垃圾渗沥液处理工程水池结构设计问题分析

刘俊起

（天津市环境卫生工程设计院，天津 3 00201）

垃圾渗沥液处理工程水池结构设计问题分析

刘俊起

（天津市环境卫生工程设计院，天津 3 00201）

结合河北省三河市垃圾卫生填埋场工程，对垃圾渗沥液处理调节池、污水处理池、提升井结构所涉及的地震作用下的抗震荷载计算、内力计算及长水池无缝、抗裂及防腐蚀设计等问题进行了分析，并提出了相关的设计方法建议和施工中需要注意的问题。

水池结构；抗震设计计算；长水池无缝设计

河北省三河市生活垃圾卫生填埋场工程坐落于三河市城西7 km的李旗庄境内，场区占地面积约14．0 hm2，分为填埋库区、管理区、渗沥液处理区，渗沥液处理采用“厌氧+好氧”相结合的处理工艺。渗沥液地下调节池、污水处理池及提升井采用钢筋混凝土结构。

1 水池结构抗震设计

1.1 地震作用的确定

此工程调节池为有盖水池，污水处理池为无盖水池，均为地下矩形水池，抗震设防烈度8度，设计基本地震加速度为0．20g，应进行结构抗震计算。

盛水构筑物在地震动影响下产生的地震作用，可以产生结构自重惯性力、内部盛水的动水压力和构筑物外部的动土压力。

1）矩形水池自重惯性力的确定，要区分构筑物属于地面式或地下式，此工程为地下式盛水构筑物的自重惯性力标准值，可按下式计算［1］：

式中：FGWZ，k为池壁沿高度的自重惯性力标准值（kN/m2）；ηm为地震影响系数的调整系数，取1．5；gw为池壁沿高度的单位面积荷载（kN/m2）；Wd为池顶盖的总荷载（kN），包括顶盖上的覆土或其他保温层；FGd，k为池顶盖的自重惯性力标准值（kN）；KH为设计基本水平地震加速度与重力加速度的比值。

2）矩形水池在水平地震作用下的动水压力标准值，应按下列公式计算［1］：

式中：Fwr，k为矩形水池的动水压力标准值（kN/m2）；Fwrt，k为矩形水池动水压力沿地震作用方向的合力（kN）；L1为矩形水池垂直地震作用方向的边长（m）；γw为池内水重力密度（kN/m3）；Hw为池内设计水深（m）；fwr为矩形水池动水压力系数。

3）作用在水池池壁上的动土压力标准值，应按下式计算［1］：

式中：Fes，k为地震时作用于水池池壁任一高度上的最大土压力增量（kN/m2）；Fep，k为相应计算高度处的主动土压力标准值（kN/m2）；当位于地下水位以下时，土的重度应取20 kN/m3；φ为池壁外侧土的内摩擦角，一般情况下可取30°。

1.2 在地震作用下，水池的内力分析

1）污水处理池为敞口无盖的矩形水池，在各项地震作用下的内力计算方法与非地震作用时相同。只是对墙体的自重惯性力，当墙体按竖向截条计算时，其墙底的最大弯矩标准值M0可按下式计算：

式中：H为池壁高度（m）；ζM0可查表［5］得到。

2）调节池为有盖矩形水池，池内设有立柱支撑顶盖，多采用不设梁系的板柱结构，柱顶及柱底设有柱帽。此时可将水池结构简化为若干等代框架组成，每榀等代框架所承受的地震作用，通过空间作用，由顶盖传递给池壁共同承担，池壁将起到良好的抗震墙作用，但必须在构造上保证顶盖良好的整体性以及与池壁的可靠连接。

对板柱结构等代框架的水平地震作用效应（内力），可按下列方法确定：①先根据水池所在的场地条件、抗震设防烈度、基础埋置深度及验算工况，计算各项水平地震作用（自重惯性力、动水压力或动土压力）标准值，再乘以作用分项系数，并折算到每榀等代框架上；②对等代框架顶端加设限制侧移的链杆，计算该框架在无侧移条件下的内力及附加链杆的反力R；③根据矩形水池的长宽比L/B及顶盖结构构造，确定由于空间作用对等代框架的地震作用折减系数ηr，将链杆反力折减为ηrR；④将链杆反力ηrR反方向作用于等代框架顶端后计算框架内力；⑤将上述4项计算所得的等代框架内力进行叠加，即为考虑空间作用时，等代框架在水平地震力作用下的作用效应（内力）。

