市政給排水工程中構筑物結構設計分析

摘要：詳細分析了給排水構筑物的類型（如水池、泵站、水塔）及其功能特點。深入探討了設計中的荷載分析，包括恒載、活載、水壓力、土壓力、地震作用等。闡述了混凝土和鋼材等結構材料的選擇要點，以及水池、泵站、水塔各自的結構設計關鍵，如水池的池壁、底板、頂板設計，泵站的基礎和泵房設計，水塔的基礎、塔身和水箱設計。科學合理的結構設計對保障給排水構筑物長期安全、可靠運行和滿足城市發展需求至關重要。

關鍵詞：市政給排水工程" 構筑物" 水池" 泵站" 水塔

Structure Design Analysis of Buildings in Municipal Water Supply and Drainage Engineering

QIN Lang""" LI Yijun

China Municipal Engineering Zhongnan Design and Research Institute Co.， Ltd.， Wuhan， Hubei Province， 430010 China

Abstract： This article provides a detailed analysis of the types of water supply and drainage structures （such as water tanks， pump stations， and water towers） and their functional characteristics. It deeply explores load analysis in design， including dead load， live load， water pressure， soil pressure， and seismic action， etc. This article elaborates on the key points for selecting structural materials such as concrete and steel， as well as the key structural design factors for water tanks， pump stations， and water towers， such as the design of pool walls， bottom plates， and top plates for water tanks， the design of pump station foundations and pump rooms， and the design of water tower foundations， tower bodies， and water tanks. Scientific and rational structural design is crucial for ensuring the long-term safe and reliable operation of water supply and drainage structures and meeting the needs of urban development.

Key Words： Municipal water supply and drainage engineering; Structure; Water pool; Pump station; Water tower

市政給排水工程宛如城市的生命線，而其中的構筑物則是這條生命線的關鍵節點。在現代城市建設與發展進程中，給排水系統的穩定運行直接影響居民的生活質量和城市的正常運轉。給排水構筑物包括多種類型，它們各自承擔著不可或缺的功能。從儲存清潔水的清水池到調節水量水質的調節池，從提升污水水位的污水泵站到排除雨水的雨水泵站，再到用于調節供水壓力的水塔等。這些構筑物結構設計的質量決定了它們在復雜工況下能否穩定運行，能否有效滿足給排水的功能需求。

1市政給排水構筑物的類型

1.1水池類

水池類構筑物包括清水池、調節池等。其中，清水池用于存儲處理后的清潔水，調節池用于調節水量和水質。這些構筑物需要具備良好的密封性、穩固的結構，以防水體滲透、保障結構在水壓作用下的安全性^[1]。

1.2泵站類

泵站類構筑物主要包括污水泵站、雨水泵站等。其中，污水泵站用于提升污水水位，使其能夠在重力流難以實現的情況下順利輸送；雨水泵站用于在暴雨氣候下將低洼區域雨水抽排出去，以免產生內澇問題。泵站結構設計應綜合考慮泵機的安裝、振動、水流進出順暢性。

1.3水塔

水塔主要用于存儲、調節供水壓力。水塔結構高度較大，需要同時承受較大的豎向壓力、側向風荷載等多種作用力。因此，在水塔結構設計中，必須要重點關注穩定性、強度。

2結構設計荷載分析

2.1恒載

恒載是由構筑物自身重量以及內部附屬設備重量構成。例如：常規的中型矩形清水池，池壁厚度為300～500 mm[ 2]"，使用C30混凝土，密度約為25 kN/m3，清水池長、寬、高分別為20 m、15 m、4 m，則池壁混凝土重量約為（2×20×4+2×15×4）×0.3×25=2 100 kN。底板厚度為400 mm，其自重為20×15×0.4×25=3000 kN。再加上過濾設備等附屬設備自重，即可得出總恒載數據^[2]。

2.2活載

如果水池頂部設計為可上人檢修，一般活載值設定為2 kN/㎡。假設水池平面尺寸為20 m×15 m，則池頂活載為20×15×2=600 kN。在泵站內，操作人員和小型維修設備產生的活載量按照4 kN/㎡計算。假設泵站操作面積為50 ㎡，則活載量為50×4=200 kN。再者，如果泵站內設置了材料臨時堆放區域，堆載量按照10 kN/㎡，則堆載面積達到10 ㎡時，則堆載為10×10= 100 kN。

