分析市政污水处理厂水池结构设计要点

文／王昱昊 合肥市市政设计研究总院有限公司 安徽合肥 230000

引言：

良好的生态环境及生态系统的良性循环是我们城市发展的必要条件，而污水处理是确保良好生态环境的重要组成部分。由于城市污水需通过污水管网进行收集，难以实现源头治理，因此，污水通常采取后期处理，建设污水厂能进一步落实水污染治理工作，完善污水处理设施。而在市政污水厂的各类构筑物中，池体结构是主要组成部分，必须保证其结构的安全性、合理性和耐久性，才能满足污水处理的使用功能。因此，本文对市政污水处理厂水池结构设计问题进行详细论述。

1.水池结构设计要点探究

1.1 污水处理厂水池结构设计要点

1.1.1 结构设计应满足相关规范

在制定市政污水处理厂结构方案时，应根据周边环境、水文地质资料和运行荷载，进行详细的计算，在遵循现行国家和地方设计规范和标准的前提下，使结构在施工阶段和使用阶段均能满足承载力、稳定性和抗浮等要求。

1.1.2 设计原则和特点

针对市政污水处理厂池体结构尺寸大、要求高的特点，应确保其安全性、实用性，既要达到功能性要求，又要确保传力明确、受力合理，又要兼顾经济性要求，同时优先采用新技术、新材料。另外，在进行池体结构设计时，应按池内有水、池外无土和池内无水、池外有土工况进行结构内力计算，并考虑 温、湿度应力的影响。在进行结构计算的同时，还有要考虑抗渗、防腐等方面的设计。污水处理厂是用来处理生活污水或工业废水，池体结构对防渗有着较高要求，因此，如何防止因污水渗漏而产生二次污染就显得尤为重要。

1.2 池形选择

污水厂池体构造形式多样，适用领域也很广泛。池由三部分组成：顶板、底板和池墙组成。根据不同形态，可以划分成圆形和矩形两类；根据材料不同，水池可划分为钢筋混凝土水池、金属材质水池和砌体结构水池；根据不同工况，可将其划分成开放型和密闭型；可将水池分为全地上、半地上以及全地下。一般由工艺根据设备具体条件来确定蓄水池容量，而结构专业根据场地、结构受力特点和技术条件来确定蓄水池类型。根据现场适用性，矩形水池具有明显优越性，它能有效提高土地利用率，节省空间，而且它施工支模也比较简单，尤其是在多个池塘或者屋顶建筑情况下，更为理想要属矩形水池。

针对大型混凝土构筑物地基承载力要求低的特点，大型敞口池结构底板采取整体式条基与构造底板结合的方式，充分利用天然基础，降低底板平均结构厚度和用筋量。由于敞口水池池壁上端自由，通过合理设置走道板，对池壁上端进行约束，以减小池壁配筋量和顶部变形。

1.3 水池主要设计荷载

（1）土重度：土天然重度除详地质资料外，一般取γ=18kN/m3

土饱和重度取γ=20kN/m3，土浮容重γ=10kN/m3

地下水位以下土的有效重度取10.00kN/m3。

（2）回填土侧向土压力：侧向土压力系数取1/3。

（3）构筑物地面堆载取10.00kN/m2。

（4）污水重度取10.50kN/m3。

（5）混凝土：强度计算时γ=25kN/m3

抗浮计算时γ=23kN/m3。

（6）吊车动力系数1.10。

（7）活荷载取值：

屋面均布活荷载标准值：0.5kN/m2（不上人屋面），2.0kN/m2（上人屋面），池顶走道板2.0kN/m2，楼梯活荷载3.5kN/m2，栏杆及挑檐水平荷载1.0kN/m，雨篷挑檐施工检修荷载1.0kN。对于有设备、工具、堆物的应根据实重验算局部集中荷载。其他活荷载严格按照现行国标《建筑结构荷载规范》GB50009-2012 及其它相关规范规程取用活荷载。

1.4 结构抗裂性能和裂缝宽度控制

《给水排水工程构筑物设计规范》中提出：当截面为轴心受拉或小偏心受拉时，应按照不发生开裂原则，采用影响短期效应标准组合进行计算，以此进行结构抗裂性校核；当构件截面受弯、大偏心受压或受拉时，应按照裂缝宽度来控制，并采用具有较强长期影响准永久性联合计算。