对作用在等代框架上的池壁结构自重惯性力可简化为倒三角形计算，倒三角形的顶端作用强度可根据每延米面积相等的条件确定。

当池壁为等厚度时：

式中：PGW，K为池壁自重惯性力折算为“倒三角形”时顶端作用强度（kN/m）；αmax为地震影响系数最大值；h为池壁厚（m）。

3）矩形水池池壁拐角处的角隅应力，包括该处由于相邻池壁约束形成的角隅弯矩产生的应力和相邻池壁上各项作用形成的边缘反力（剪力）。此时对池壁自重惯性力也可简化为倒三角形作用计算，即倒三角形顶端的作用强度可按上式计算确定。因此池壁的角隅应力计算方法与非地震作用时相同。

4）对矩形水池内设置的隔墙或导流墙，在地震作用下，考虑水平地震作用时并非为不受力构件，要考虑其承受自重惯性力和两侧的动水压力。

2 水池无缝结构设计

2.1 无缝设计

本工程钢筋混凝土水池均为垃圾渗沥液污水池，按照工艺要求，设计要提高混凝土池体防水等级、抗渗等级，采用池内表面刷环氧树脂防腐蚀涂料来解决污水对混凝土构件的腐蚀作用。最重要一点要保证池体不开裂不渗漏，应有效阻止污水对周围地下水和地表水的污染。设计上还要求池体整体布置、截面形状、连接方式及构造上力求简洁，尽量减少构件外表面积，避免腐蚀介质在结构表面的积聚并有利于其迅速排出，设计按规范要求，水池长度均超过不设伸缩缝的限值，需设置很多长短不等的伸缩缝，一般采用后浇带，如此规模的后浇带施工必然会引起很多问题，如后浇缝的留置、清理、支模等工序繁多，时间跨度长，施工成本高，且难以保证混凝土整体质量，处理不好混凝土容易产生裂缝，成为污水渗漏的隐患。工程实践证明，留缝并不能较好地解决混凝土构筑物的开裂问题。当前钢筋混凝土结构裂缝普遍存在，应采取合理措施，有效避免混凝土自身体积变形等因素造成的结构开裂，提高池体的耐久性，延长使用寿命。

补偿收缩混凝土的施工方法应执行《超长钢筋混凝土结构无缝设计和施工方法》，即在一定的原则下利用膨胀加强带（整体混凝土连续式浇筑）取代伸缩缝或后浇带，这一做法可以解决上述问题。

补偿收缩混凝土是指在所使用的配筋条件下能使混凝土内部建立0．2～0．7 MPa的预压应力或者使混凝土所受的拉力低于混凝土抗拉强度的一种微膨胀混凝土。它能有效补偿混凝土的干缩和冷缩，同时水化形成的大量晶体物质钙矾石具有填充毛细孔缝的作用，使毛细孔变细、减小，增加致密性，显著提高了混凝土的抗裂防渗性能。

1） 在应力集中的σmax处（如图1） 设膨胀加强带，其宽度2 m，两侧用1层密孔钢丝网拦隔，防止混凝土流入加强带，在网上附加立筋Ø12 mm@200 mm加固，防止被混凝土压垮。施工时，先在加强带外一侧用掺10%UEA的小膨胀混凝土浇筑，混凝土强度等级C30；然后在加强带内掺14%UEA的大膨胀混凝土，其强度等级比两侧高5 MPa；最后在加强带外另一侧，又改为浇筑掺12%UEA混凝土。如此循环，可连续浇筑100～150 m超长结构。

图1 有防水要求的UEA无缝设计示意（立面）

2）由于混凝土供应或施工力量达不到连续作业要求时，可采用图2的间歇式无缝施工法，加强带一侧改为台阶式。施工带凿毛清洗干净，用掺14%UEA的混凝土浇入加强带，随后用掺10%UEA的小膨胀混凝土浇筑带外地段。

