某污水处理厂结构设计探讨

李健

（山西省城乡规划设计研究院工程设计中心 山西省太原市 030001）

1 概述

污水处理厂的结构设计是一个长期、复杂甚至循环往复的过程，在这过程中的任何遗漏或错误都有可能使整个设计过程变得更加复杂，使设计结果存在不安全因素。因此，在每个过程都应该进行认真地分析和计算，并且要不断地进行优化设计，最终达到满意的结果。

该污水处理厂采用了地下钢筋混凝土结构，主要包括进水井、粗格栅及提升泵房、细格栅、沉砂池及砂水分离间、生物池、沉淀池、污泥池、中间水池、消毒池等构筑物。作者在结构设计中遵循有关的设计规范和规程，根据构筑物的使用要求和受力特点，选择合理的结构形式和计算方法，根据承载的能力极限状态和正常使用的极限状态要求，分别进行了承载力，稳定，变形，裂缝宽度等计算，并做好验算。

2 结构设计计算方法

在对大量文献和实际工程项目进行研究分析后发现，要确保污水处理厂构筑物结构设计的整体质量，设计人员要总结前人经验，在设计过程中认真地分析和计算，考虑施工过程中可能遇到的一切问题。作者结合自己多年对污水处理厂结构设计经验，总结了在设计过程中应注意的设计方法和问题。

2.1 计算模型选择

污水处理厂水工构筑物结构的类型均不相同，在具体设计过程中，选用合理的计算模型尤为重要，对于长宽高比较均匀的短跨尺寸在6m以内的小型水池和多格有盖水池，计算底板内力可以按地基反力直线分布计算；当池壁线刚度为顶板线刚度的5倍以上时，可假设池壁顶端为铰支，否则按弹性固定计算。敞口水池的池壁边界条件假定为三边支承，顶边自由的板。但对于敞口有走道板水池，按照规程把走道板设计成横向深梁，计算时按照不动铰支撑考虑，这样计算比敞口按照自由端考虑要合理和经济。对池壁长度比较长或超大水池，底板的抗弯刚度大于池壁抗弯刚度10倍时，可以把底板作为嵌固端，池壁采用挡水墙来设计，对高度比较高的结构采用扶壁式挡水墙。底板计算应采取单位截条，将池壁作为集中力按弹性地基梁进行内力分析。

2.2 结构荷载选取

池顶荷载主要考虑顶板自重，覆土重，雪荷载和活荷载。池壁荷载考虑池内水压力，池外土压力和地下水压力。

在设计中考虑两种荷载组合：

（1）池内水压+自重（池内有水，池外无土）。

（2）池外土压+自重（池内无水，池外有土）。

第（1）组合为地上式构筑物的必需组合；第（1）（2）组合为地下或半地下构筑物的必需组合。

2.3 内力计算

内力计算时主要采取了以下方法：

（1）顶板的计算可以同钢筋混凝土楼盖的计算方法。圆形顶板水池，可根据支撑条件查静力计算手册。

（2）底板计算按水池的结构形式确定。当池壁采用独立基础时，底板反力可按直线分布考虑；当水池为整体式底板时，应按弹性地基上的梁板计算内力。

（3）矩形水池池壁的内力计算可先按单块矩形板进行计算，再根据相邻池壁的刚度进行弯矩分配求出板弯矩。圆形水池的池壁弯矩可根据支撑条件查静力计算手册。

2.4 配筋

构筑物配筋主要有强度和裂缝两部分控制。大水池中裂缝配筋远大于承载力计算配筋。且笔者在设计计算其它构筑物配筋时，一般情况都是裂缝控制，因此结构设计人员在设计中不要忽视了裂缝控制。

3 构筑物常见裂缝分析

裂缝是构筑物结构设计中普遍存在的一种现象，它的出现不仅会降低其抗渗能力，影响水池的使用功能，而且会引起钢筋的锈蚀。经验表明水池的裂缝产生和发展是可以从根本上得到控制的。在结构设计时，必须重视温差及混凝土收缩、水化热、内外约束、以及不均匀沉降等对水池裂缝宽度的影响，在满足工艺要求的前提下，合理的结构设计，正确的施工方法是工程质量的重要保证。

