污水处理厂生物池结构设计研究

向仍勇

（中机国际工程设计研究院有限责任公司 湖南长沙　410007）

污水处理厂生物池结构设计研究

向仍勇

（中机国际工程设计研究院有限责任公司 湖南长沙410007）

随着我国社会经济的发展以及科学技术的进步，污水处理技术水平有了很大的提高，有效改善了我国的水环境。作为污水处理的主要载体，污水处理厂建设显得十分重要，其中，生物池的结构设计引起了诸多专家学者的研究。本文结合具体的工程实例对生物池结构设计特点及设计要点进行了分析，供相关人士参考。

污水处理厂；生物池；结构设计

引言

生物池是污水处理厂的主要组成部分，其设计较为复杂，涉及了许多计算和模型的建立，因此，需要对其进行综合考量，保证计算的准确性，同时需要对建设对象进行所有资料的收集和整理，在此基础之上，才能保证生物池设计的合理性。下面就对其进行详细阐述。

1　工程概述

某污水处理厂规划旱季的总工程规模为30×104m3/d，分为近期和远期两个建设阶段，近期工程旱季的规模为15×104m3/d，在雨季其规模为45×104m3/d，近期建设生物池数量为两座，每座生物池的平面尺寸为123.8m×60.43m，池子的总深度为8.45m。生物池底板位于场地设计地面下2.7m，是地面式有盖钢筋混凝土水池。

2　场地工程地质条件

该污水处理厂位于山区，靠近河流，场地的东侧、西侧以及南侧都是低山丘陵，北侧是河流。根据相关地质勘察报告显示，该场地抗震设防烈度为Ⅶ度，设计基本地震加速度值为0.10g，设计基本地震组为第一组，场地土类型为中软～中硬土，建筑场地类别为Ⅱ类。场区内覆盖着较厚的人工填土和淤泥质土，经过基本处理之后，场区内的地基承载力特征值大于等于120kPa，满足生物池的建设需求。该场地有较为丰富的地下水资源，与地表水呈互补的关系，地下水位取场区设计地面下1.0m。

3　生物池结构设计

3.1结构整体设计

该生物池的规模较大，为了保证其在投入使用期间的安全性和稳定性，需要设置适宜温度变化的伸缩缝。设计要求沿着纵向将该结构分为10个版块。设置变形缝之后，每个板块纵向尺寸≤25m，横向尺寸≤30m。另外，在钢筋混凝土池体中掺入具有抗裂功能的防水剂外加剂，变形缝之间用橡胶止水带、低发泡聚乙烯嵌缝板、低模量双组份聚硫密封胶进行填充。其结构布置如图1所示。

本文针对如图2所示的版块进行重点分析。

3.2生物池顶板结构设计

根据设计要求，生物池池顶需要设置封闭顶板，这样可以高效收集废气；生物池曝气管和废气收集管都是布置在顶板上的，且加以绿化布置，覆土的厚度大约在800mm左右。

图1　单座生物池结构布置示意图

图2　生物池典型区块剖面示意图

3.2.1顶板结构形式

该生物池的顶盖是钢筋混凝土结构，按照其和池壁的连接方式，可将其分为现浇结构以及装配式结构两种。其中，装配式结构又可以按照材料的不同分为预制钢筋混凝土结构、钢结构以及膜结构等。对于装配式结构来说，现浇结构优点较多，如整体性能好、抗震能力强、顶板孔洞根据工艺要求布置灵活等等，对于壳、膜、桁架等结构来说，现浇钢筋混凝与结构顶板的顶面比较平整美观，可以承受较大的外力作用，当前的施工技术水平较高。因此，该生物池顶板采用现浇钢筋混凝土结构。现浇钢筋混凝土顶板按照其受力形式的差异，可以分为无梁板式和梁板式。对于生物池设计和施工来说，其中隔墙布置必须规则分布均匀，因此会将中隔墙作为顶板支座，并沿着池体横向设置4跨连续梁，将顶板布置为双向板。连续梁平面布置需要对池体变形缝间距、顶板预留检修孔观察窗空定位等作慎重考虑，其基本考量标准是梁间距不能大于梁跨。该工程顶板梁局部平面布置如图3所示。

图3　顶板梁局部平面布置示意图

3.2.2顶板结构计算

该工程顶板梁的尺寸设计为300mm×800mm，顶板的厚度定为250mm。混凝土等级为C30，保护层厚度为40mm。顶板按照2边简支（梁边）、2边固定（隔墙边）双向板进行计算，并且为了防止出现裂缝，采用双层双向配筋，计算配筋为上下双层φ12@100。梁采用4跨连续梁，连续梁的尺寸为300mm×800mm，其计算结构如图4所示。