此工程钢筋混凝土结构调节池长40．40 m，宽36．40 m，净高 3．5 m，顶覆土 0．5 m。渗沥液、地下水提升井，沿填埋库区边坡顶部开始，顺着边坡（穿膜下）至边坡底部终止，上端部在地面开口，下端部设渗沥液、地下水提升2个封闭池体，池体结构为2层，作业人员可以通过井筒内部设检修混凝土楼梯踏步下到地下水提升2个封闭池体的上面。井筒长60 m，长宽均超过规范CECS 138—2002［2］中不设缝的规定，按规范要求设计上均应设置伸缩缝，此工程根据无缝处理做法在调节池沿长度及宽度方向中间各设膨胀加强带，渗沥液、地下水提升井沿长度方向中间设2道膨胀加强带，满足了规范要求。

2.2 膨胀加强带设置应注意的问题

1）水池混凝土结构的无缝设计，必须根据结构的特点灵活运用，对于具有沉降性质的后浇缝不能取消。膨胀加强带用于较大膨胀应力补偿温差收缩应力集中的地方，可以取消后浇缝。

2）膨胀加强带的间距可控制在40 m左右。

3）加强带应避开侧板和底板的厚度变异处。

4）墙体水平施工缝不应留在剪力与弯矩最大处及底板与侧板的交接处，应留在高出底板表面不应小于300 mm的墙体上，墙体有预留孔洞时，施工缝距孔洞边缘不应小于300 mm。

5）要根据工程抗震设防烈度、池体的体量、平面尺寸、地基基础情况、结构体系类别、当地气候条件、使用功能需要、使用环境、施工技术条件、维护管理条件等因素，慎重考虑对混凝土结构构件采取有效设计措施，控制因混凝土收缩、温度变化、地基基础不均匀沉降等产生的裂缝。

6）在板的温度、收缩应力较大区域，宜在板未配筋表面配置控制温度收缩裂缝的构造钢筋，采取细而密的配筋原则，根据不同的结构部位采取相应的合理配筋。

2.3 采用膨胀剂应注意的问题

1）掺膨胀剂的补偿收缩混凝土大多用于控制裂缝的钢筋混凝土结构工程。设计图纸一般只写混凝土掺入膨胀剂、混凝土强度等级及抗渗等级。对混凝土掺入膨胀剂的量限制膨胀率没有提出要求，会造成膨胀剂少掺或误掺，达不到补偿收缩而出现有害裂缝。

2） 根据 GB 50119—2003［3］要求，掺膨胀剂的补偿收缩混凝土水中养护14 d的限制膨胀率不小于0．015%，相当于在结构中预压应力大于0．2 MPa。混凝土的膨胀率最好控制在0．02%～0．03%，填充用膨胀混凝土膨胀率应在0．035%～0．045%。施工时应根据设计的要求，确定膨胀剂的最佳掺量，在满足混凝土强度和抗渗的设计要求下，同时要达到补偿收缩混凝土的限制膨胀率，才能达到控制结构有害裂缝的目的。

3）近年我国膨胀剂的牌号较多，质量及掺量也不同，有些工程用了不符合质量标准膨胀剂后达不到预期效果。所以，膨胀剂在使用之前必须按照GB 23439—2009混凝土膨胀剂的规定进行质量检测。

4）目前结构工程使用的硫铝酸钙类高性能混凝土膨胀剂的膨胀效能更高、质量更稳定，目前正在广泛应用。其特点：①碱含量低；②掺量低；③施工性能好；④增强性能好；⑤大大提高混凝土抗渗性；⑥膨胀效能高。

2.4 控制混凝土裂缝措施

1）加强施工管理，严密施工组织，完善施工工艺。

2） 优化混凝土配合比，在混凝土中掺加HEA抗裂防水剂，利用其膨胀性能，补偿混凝土在水化硬化过程中因干缩、冷缩等引起的体积收缩。

3）在满足结构要求的基础上，通过适量掺加优质粉煤灰和缓凝高效减水剂，尽量降低水泥用量，使水化热相应降低。

4）在保证满足泵送工艺要求的前提下，尽量降低混凝土单方用水量及砂率。

5）控制混凝土初凝时间在10 h左右，避免冷缝，推迟水化热峰值。

6）保证混凝土浇筑质量，在浇捣前制定有针对性和可操作性的详细的质量标准，在施工过程中，管理人员严格督促操作班组执行规程和质量标准。浇捣混凝土要派专人负责平仓和养护，以保证混凝土浇捣的质量。