2.3水壓力

水壓力荷載量非常大。水池的側向水壓力計算公式為：

式（1）中[ 3]"[ 4]"：P表示水對水池側面的壓力；ρ表示水的密度；g表示重力加速度；h表示水的深度。

假設水池最高水位為3 m，則水池底部水壓力為1 000×9.8×3 =29 400 Pa。如果設計水池為埋地式水池（1 000 m3），并且地下水位較高時，浮力按照阿基米德原理計算，則浮力為1 000×1 000×9.8= 9.8×10⁶ N。

此外，水壓力也分為恒載和活載，恒載為水體自身的縱向壓力和側向壓力；活載除了自身的橫縱壓力外，還需受到水流因素影響。

2.4土壓力

埋地或半埋地構筑物需要考慮土壓力。黏土密度通常為1 800 kg/m3，內摩擦角為20°，靜止土壓力約為0.5。假設地下水池埋深 2 m，池壁長度為 10 m，則單位長度池壁上靜止土壓力約為 0.5×1 800×9.8×2×10 = 176.400[ 5]" kN/m。

3 結構材料選擇

3.1混凝土

作為給排水構筑物施工的主要材料，保障混凝土性能非常重要。在混凝土材料選擇中，應結合構筑物功能、環境條件等情況合理選擇。若構筑物有防水需求，如水池類，則要采用防滲等級不低于P6的混凝土，強度等級為C30～C40。采用高強度、高抗滲性混凝土可以有效抵抗污水侵蝕、水壓力。同時，還要考慮混凝土耐久性，特別是在硫酸鹽侵蝕環境下，應采用礦渣硅酸鹽水泥制備混凝土，并且加入適量的防腐劑，以提升抗硫酸鹽侵蝕性能。在寒冷區域，為了避免混凝土受到凍害，可以加入一定量的引氣劑，將混凝土含氣量控制在4%～6%，強化混凝土抗凍性能^[3]。

3.2鋼材

給排水構筑物中，鋼材作為核心骨架材料，如水池配筋、泵站鋼架構等。在水池配筋中，可選用HRB400級鋼筋，此類鋼筋屈服強度標準值為400 N/mm²。在水池壁配筋設計中，建設池壁厚為400 mm、承受彎矩力為500 kN·m，則計算所需的縱向受力鋼筋面積為2 000 mm²。

泵站鋼構架，應選擇Q235B或Q345B鋼材。如果處于腐蝕環境，如污水泵站內濕度較大且存在腐蝕性氣體等，則要對鋼材采用防腐措施。如若鋼構件直接暴露在空氣中，可以均勻涂刷2道環氧富鋅底漆（干膜厚度約為80 μm），再涂刷2道聚氨酯面漆（干膜厚度約為60 μm），以防空氣內腐蝕分子侵入。針對埋地鋼質管道，如果土壤電阻率不足20 Ω·m，可以采用犧牲陽性的陰極保護法，每公里管道設置3～5個鎂合金犧牲陽性。

4結構設計要點

4.1水池結構設計

4.1.1池壁設計

池壁設計應綜合考慮各類荷載。例如：某圓形清水池直徑為20 m、池壁高4 m、水深3.8 m。池壁所承受的水壓呈線性分布，經計算底部最大水壓力為37 240 Pa。結合圓柱殼理論，池壁厚度經計算應為300 mm，采用雙層雙向配筋，水平向鋼筋間距為150 mm、直徑為12 mm，豎向鋼筋間距為200mm、直徑為10 mm。使用腋角將池壁與底板、頂板連接，腋角高度為500 mm，斜邊與水平夾角為45°。該連接構造設計方案可以有效傳遞剪力和彎矩，確保結構整體性^[4]。

4.1.2底板設計

底板設計應充分考慮地基承載力、水浮力。例如：某大型矩形水池（長30 m，寬20 m）的地基承載力特征值為150 kPa，水池自重與水重產生的均布荷載達到100 kPa，為了保障結構的安全性，設計中可選用筏板基礎。設計筏板厚度為500 mm，底部采用雙層雙向配筋方案，鋼筋直徑為14 mm、間距為150 mm。同時，設置抗浮錨桿，直徑為100 mm、長度為5 m、間距為2 m，用于抵抗地下水浮力作用，以免水池整體結構出現上浮現象。

