大海則礦井水處理間超長水池設(shè)計(jì)

肖長江 劉彥東

（中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司， 陜西 西安 710054）

近年來，環(huán)保政策日趨嚴(yán)格，很多礦井都在進(jìn)行井下水的深度處理綜合利用項(xiàng)目[1-3]。池體結(jié)構(gòu)在這類工程中得到了廣泛應(yīng)用，相關(guān)學(xué)者對池體的溫度應(yīng)力及超長設(shè)計(jì)已經(jīng)有了一定的研究[4-8]。本文結(jié)合水處理工程池體的特點(diǎn)，從設(shè)計(jì)的角度出發(fā)對這類工程結(jié)構(gòu)的材料選用、耐久性要求、各種工況組合、不規(guī)則池體的計(jì)算分析、吸水井的設(shè)計(jì)等內(nèi)容進(jìn)行闡述。

1 項(xiàng)目簡介

中煤陜西榆林能源化工有限公司大海則煤礦礦井水綜合利用項(xiàng)目位于榆林市榆陽區(qū)補(bǔ)浪河鄉(xiāng)，處理規(guī)模36 000 m3/d。綜合處理間是最大的單體建筑，長度147.1 m，寬度81 m，其中池體長度為147.1 m，池體寬度為29 m、36 m、45.5 m，半地下水池底標(biāo)高-3.5 m，頂標(biāo)高4.2～4.7 m（結(jié)構(gòu)找坡），通長吸水井寬2.0 m，深1.5 m，泵房底標(biāo)高-3.8 m，地下水池底標(biāo)高-5.75 m，頂標(biāo)高-0.12 m、-1.0 m。根據(jù)車間的工藝布置在46.1 m處池體結(jié)構(gòu)設(shè)雙墻，基礎(chǔ)脫開，泵房的側(cè)壁及底板設(shè)止水帶，右側(cè)99.6 m長的范圍內(nèi)設(shè)兩道后澆帶。池體結(jié)構(gòu)的平面圖如圖1，最寬處剖面圖如圖2。

圖1 池體結(jié)構(gòu)平面圖

圖2 剖面圖

2 結(jié)構(gòu)材料及耐久性設(shè)計(jì)

本工程中SWRO濃水池的硫酸根含量最高為4 510.6 mg/l，根據(jù)《工業(yè)建筑防腐設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50046-2018），腐蝕性等級為強(qiáng)腐蝕，混凝土強(qiáng)度等級統(tǒng)一取C40。根據(jù)《石油化工鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SH/T 3132-2013），本工程水池的防水等級為二級，混凝土的抗?jié)B等級為P8，該地區(qū)最冷月平均氣溫低于-10 ℃，混凝土的抗凍等級為F200。泵房內(nèi)的環(huán)境類別為一類，保護(hù)層厚度按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50010-2010）（2015年版）取值，池體部分保護(hù)層厚度根據(jù)《工業(yè)建筑防腐設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50046-2018）取值。

3 荷載取值及工況組合

水池及泵房的主要荷載有土壓力、地面均布活荷載、池頂?shù)慕ㄖ龇盎詈奢d、水壓力和溫度作用。其中土壓力在地下水范圍內(nèi)時(shí)應(yīng)考慮飽和重度，地面均布活荷載應(yīng)考慮有無設(shè)備并不小于10 kN/m2。

根據(jù)《給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》（CECS 138：2002），現(xiàn)澆混凝土水池伸縮縫的最大間距為30 m。本工程中間設(shè)一道伸縮縫后右側(cè)水池長度為99.6 m，超長3.32倍，需要考慮溫度作用。初始溫度按后澆帶封帶時(shí)4月份的溫度考慮，根據(jù)榆林氣象站統(tǒng)計(jì)資料4月份平均溫度為10.6 ℃，考慮施工的不可預(yù)見性取±5 ℃的偏差，最低平均初始溫度T01=10.65-5=5.6 ℃，最高平均初始溫度T02=10.6+5=15.6 ℃。本工程半地下水池的側(cè)墻和池頂采取保溫措施，夏季通風(fēng)、冬季采暖，結(jié)構(gòu)冬季最低平均溫度TS1=15 ℃，結(jié)構(gòu)夏季最高平均溫度TS2=26 ℃，混凝土收縮在其內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，把后澆帶封閉后的殘余收縮變形等效為結(jié)構(gòu)的整體降溫，考慮-5 ℃的當(dāng)量負(fù)溫差。計(jì)算最大升溫△TS=TS2-T01-5=26-5.6-5=15.4 ℃，計(jì)算最大降溫△TJ=TS1-T02-5=15-15.6-5=-5.6 ℃。

