某矿井水处理项目大型连体水池结构设计

张大剑，李永星

(中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054)

0 引言

近年来，随着陕蒙地下水丰沛地区煤田的开发，矿井水的零排放处理成为各煤矿企业投产运行的必备前提，水处理工程的建设成为企业的当务之急。加之周边化工企业聚集，有一定的用水需求，一举两得，矿井水深度处理项目全面铺开，这要求设计单位要短时间拿出合理设计方案，其中大型连体水池的结构设计成为重要一环。

市政行业大型连体水池通常采用设缝设计方案，其最大优点是设计技术、施工技术都较为成熟，无需使用特殊的处理措施，施工技术、手段较为简单，施工进度快[7]。但分缝方案会带来很多结构设计方面的问题，上部结构分块太多，被拆解成多个不规则结构，影响设计的合理性，同时伸缩缝留置会导致许多后续问题的产生，构造太过复杂、伸缩缝的位置产生渗漏、修复困难，引起后期使用维护成本的增加。依据前期水处理项目工程的实际经验，下述工程的水池采用不设缝连体方案。

1 工程概况

该工程为某矿井水处理项目，具体以膜处理间为例说明结构形式与组成，中间下层为地下泵房上层仪表间，左侧下层为反渗透间、上层为超滤间，右侧大部分为半地下水池、局部全地下水池，全地下水池范围上部为加药间。地下泵房及水池均采用钢筋混凝土结构、地上各功能房间采用钢筋混凝土框架结构，具体如图1～3所示。

图1 1-1剖面Fig.1 1-1 Sectional view

图2 2-2剖面Fig.2 2-2 Sectional view

图3 一层平面Fig.3 First floor plan

该单体包含水池较多，水池与泵房连为一体，采用钢筋混凝土结构形式；上部为设备间，钢筋混凝土框架结构。建模计算时遇到了各水池有无存水多工况组合的困扰，经比选，最终采用盈建科结构计算软件整体建模、输入多个工况、定于不同工况组合的方法，较为真实地模拟了实际使用状况，得到合理准确的计算结果，以下为计算设计流程。

2 模拟建模和自定义工况荷载输入

目前专用的水池设计软件理正等能够胜任独立水池或规则组合水池的强度和裂缝的计算。异型水池、不规则组合连体水池，特别是底、顶标高不一致的组合池体则更不适用，通过盈建科结构分析有限元软件建立模型，输入水池外壁土压力、各水池池内对侧壁水压力等各种工况下的荷载作用，包括水池运行所处环境的最高、最低温度下的热胀热缩工况。模拟建模和工况荷载，如图4、5所示。

图4 三维整体模型Fig.4 3D overall model

图5 其余水池空池、超滤产水池满水工况荷载示意Fig.5 Schematic diagram of the load working condition of empty tank and ultrafiltration production tank full of water in other tanks

3 设计结果的校核

设置与实际相符的各种荷载作用工况，灵活选用或定义其组合关系，得到的计算结果包含水池所有实际的极限工况，接下来采取简单的核算办法检验结果的正确性：首先，抽取某一受力简单明确的构件，查阅单一工况的计算结果，借助计算手册利用简化公式计算出结果，验证单工况计算结果的准确性；然后进行工况组合，用得到的结果与程序的包络值进行比较，若相互吻合，说明程序计算中各种参数及工况组合是合理的，结算结果是准确的。

4 裂缝验算

目前的整体计算软件，池壁简化为墙体，其裂缝计算功能有待完善，需要设计人根据计算配置底板、侧壁钢筋后再进行裂缝验算。已知受弯构件作用效应的标准组合值，再根据池壁厚度、保护层厚度、钢筋及混凝土等级、实际配筋、裂缝限值反算能够承受的标准组合值，比较两者，反算值大于作用效应标准值，则受力配筋满足裂缝要求，反算值小于作用效应标准值，加大受力配筋加强，循环核算，直到满足为止。

根据《给水排水工程构筑物结构设计规范》(GB 50069—2002)及附录[1，3]，受弯构件满足裂缝0.2 mm要求，能够承受的最大准永久组合值弯矩Mf的过程如下：

(1)

(2)

将α1=0,α2=1及式(2)代入式(1)，得

(3)

(4)

将式(4)代入式(3)，得

(5)

将式(5)得出的Mq代入式(4)，再将σsq代入式(1)～(2)反算ψ，若0.4≤ψ≤1.0，则Mf即为最终结果。

若ψ<0.4，取ψ=0.4，则

(6)

若ψ>1，取ψ=1，则

(7)