4.1.3頂板設計

頂板設計應重點考慮跨度、荷載。例如，水池頂板跨度為6 m，采用無梁樓蓋形式，頂板厚度為250 mm。通過對恒載、活載綜合計算，則頂板每平方米配筋面積約為200 mm²，設計中可選用直徑10 mm的鋼筋，設置間距為150 mm。同時，頂板處應增設直徑800 mm的檢修孔，并且在檢修孔周圍設置加強筋。

4.2泵站結構設計

4.2.1泵房基礎設計

根據泵機特殊要求設計泵房基礎。以一臺100 kW功率的污水泵為例，設備重量約為2 t，運行中所產生的振動頻率為50 Hz。結合這兩個參數和地基條件（假設地基土壓縮模量為10 MPa）。設計中，基礎可以采用鋼筋混凝土筏板基礎，設置規格為4 m×3 m，厚度為 600 mm。同時，在基礎底部增設橡膠隔音墊，隔音墊的豎向剛度、豎平剛度分別為1 000 kN/m、500 kN/m，從而有效降低污水泵的振動頻率，以免對結構造成過大影響^[5]。

4.2.2泵房墻體與頂板設計

在無特殊要求情況下，泵房墻體設計厚度為300 mm，使用C30混凝土，內設鋼筋網。墻體的主要荷載來自內部設備、水流荷載，需要重點考慮墻體荷載性能，同時還要考慮通風、采光需求。可以在墻體上開1㎡大小的窗戶，窗戶間隔為3 m，使用塑鋼材料窗框，保持內部溫度穩定。頂板采用梁板式結構，截面尺寸設定為 300 mm×600 mm，板厚150 mm。頂板荷載主要來自頂部設備檢修荷載與結構自身荷載，根據實際荷載計算出合理配筋量，確保其剛度、強度滿足需求。

4.3水塔結構設計

4.3.1水塔基礎設計

結合地質條件確定水塔基礎形式，如若是粉質黏土地基，可設計成30 m高、容量為500 m3的水塔，采用環形基礎，外徑、內徑、厚度分別設定為12 m、8 m、1.2 m。混凝土強度等級為C30。基礎底部設置C15素混凝土墊層，厚度為100 mm。

4.3.2塔身結構設計

塔身設計可以選用鋼筋混凝土框架結構，框架柱截面尺寸為400 mm×400 mm，框架梁截面尺寸為300 mm×600 mm。風荷載計算中，假設當地風壓為 0.5 kN/m2，風振系數取 1.4，體型系數取 1.3，則配置柱縱向鋼筋采用直徑20 mm的HRB400 鋼筋，箍筋采用直徑8 mm的HPB300鋼筋，間距100 mm^[6]。

4.3.3水塔水箱設計

確保水箱設計防水性、結構強度達標，采用圓形結構水箱，設計直徑為10 m、高度為4 m、壁厚為200 mm，采用C30、P6混凝土。在水箱頂部設置進水管、透氣孔，底部設置出水管、泄水管。水箱與塔身通過剛性連接，在連接處設置加強環梁，環梁截面尺寸為500 mm×800 mm，配筋按結構計算確定，保證水箱在運行過程中的穩定性。

5結語

綜上所述，市政給排水工程中構筑物的結構設計是一個復雜而系統的工程，需要綜合考慮構筑物的類型、功能、荷載、材料、耐久性等多方面因素。只有通過科學合理的結構設計，才能保證給排水構筑物長期運行的安全性和可靠性，滿足城市給排水系統的需求，為城市的可持續發展提供有力保障。在設計過程中，還應不斷關注新技術、新材料的發展，進一步優化結構設計，提高工程質量。

參考文獻

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[5] 閔辰琦.泗洪縣城南污水處理廠遷建工程方案設計研究[D].南京：南京林業大學，2022.

[6] 朱元飛.基于BIM的建筑給排水設計施工優化及二次開發[D].南昌：南昌大學，2023.