預(yù)應(yīng)力筋的張拉過程，是結(jié)構(gòu)的受荷過程，預(yù)應(yīng)力筋合力作用點(diǎn)上的混凝土?xí)谝欢ǔ潭壬鲜艿綁浩?，此時(shí)若想減小外荷載作用下的彎矩作用，預(yù)應(yīng)力張拉就會(huì)使截面部位出現(xiàn)拉應(yīng)力，在結(jié)構(gòu)出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)等不利應(yīng)力的情況下，預(yù)應(yīng)力筋的布置工作基本會(huì)遵循對(duì)稱均勻的原則。

2）張拉施工為4個(gè)步驟，分別是澆筑池底—池壁—扶壁柱—澆筑拉梁。為確保結(jié)構(gòu)受力的均勻性，由預(yù)應(yīng)力次內(nèi)力產(chǎn)生的消極作用必須采取有效措施減弱，盡量減少張拉所用的時(shí)間。與此同時(shí)，技術(shù)人員在進(jìn)行張拉時(shí)，應(yīng)依照底板、扶壁柱、池壁與拉梁的順序，在混凝土強(qiáng)度與設(shè)計(jì)強(qiáng)度相符時(shí)，進(jìn)行張拉。

3）至少應(yīng)將預(yù)應(yīng)力筋張拉分成2級(jí)，這是結(jié)構(gòu)受力均勻性得以保證的關(guān)鍵。在混凝土整體結(jié)構(gòu)未完善前，在強(qiáng)度符合張拉標(biāo)準(zhǔn)之后，技術(shù)人員應(yīng)先對(duì)部分預(yù)應(yīng)力筋進(jìn)行張拉，在形成整體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，再張拉余下的預(yù)應(yīng)力筋，在重新分布結(jié)構(gòu)內(nèi)力的情況下，達(dá)成不均勻變形減弱的目的[3]。

6 結(jié)語

綜上所述，調(diào)節(jié)池的預(yù)應(yīng)力設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量，對(duì)污水處理廠日常運(yùn)行而言意義非凡。在工段與時(shí)間不同的情況下，所排放的污水也有極大的差別，若出現(xiàn)操作不正?；蛘呤浅霈F(xiàn)設(shè)備泄漏的狀況，污水水質(zhì)還會(huì)急劇惡化，水量相較惡化之前也會(huì)大幅增加，遠(yuǎn)超出污水處理設(shè)備的正常水平。這種情況下，污水處理廠就可以在污水進(jìn)入處理主體前，先將其向調(diào)節(jié)池導(dǎo)入，從而達(dá)成均和調(diào)節(jié)的目的，在水量與水質(zhì)都趨于穩(wěn)定的情況下，為后續(xù)水處理系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供更好的操作環(huán)境。