作者结合自身的设计经验及查阅文献，认为目前造成裂缝的原因主要有以下几方面：

3.1 荷载造成的裂缝

在设计计算阶段，对结构的荷载没有进行计算或者是计算方面出现了漏洞，这样所设计出来的荷载与实际的荷载存在着一定的差异，使结构安全系数达不到所规定的标准。在受到很大荷载的情况下，会使得结构出现一定的裂缝，另外因设计图纸设计的不够清晰，图纸上的内容没有进行准确地表达，造成施工单位没有用够钢筋，这样也会造成水池荷载裂缝的产生。

在施工阶段，在对水池工程进行施工的时候，如果所使用到的建筑材料受到了损伤，那么所修建的水池肯定得不到相应的质量保证，从而造成裂缝现象的产生。还有就是在施工的过程中，施工人员如果不根据设计的图纸进行施工，那么就会改变水池结构应有的模式，从而使得水池结构的受力特点也遭到了改变，这势必会导致裂缝的产生。

3.2 温度造成的裂缝

在对构筑物进行施工的时候，由于结构所需要承受的荷载比较大，所以结构的混凝土浇筑厚度一般都比较大。当所浇筑的混凝土的厚度超过一定值时，由于混凝土中的水泥在浇筑的过程中会进行水化放热，这样就会使得钢筋混凝土墙柱内外的温差非常的大，从而会使得结构的表面出现裂缝。构筑物要进行蒸汽养护，主要是由于冬天的天气温度太低，以免造成水池结构的破坏。不过在进行蒸汽养护时混凝土温度非常高，一旦水池停止了蒸汽养护冬天寒冷的空气就会导致混凝土的温度骤然下降，这样就很容易造成水池裂缝的产生。

3.3 混凝土收缩裂缝

收缩裂缝也是常见的一种裂缝，它主要发生在混凝土在凝固之前强度比较小的时候，由于这个时候的混凝土受到高温或者大风的袭击，这样混凝土的表面就会很快的丧失水分，从而就使得混凝土结构内部有比较大的负压，导致混凝土内部的体积出现了急剧收缩的情况。但是这个时候混凝土的强度又不能够抵抗其本身收缩，这样就出现了龟裂的情况，这就是所谓的收缩裂缝。同时这种裂缝主要是在特定的环境下形成的，如果在高温或者大风的天气，就会出现中间宽、两边细和长短不一致的情况，并且相互之间不能连贯起来。

针对常见的裂缝，结构设计人员在设计中一定要引起注意。作者在污水厂构筑物设计中，为避免裂缝出现，主要考虑了以下几个方面：

（1）分离式配筋不宜用于水池底板和顶板上，而应使用上下两层连续式配筋。

（2）水池配筋率不宜过大，因为配筋率过大时，会增强钢筋对混凝土收缩的约束作用，进而导致混凝土表面出现不规则的龟裂，故单侧配筋率宜控制0.8～1%以内。

（3）水平加强筋宜应被安置于敞口水池顶端，且其内外两侧水平加强筋各不应少于3根，直径要高于池壁受力钢筋，且直径长度不宜小于16mm，间距应设置在50～100mm之间。

（4）配筋的分布应尽可能按照小直径和小间距来设置，尤其是要缩小水平向的钢筋间距，且水平向的钢筋宜满足4～10根/m之间。

（5）暗柱宜设置在易裂的边缘部位，如丁字交接、池壁交界转角及十字交叉处。确保水池的整体性和整体抗裂性能。

（6）在可能的情况下，宜设置腋角在水池池壁的拐角及与顶、底板的交界处，且保证腋角边宽不宜小于150mm。

4 结束语

对于污水处理厂水池结构其不仅要达到结构强度要求同时还必须具有抗渗漏性能、耐腐蚀性能以及抗冻性能等。设计人员实际设计过程中应对各种条件与因素加以充分的考虑及分析，并结合当地具体情况制定各种防腐抗渗措施不断优化水池结构设计方案这样才使污水处理厂水池的使用年限更长。