图4　 4跨连续梁计算结构示意图

3.3生物池外壁结构设计

3.3.1池壁结构计算模型的选择

生物池底板厚度大于池壁的厚度，底板厚度为700mm，池壁厚度为600mm，并且还有1.0b的外挑，其刚度大于池壁刚度10倍，所以，池壁下段固结与底板。顶板厚度为250mmm，和池壁相较而言，刚度较小，但是和池壁组成整体现浇，并且顶板钢筋会锚入池壁，所以池壁上算按照弹性固定来进行设定。计算内容主要包括：分别对池壁和顶板进行构件计算，节点处不平衡弯矩按照转动刚度进行分配调整。

3.3.2池壁结构计算

对单向板外池壁受力情况进行分析，当池内有水、池外没有土时，池内壁作用下的计算和单位板宽弯矩标准值都如图5～6所示。

图5　池壁水压作用下计算简图

顶板节点处弯矩分别是由连续梁和双向板进行传递的，经过详细计算，连续梁传递弯矩标准值时430kN·m，双向板是27kN·m。据对其受力影响范围的估算，单位板宽顶板传递壁处节点弯矩标准值是M=430/4.7+27=118kN·m。由于节点处的不平衡弯矩较小，为6kN·m，可以直接忽略。顶板支座处的剪力标准值就是池壁上端轴向压力值，计算结果为100kN/m。按照混凝土等级C30进行估算，外层水平筋保护层的厚度为40mm，偏心受压构件计算配筋，得出的结果为：池壁内侧上算配φ20@100mm，裂缝的宽度为w=0.100mm；池壁内侧上端配筋为φ20@200mm，裂缝的宽度w=0.200mm；池壁外侧配筋为φ20@200mm，裂缝宽度w= 0.141mm。

图6　池壁水压作用图弯矩

3.4生物池底板结构设计

3.4.1底板结构计算模型选择

底板地基是处理后的填土层构成的，地基承载力要≥120kPa，假设地基反力分布式均匀的。底板铰支于池壁之上，外池壁弯矩会随着构造传递给地板，底板取单位宽截条，按照四跨连续梁进行计算。

3.4.2底板结构计算

底板结构计算如图7所示。

图7　底板结构计算简图

其中，均布反力P1=40.29kPa，池壁传来的弯矩M1=-223kN·m，池壁传来的轴向拉力为255kN，得出的最大支座负弯矩标准值MB=-295.8kN·m。该工程使用的混凝土等级为C30，其保护层厚度设置为40mm，偏心受拉构件计算配筋，得出的结果为：受力方向下层配筋为（φ20+φ18）@100mm，裂缝宽度w=0.183mm；上层配筋为（φ20+φ18）@100mm。裂缝宽度w=0.148mm。

3.5回流污泥渠设计

该污水处理厂共有两座生物池，两座生物池之间设有回流污泥渠。渠道是设置在生物池池壁牛腿之上的，牛腿顶面铺有氯丁橡胶，可以使得渠道和生物池形成两个独立的区域。渠道按照闭合框架进行计算，其结构如图8所示。

3.6抗震结构设计

图8　回流污泥渠示意图

该工程抗震设防烈度为Ⅶ度，设计基本地震加速度值为0.10g，设计基本地震组为第一组，场地土类型为中软～中硬土，建筑场地类别为Ⅱ类，抗震设防类别为乙类。对于该工程的生物池来说，计算时仍然按照Ⅶ度进行计算，但需按Ⅷ度采取抗震构造措施。经过计算，在地震的反复作用下，池壁自重惯性力为1.98kN/m2，动水压力值为2.6kN/m2。对于按照承载能力极限状态设计进行计算的池壁内力在此次计算中可以忽略不计。所以，生物池抗震设计主要针对的是抗震构造措施。该生物池抗震构造措施如下：池壁拐角处的水平筋配筋率需大于0.3%，水平筋伸入两侧池壁的长度≥4.5m；水池池壁变形缝处钢筋需要加强，使其具有抗侧力的能力，节点如图9所示。

图9　变形缝节点配筋构造示意图

4　结束语

综上所述，该污水处理厂构筑物是薄壁的空间结构，应该将其作为一个有机整体进行分析，但是由于当前专业有限元软件仅仅适用于构筑物的计算，因此需要将其整体结构划分为平面构件进行计算。根据该生物池的受力特点等选择适宜的计算模型之后，需要在水池构造上采取相应措施保证其能够与计算模型相符。水池构造对于裂缝的控制要求较高，同时，构造措施也非常重要，这些都需要设计者进行详细分析和处理。

[1]孙申兴.阜新市污水处理厂生物池设计特点浅析[J].中国新技术新产品，2011（16）：11.

[2]李少彬.生物池底板大体积混凝土无缝施工技术的应用研究[J].膨胀剂与膨胀混凝土，2013（2）：90.

[3]关瑞华.污水处理厂生物池清水混凝土模板施工技术[J].城市建设理论研究：电子版，2011（17）：45.

X703

A

1673-0038（2015）20-0012-03

2015-4-29

向仍勇（1981-），男，工程师，本科，主要从事自来水厂、污水处理厂结构设计工作。