式中，ωmax为最大允许裂缝宽度，取0.2 mm；ψ为受拉钢筋应变不均匀系数；c为受力纵向受拉钢筋的混凝土保护层厚度；υ为纵向受拉钢筋表面特征系数，对光面钢筋取1.0，对带肋钢筋取0.7；Mq为作用效应准永久组合值，N·mm。

举例说明：已知6轴线上超滤产水池池壁高7 750 mm，壁厚350 mm，采用C40防水混凝土。

5 采取的措施

混凝土及其表面防护：在混凝土强度设计方面，得到了大多数设计人员的重视，但对耐久性及防腐蚀引起的重视程度不足，由此，难以确保水池投入运行后的耐久、防渗、防腐能力[8]。

耐久性规范将水池根据所处环境分类，根据环境中腐蚀介质的浓度进一步划分出环境作用等级A～F，结合设计使用年限，对混凝土强度等级、水胶比和原材料组成、抗冻耐久性指数、氯离子扩散系数等具体量化指标、混凝土保护层厚度、混凝土表面裂缝宽度以及施工养护制度要求加以明确规定[2-3，5]。其中水胶比是一个核心指标，必须按规定严格控制水胶比，特别是存储腐蚀性水体的抗渗性要求较高、后期漏水和渗水处理难度大、效果差的水池结构，前期设计、施工过程中严格控制水灰比会带来较好的使用效果；强腐蚀环境下的池体结构本身不足以对抗腐蚀介质的侵蚀，工业建筑防腐设计规范[6]依据各种腐蚀介质含量高低确定腐蚀等级，对各种结构本身有类似耐久性规范的要求外，提出了建筑防护的概念，特别针对污水处理池有具体的防护方案，腐蚀介质的接触面涂抹玻璃钢或树脂玻璃鳞片胶泥，对混凝土进行加强保护，提供一道附加防线，以免引起混凝土结构的直接受损。

超长设计措施：大型连体水池往往超长，通过加大混凝土强度、提高构造配筋率、向混凝土中添加聚丙烯纤维等，强化水池结构本身的极限抗拉能力；同时采用分段设置后浇带或加强带的措施来解决早期混凝土硬化收缩带来裂缝的问题；这“一抗一放”的两种措施能够有效保证水池的正常使用，减少渗漏的出现。

温度应力处理措施：针对温度应力影响比较严重的部分，需要采用设置预应力钢筋的方式，强化提升其抗温度变性能力；配合使用支撑、边界处理等诸多方式来减少结构的变形量。通常采用设置滑动层等措施，能够赋予结构一定的自有变形量，能够切实降低温度应力，保证大型连体水池不设缝设计的合理性和经济性[7]。

抗浮措施：地下水位较高的陕蒙交界地区，水池抗浮是个不可忽视的问题，特别是大型连体水池，一旦忽视抗浮问题，即使水池设计得结实，最终也会因抗浮力不足而使整个水池带动上部结构上浮移位，导致工艺设备及管道的损坏，造成不可挽回的经济损失[9]。设计中首先解决水池整体抗浮安全性问题，除利用上部结构自重，明确停止降水时间，往往通过采用加大底板、竖壁厚度、加大地板外挑尺寸增加配重，外挑过长时增设三角形钢筋混凝土肋。其次解决水池局部抗浮问题[10-12]，大型水池的抗浮配重往往在池体四周，随着水位上升，水池中部起拱变形越来越严重，给水池底板带来整体弯矩变形的附加弯矩，不利于水池底板的强度及裂缝控制，甚至威胁到整个水池的结构安全，此时需要采取打抗拔桩或打土层锚杆等方法来解决以上问题。抗拔桩一般选用桩径较小、单桩抗拔力相应较小的桩进行密布。采用锚杆技术造价相对较低，同时因锚杆的布置密度较密，对池底的作用更接近于均布荷载，有利于底板的防渗抗裂。

施工、养护措施：对混凝土实际生产、施工作业、养护等进行有效管控，以免混凝土应用中产生不必要的早期裂缝，通过施工管理强化提升水池的抗拉、防渗能力[4]。

6 结语

大型连体水池设计的合理性、经济性是以准确建立有限元模型和设定荷载工况为前提的，借助现有技术成熟、操作简单的有限元软件平台来模拟建模和自定义荷载工况，能够得到相对准确的设计结果，借助反算公式进行正常使用极限状态验算，加上解决大型连体水池的各项设计施工有效措施落实，整个连体水池的结构设计得以快速开展，经济性得以提升，同时期待适用性更强的专业软件的研发推广，进一步规范和简化大型连体水池的设计工作。