水池結(jié)構(gòu)的工況組合主要有三種：蓄水試驗(yàn)、空池和滿水。而且水壓力還需要考慮不同區(qū)格水池有水、無水的不利組合。

4 YJK軟件整體計(jì)算

礦井水處理的池體結(jié)構(gòu)池壁分隔不規(guī)則，高度不統(tǒng)一，工況組合較多，本文應(yīng)用YJK有限元設(shè)計(jì)軟件對池體結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析計(jì)算。

4.1 模型及計(jì)算參數(shù)

建立池體及上部結(jié)構(gòu)的全模型，可考慮上部荷載及池壁柱對池體的影響。土壓力及池外地面活荷載引起的池壁側(cè)壓力在蓄水試驗(yàn)時(shí)不存在，所以要按自定義工況輸入，每個(gè)區(qū)格水池的水壓力按一種自定義工況荷載輸入，便于進(jìn)行不利組合計(jì)算。溫度荷載按全樓節(jié)點(diǎn)溫差輸入。

計(jì)算參數(shù)確定：“樓板剛性假定”選擇“不強(qiáng)制采用剛性樓板假定”；勾選“生成繪等值線數(shù)據(jù)”，可在計(jì)算結(jié)果中查看內(nèi)力云圖；“地下室層數(shù)”輸0，通過自定義的池壁外土壓力進(jìn)行各工況的組合；“彈性板荷載計(jì)算方式”選擇“有限元計(jì)算”；在板屬性菜單下對全樓的樓板設(shè)置為“彈性板6”；不考慮梁端剛域，不考慮柱端剛域。

荷載組合：除按程序默認(rèn)的組合以外還要確定自定義工況的組合，恒載有正常恒載和自定義工況的土壓力，活載有正常活載和水壓力，在這里可以定義疊加+包絡(luò)，也可以定義全組合。

4.2 計(jì)算結(jié)果及配筋

計(jì)算結(jié)果：在設(shè)計(jì)結(jié)果中查看各工況的位移、內(nèi)力、應(yīng)力等。以水池11滿水工況為例的位移如圖3。

圖3 水池滿水單工況位移云圖

配筋：底板配筋在等值線模塊查看，分別給出X向、Y向頂?shù)着浣罟菜膫€(gè)文件，墻的配筋結(jié)果輸出12個(gè)數(shù)值，適應(yīng)墻配筋內(nèi)外側(cè)不同、上下左右加密的布置情況，輸入結(jié)果及說明如圖4。

圖4 墻配筋及說明

4.3 溫度應(yīng)力的影響

溫度作用是一個(gè)長期反復(fù)不利荷載，與施工期間的溫度、后澆帶封帶溫度、有無保溫通風(fēng)采暖、混凝土的殘余收縮變形等因素有關(guān)，同時(shí)與池體的形狀、長度、隔墻間距等也有關(guān)系。選取本工程的墻A、墻B、墻C（見平面圖）考慮升溫15.4 ℃、降溫-5.6 ℃進(jìn)行溫度作用的有無對比（保留其余荷載工況）。從結(jié)果可以看出對于超長方向溫度作用影響較大，對于泵房外墻C由于高度低且無內(nèi)水壓力，沿墻長方向溫度荷載起控制作用，影響更大。

5 MIDAS軟件優(yōu)化設(shè)計(jì)

MIDAS軟件作為通用的有限元軟件，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于池體結(jié)構(gòu)的分析研究[9-10]。本工程有通長吸水井，寬2 m，深1.5 m，加腋通過45°找坡與兩側(cè)底板連接，吸水井局部已經(jīng)發(fā)生了很大的改變，實(shí)際工程設(shè)計(jì)須考慮實(shí)際吸水井的影響。采用MIDAS GEN有限性軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，建模采取簡化的模型，長度取2個(gè)12 m長的水池共24 m，寬度同工程水池，吸水井加腋采用實(shí)體單元，網(wǎng)格劃分為1 m，采用面彈性支撐模擬底板下土的作用，基床系數(shù)取20 MPa。計(jì)算模型及四個(gè)池子均滿水工況的位移如圖5。

圖5 計(jì)算模型及滿水位移云圖

以半地下水池通長吸水井為例，根據(jù)滿水最不利工況得到各部位的彎矩，加腋部分根據(jù)有限元單元及彎矩值對應(yīng)的根部1 m的平均厚度作為板厚進(jìn)行計(jì)算，再根據(jù)受彎構(gòu)件求各部位的配筋。

6 結(jié)語

本文結(jié)合大海則深度水處理超長池體結(jié)構(gòu)，闡述了材料的選用、耐久性的設(shè)計(jì)、荷載及工況組合，對池體結(jié)構(gòu)進(jìn)行YJK整體有限元設(shè)計(jì)，對池體的吸水井采用MIDAS有限元軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為類似工程的設(shè)計(jì)提供參考。