7）超长无缝结构混凝土浇筑时，应与混凝土搅拌站加强联系，严格按配合比和施工组织设计进行施工。混凝土浇筑完毕，进行混凝土表面处理，及时浇水养护；大体积混凝土还应覆盖1层塑料薄膜及保温被进行保温保湿养护，并加强温度监控。

8）对底板、顶板混凝土表面在初凝后终凝前进行多次原浆收面，用木抹刀或机械多次搓压，以闭合早期塑性收缩裂纹，然后进行养护。

9）材料的选择至关重要。混凝土的每种组成材料及其性能都与混凝土的裂缝控制密切相关，如水泥品种、强度等级和细度、骨料级配和含泥量、水灰比等。应使每一种材料都符合裂缝控制的有关规定。

10） 对于需要控制温度裂缝的混凝土结构，施工技术和施工条件要求更高。所以在施工过程中，要对主要的施工技术要求的贯彻实施要进行跟踪和监控，确保主要施工技术按要求付诸实施。

11）由于长池体受施工和环境温湿度等因素影响容易出现收缩裂缝，混凝土强度等级越高，开裂机会越多。设计混凝土强度等级不宜太高，宜采用 C25～C35。

3 结束语

水池结构要根据工程抗震设防烈度，水池的类型决定是否进行抗震设计以及抗震计算。在地震影响下产生的地震作用，要区分水池属于地面式还是地下式，矩形还是圆形，根据不同类型应分别计算产生结构自重惯性力、内部盛水的动水压力和水池外部的动土压力。在地震作用下，此工程水池的内力分析对地下敞口无盖的矩形水池、有盖上面覆土的矩形水池用不同的方法分别计算。把在地震作用下计算出来的水池的内力与永久荷载及其他可变荷载作用下水池的内力进行内力组合，再进行截面配筋计算。

长水池无缝设计优越性体现在不设伸缩缝或后浇带，结构整体性好，减少了设缝部位这个薄弱环节，水池生产工艺的布置将具有最大灵活性，工艺设备不需要因设置伸缩缝、后浇带而作特殊处理，为各专业节约投资，减少水池结构总造价。采用膨胀加强带做法，混凝土中加了微膨胀剂，能有效地控制裂缝。采用膨胀加强带要满足一些具体构造要求，采取相应的措施，膨胀剂的使用要满足国家规范的有关规定，设计上要提出控制指标。设计要加强对施工现场的技术指导，施工时，工程的材料选择、施工方法、质量检测及竣工验收必须符合国家有关规范的要求，长水池无缝设计完全能够达到抗裂及防腐蚀的效果。

［1］GB 50032—2003 室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范［S］．北京：中国建筑工业出版社，2002．

［2］CECS 138—2002 给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程［S］．北京：中国建材工业出版社，2002．

［3］GB 50119—2003 混凝土外加剂应用技术规范［S］．北京：中国建筑工业出版社，2003．

Design of Pool Structure for Waste Leachate Treatment Project

Liu Junqi
（Tianjin Environmental Sanitation Engineering Design Institute,Tianjin 300201）

Taking the project of Sanhe Waste Sanitary Landfill Site of Hebei as an example,some problems were analyzed,including calculation of aseismatic load,calculation of internal force,and design of seamless,cracking resistance and anti-corrosion for long pool involved in the structures of regulating tank of waste leachate treatment,sewage treatment pool,and drawing shaft under earthquake actions．The correlative designing suggestions and some problems needing paying attention to in the construction were put forward．

pool structure；calculation of aseismatic design；seamless design of long pool

TU993．3

B

1005-8206（2012）02-0045-04

刘俊起（1956—）：工程师，主要从事建筑、结构专业设计及管理。

（责任编辑：郑雯）