在对池体进行结构设计时，应对其结构变形和抗裂度进行仔细分析。水池部分的结构设计按承载力极限状态和正常使用极限状态两种状态控制，需严格控制混凝土裂缝开展宽度，对轴心受拉构件、小偏心受拉构件按抗裂度进行设计。对受弯构件及大偏心受拉构件裂缝控制等级一般为三级，水池构件最大裂缝宽度限值为≤0.2mm。按照“细而密”的设计原则进行配筋设计，池体水平钢筋（温度筋）间距控制在≤150mm 的范围内，起到控制混凝土有害裂缝产生及控制裂缝开展宽度的作用。

1.5 防腐处理

污水对混凝土构筑物有一定程度的腐蚀性，对构筑物的表面防腐是结构安全性、耐久性的重要保证。土建设计将依据工艺提供的水质条件，按处理类别、酸性程度采取相应的防水防腐涂料。

2.市政污水处理厂水池结构设计中需要注意的问题

在城市污水处理厂水池结构设计中，除了对池体自身进行受力分析，还需要对池体抗浮和防渗问题进行考虑，这是目前工程中经常遇到问题。

2.1 池体抗浮问题

在进行地埋池设计时，应充分考虑地下水对池体的影响。在地下水作用下，池体放空状态时仅靠自重可能无法满足抗浮要求。一般来讲，水池抗浮不能满足的原因有以下两种原因：一是工程场地的内的地下水位通常是会发生一定起伏变化，其不仅受到环境的影响也受到降水量的影响，而地勘单位难以长期精确测量该区域的地下水位，为了保证抗浮安全，通常地勘报告中给出的抗浮水位为设计地面标高以下0.5～1m。二是尽管结构可以满足整体抗浮的要求，但是由于结构池体面积较大，隔墙分布不均匀，导致局部区域不能满足设计规范中抗浮要求，当底板受到浮力时，局部可能会产生应力集中。

2.2 防渗漏问题

目前，污水处理厂的内大多蓄水池为钢筋混凝土结构，有些池体在完工后运行过程中出现池体开裂渗漏的问题。主要因素有两个：一是池体的混凝土水泥用量较高，在施工中会出现水化热，养护不到位，温度上升导致出现收缩裂缝；二是混凝土没有振捣均匀，混凝土产生蜂窝状构造，混凝土硬化过程中产生裂缝；在浇注池体底板与侧壁衔接处时，底板应与部分侧壁同步浇筑，施工缝应留设在底板以上300mm 的高度。如果底板与侧壁分开浇筑，接缝处易产生渗漏问题。

3.解决污水处理厂水池结构产生问题措施

3.1 解决底板抗浮稳定性问题

当池体放空状态时仅靠自重无法满足抗浮要求时，需进行抗浮设计，提出抗浮措施：（1）配重抗浮：通过增加池体自重，通常在池底板增加配重混凝土，通过钢筋将之与底板连接。（2）桩基抗浮：可选用灌注桩及预制桩。本着经济安全可靠、施工工期快的原则选用钢筋混凝土预制桩比较适宜，但当池底板下土层为岩层或较硬土质，静压桩难以施工的情况可采用钢筋混凝土钻孔灌注桩。（3）锚杆抗浮：依据《建筑工程抗浮技术标准》，当抗浮设计等级为乙级时，标准中规定抗浮构件一般要求按不出现裂缝进行设计，故抗浮设计等级为乙级及以上的工程，宜选择预应力抗浮锚杆，预应力抗浮锚杆采用套管将锚杆杆体与地下水土完全隔离，且注浆体受力时处于压力状态避免锚固体拉伸裂缝的出现，克服了传统拉力型锚杆存在的耐久性隐患。

3.2 水池结构渗漏措施

池体在干缩和温缩等因素的共同作用下，容易产生开裂，从而导致池体渗漏。为防止池体出现渗漏，应注意选用合适混凝土强度，并对水泥用量、水胶比等进行严格控制。对于构筑物平面尺寸露天式大于20m、全地下式大于30m 时，一般通过设置变形缝将结构完全分开，缝宽30mm，中间设置遇水膨胀橡胶止水带。当单体构筑物对整体性要求较高，分缝过多会产生不利影响时，设计将采取设置后浇带、加强带等方法达到抗裂目的。我们对温度应力采取“以防为主”的处理方式，通过在混凝土中添加低含碱量的添加剂，并设置现浇膨胀加强带及后浇带抵抗温度应力，控制施工期间早期裂缝的开展。下部结构在构造上采取下列防裂措施可有效防止裂缝开展：

（1）优化水平钢筋的配置，采用细筋密布原则布置，在同样配筋率的情况下优先选择较细钢筋较小间距布置；（2）对于超长池体壁板水平分布筋，采用布置附加水平细钢筋抵抗温度收缩应力；（3）优化混凝土配比，减小水化热，提高抗裂、抗渗性能；（4）混凝土中掺膨胀剂、纤维等提高混凝土的抗裂性能；（5）加强混凝土的养护，减少混凝土开裂。

