大海则矿井水处理间超长水池设计

肖长江 刘彦东

（中煤西安设计工程有限责任公司， 陕西 西安 710054）

近年来，环保政策日趋严格，很多矿井都在进行井下水的深度处理综合利用项目[1-3]。池体结构在这类工程中得到了广泛应用，相关学者对池体的温度应力及超长设计已经有了一定的研究[4-8]。本文结合水处理工程池体的特点，从设计的角度出发对这类工程结构的材料选用、耐久性要求、各种工况组合、不规则池体的计算分析、吸水井的设计等内容进行阐述。

1 项目简介

中煤陕西榆林能源化工有限公司大海则煤矿矿井水综合利用项目位于榆林市榆阳区补浪河乡，处理规模36 000 m3/d。综合处理间是最大的单体建筑，长度147.1 m，宽度81 m，其中池体长度为147.1 m，池体宽度为29 m、36 m、45.5 m，半地下水池底标高-3.5 m，顶标高4.2～4.7 m（结构找坡），通长吸水井宽2.0 m，深1.5 m，泵房底标高-3.8 m，地下水池底标高-5.75 m，顶标高-0.12 m、-1.0 m。根据车间的工艺布置在46.1 m处池体结构设双墙，基础脱开，泵房的侧壁及底板设止水带，右侧99.6 m长的范围内设两道后浇带。池体结构的平面图如图1，最宽处剖面图如图2。

图1 池体结构平面图

图2 剖面图

2 结构材料及耐久性设计

本工程中SWRO浓水池的硫酸根含量最高为4 510.6 mg/l，根据《工业建筑防腐设计标准》（GB/T 50046-2018），腐蚀性等级为强腐蚀，混凝土强度等级统一取C40。根据《石油化工钢筋混凝土水池结构设计规范》（SH/T 3132-2013），本工程水池的防水等级为二级，混凝土的抗渗等级为P8，该地区最冷月平均气温低于-10 ℃，混凝土的抗冻等级为F200。泵房内的环境类别为一类，保护层厚度按《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）（2015年版）取值，池体部分保护层厚度根据《工业建筑防腐设计标准》（GB/T 50046-2018）取值。

3 荷载取值及工况组合

水池及泵房的主要荷载有土压力、地面均布活荷载、池顶的建筑做法及活荷载、水压力和温度作用。其中土压力在地下水范围内时应考虑饱和重度，地面均布活荷载应考虑有无设备并不小于10 kN/m2。

根据《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》（CECS 138：2002），现浇混凝土水池伸缩缝的最大间距为30 m。本工程中间设一道伸缩缝后右侧水池长度为99.6 m，超长3.32倍，需要考虑温度作用。初始温度按后浇带封带时4月份的温度考虑，根据榆林气象站统计资料4月份平均温度为10.6 ℃，考虑施工的不可预见性取±5 ℃的偏差，最低平均初始温度T01=10.65-5=5.6 ℃，最高平均初始温度T02=10.6+5=15.6 ℃。本工程半地下水池的侧墙和池顶采取保温措施，夏季通风、冬季采暖，结构冬季最低平均温度TS1=15 ℃，结构夏季最高平均温度TS2=26 ℃，混凝土收缩在其内部产生拉应力，把后浇带封闭后的残余收缩变形等效为结构的整体降温，考虑-5 ℃的当量负温差。计算最大升温△TS=TS2-T01-5=26-5.6-5=15.4 ℃，计算最大降温△TJ=TS1-T02-5=15-15.6-5=-5.6 ℃。

水池结构的工况组合主要有三种：蓄水试验、空池和满水。而且水压力还需要考虑不同区格水池有水、无水的不利组合。

4 YJK软件整体计算

矿井水处理的池体结构池壁分隔不规则，高度不统一，工况组合较多，本文应用YJK有限元设计软件对池体结构进行整体分析计算。

4.1 模型及计算参数

建立池体及上部结构的全模型，可考虑上部荷载及池壁柱对池体的影响。土压力及池外地面活荷载引起的池壁侧压力在蓄水试验时不存在，所以要按自定义工况输入，每个区格水池的水压力按一种自定义工况荷载输入，便于进行不利组合计算。温度荷载按全楼节点温差输入。

计算参数确定：“楼板刚性假定”选择“不强制采用刚性楼板假定”；勾选“生成绘等值线数据”，可在计算结果中查看内力云图；“地下室层数”输0，通过自定义的池壁外土压力进行各工况的组合；“弹性板荷载计算方式”选择“有限元计算”；在板属性菜单下对全楼的楼板设置为“弹性板6”；不考虑梁端刚域，不考虑柱端刚域。

荷载组合：除按程序默认的组合以外还要确定自定义工况的组合，恒载有正常恒载和自定义工况的土压力，活载有正常活载和水压力，在这里可以定义叠加+包络，也可以定义全组合。

4.2 计算结果及配筋

计算结果：在设计结果中查看各工况的位移、内力、应力等。以水池11满水工况为例的位移如图3。

图3 水池满水单工况位移云图

配筋：底板配筋在等值线模块查看，分别给出X向、Y向顶底配筋共四个文件，墙的配筋结果输出12个数值，适应墙配筋内外侧不同、上下左右加密的布置情况，输入结果及说明如图4。

图4 墙配筋及说明

4.3 温度应力的影响

温度作用是一个长期反复不利荷载，与施工期间的温度、后浇带封带温度、有无保温通风采暖、混凝土的残余收缩变形等因素有关，同时与池体的形状、长度、隔墙间距等也有关系。选取本工程的墙A、墙B、墙C（见平面图）考虑升温15.4 ℃、降温-5.6 ℃进行温度作用的有无对比（保留其余荷载工况）。从结果可以看出对于超长方向温度作用影响较大，对于泵房外墙C由于高度低且无内水压力，沿墙长方向温度荷载起控制作用，影响更大。

5 MIDAS软件优化设计

MIDAS软件作为通用的有限元软件，已经广泛应用于池体结构的分析研究[9-10]。本工程有通长吸水井，宽2 m，深1.5 m，加腋通过45°找坡与两侧底板连接，吸水井局部已经发生了很大的改变，实际工程设计须考虑实际吸水井的影响。采用MIDAS GEN有限性软件进行设计，建模采取简化的模型，长度取2个12 m长的水池共24 m，宽度同工程水池，吸水井加腋采用实体单元，网格划分为1 m，采用面弹性支撑模拟底板下土的作用，基床系数取20 MPa。计算模型及四个池子均满水工况的位移如图5。

图5 计算模型及满水位移云图

以半地下水池通长吸水井为例，根据满水最不利工况得到各部位的弯矩，加腋部分根据有限元单元及弯矩值对应的根部1 m的平均厚度作为板厚进行计算，再根据受弯构件求各部位的配筋。

6 结语

本文结合大海则深度水处理超长池体结构，阐述了材料的选用、耐久性的设计、荷载及工况组合，对池体结构进行YJK整体有限元设计，对池体的吸水井采用MIDAS有限元软件进行优化设计，为类似工程的设计提供参考。