4.案例分析

以合肥市长丰县某市政污水处理厂为实例，该污水厂工程模为5.0 万m3/d。需新建A2/O 生化池、高效沉淀池、粗格栅及进水泵房、细格栅及旋流沉砂池、选择池及厌氧池、接触消毒池等构筑物。主体结构均采用C30 混凝土，盛水构筑物和泵房地下部分等混凝土抗渗等级为P8～P10。包管、二次浇筑混凝土等级为C30，垫层混凝土等级为C15，配重混凝土等级为C20。

4.1 周边环境及地层结构

施工场地位于长丰县某开发区，场地大地貌单元属江淮波状平原，微地貌单元为岗地。场地基本已经整平，场地较开阔，地势起伏较小根据现场工程地质钻探揭露及地表地质调查，场内地层自上而下主要地层分述如下：

（1）层杂填土，层厚1.30～3.20m，杂色，该层为近期人工回填土，以粘性土、碎石及植物根茎组成，属欠固结土层，该层土厚度不均匀。（2）层淤泥层，层厚1.60～3.70m，灰色～灰黑色，软～流塑状，饱和，含腐殖质，有嗅味，干强度低，韧性低。（3）层粉质黏土层，层厚1.20～4.00m，灰、灰黄色，干强度中等，韧性中等，切面较粗糙，无摇振反应。（4）层黏土层，层厚1.20～4.00m，灰黄、黄褐色。可～硬塑状态，含少量铁锰氧化物。摇振反应无，切面稍光滑，干强度中等，韧性中等。此层土分布于整个场地，属于中等压缩性土。（5）层强风化泥质砂岩该层未钻穿，棕红色，结构构造大部分破坏，主要由砂土及黏土矿物组成，岩芯极破碎，含风化碎屑，手捏易碎。

表1 天然地基设计参数

4.2 抗浮设计

根据《建筑工程抗浮技术标准》，本工程抗浮设计等级为乙级，抗浮稳定安全系数为1.05。

式中Kf——抗浮稳定性系数。

ΣW——计算区域总抗浮里标准值，KN；

ΣFf——计算区域地下结构底板所承受的浮力标准值综合，KN/m2；

A——计算区域的底板面积，m2。

表2 各单体抗浮计算结果表

图1 高效沉淀池计算模型

由上述计算结果可知，A2/O 生化池、接触消毒池及二沉池以自重抗浮系数＜1.05,不满足抗浮要求。因A2/O生化池池体面积达4464m2，结构单体所受浮力较大、上浮变形控制要求较高，采用抗浮桩方案更为安全、可靠，能应对各种复杂工况，故本工选用桩基抗浮。二沉池及接触消毒池等面积较小的构筑物因抗浮系数接近规范要求值，故采用增加一定数量的配重混凝土来使其满足要求。

4.3 池体结构设计

以该污水厂的高效沉淀池为例，该水池为典型的多格钢筋混凝土水池，池体长为33.7m，宽度为14.4m。池体高度总高度为9m，底板埋深为4.5m。基础持力层为④层粘土，承载力特征值fak=200kPa。

高效沉淀池属于露天结构，根据《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》第7.1.3 条，现浇露天混凝土结构伸缩缝最大间距为20m。规程中也注明当在混凝土中加掺合料或设置混凝土后浇带以减少收缩变形时，伸缩缝间距可根据经验确定。为保证结构的整体性，在高效沉淀池的混凝土中掺入抗渗防裂微膨胀型外加剂，要求外加剂不得对人体产生危害、对环境产生污染，质量标准应符合相关规范的要求。同时，在池体平面中部设置后浇带，后浇带宽度为1m，后浇带设置包含底板、侧壁及顶板形成闭环。要求高效沉淀池后浇带位置在两侧混凝土浇筑完42 天后，外表面经过凿毛清理后，浇筑比主体结构混凝土强度等级提高一级的补偿收缩混凝土即C35 混凝土。

由于水池的受力情况较为复杂，需要考虑多种不同的池内外荷载作用，如外土压力、水压力，温度作用等。在不同的工况下，需要采用多种的荷载组合，针对闭水试验、满水、无水等工况进行计算分析。

结语：

城市污水厂池体结构能否合理地设计，将会对污水厂的建设及运行产生重大影响。设计要掌握设计要领，根据周围环境，区别各构筑物的体形、工艺要求等特点，制定安全、经济的结构受力体系和计算模型。根据各构筑物高度和不同工况特点，选取合理的受力模型，改变构件内力分布，从而达到降低造价、提高构筑物安全性和耐久性的目的。