污水处理厂水池改造与加固

2019-01-15庄勇魏常宝

特种结构 2018年6期

庄勇魏常宝

（1.中国市政工程西北设计研究院有限公司江苏分院南京210017；2.甘肃土木工程科学研究院有限公司兰州730020）

引言

随着我国国民经济的发展和城乡一体化建设进程，城乡污水处理及达标排放成为现阶段市政工程建设的重点。由于国家对污水处理厂的排放标准愈发严格，越来越多的污水处理厂为响应减排的号召，排放标准由原来的《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB 18918-2002）中的一级B标准提升为一级A标准或者更高标准。许多污水厂由于当时原设计等级原因，原有的污水处理单元无法满足现有污水处理要求，所以对这一类型污水处理厂的提标改造也不得不提上议事日程[1]。

据不完全统计，截至2014年底，全国设市城市、县累计建成污水处理厂3900余座，污水日处理能力约1.55亿m3，其中一级A排放标准污水处理厂860座，日污水处理能力约为2925万m3[2]。根据此前的污水处理厂排放标准及排入水体的环境容量要求，多数污水处理厂执行城镇污水厂一级B排放标准。2015年国务院“水十条”提出：现有城镇污水处理设施要因地制宜进行改造。2020年底前达到相应排放标准或再生利用要求。今敏感区域（重点湖泊、重点水库、近岸海域汇水区域）城镇污水处理设施应于2017年底前全面达到一级A排放标准。今建成区水体水质达不到地表水Ⅳ类标准的城市，新建城镇污水处理设施要执行一级A排放标准。因此，将对这类排放不达标的污水处理厂进行提标改造，以适应排放要求。本文将针对此类污水处理厂提标改造中对现有池体进行利旧改造以及改造后的加固措施与技术进行探讨。

1 水池改造与加固

1.1 水池改造与加固程序

对现有污水处理厂进行改造，要对现有厂区情况进行摸底，根据笔者参与的多个提标改造设计项目的总结，水池改造与加固程序可按图1所示的程序进行。

图1 水池的改造与加固程序框图Fig.1 A program of reconstruction and reinforcement of sewage pool

水池改造工艺方案经论证有可行性时，设计人应根据原勘察设计文件对原有水池进行评估与判断，确定改造的结构安全性能，作为池体改造设计的初步依据。在确定水池改造工艺方案和池体改造的可行性后，可由业主委托检测鉴定单位对构筑物进行检测鉴定，评定构筑物主要结构系统的安全性与使用性，评定其可靠性，同时需对构筑物进行抗震鉴定，确定其抗震能力，为后续的改造与加固设计提供技术依据。

根据《混凝土结构加固设计规范》（GB 50367-2013），在混凝土结构加固前，应根据构筑物的种类，按《工业建筑可靠性鉴定标准》（BG 50144-2008）对待改造的水池进行检测与鉴定。当与抗震加固结合进行时，应按《工业构筑物抗震鉴定标准》（BG 50023-2014）进行抗震鉴定。池体原结构材料的强度根据实测值确定，若实测值大于设计值，则按原设计值取。

方案设计前对水池原结构的再计算与分析是合理制定改造加固方案的依据。通过对原池体的混凝土强度及耐久性分析，对原有池体结构材料的劣化情况进行定性分析，根据建筑材料劣化情况综合对结构构件配筋进行复核，对其承载能力进行定量评定，做到改造前结构现状清晰明确，以此指导改造与加固设计方案。

确定水池改造方案后，根据原有结构的性能及建设年代，确定改造后结构的后续使用年限[3]。原则上，经改造与加固后原水池的后续使用年限不超过原设计使用年限，若建设单位有特殊要求，以建设方特殊要求为准，加固措施相应加强。

1.2 水池改造与加固原则

通过对水池的改造与加固总结得出污水处理厂水池改造与加固的设计原则如下：

1.改造与加固结构设计方案是在满足工艺改造要求的前提下，尽量减少破坏或拆除原有结构构件。

2.改造与加固设计方案应构件受力明确合理，能够协同工作，最大限度地降低对原结构的破坏。

3.改造与加固结构设计方案应尽量通过结构布置来减少构件的内力，使结构改造与加固工程量减少，使改造与加固具有较好的经济性。

4.改造与加固设计方案应综合选择技术可靠、经济合理、工期较短、方便施工、对生产影响较小的设计方案。

5.对于改造中需拆除的结构构件，在拆除前，应采取结构加固措施后再进行拆除。

2 水池常用的改造加固技术和措施

最大化地利用原有构筑物的池体结构进行工艺改造是污水处理厂提标改造中最常见的问题。对原有池体内部结构重新布置来满足新改工艺的水流路线，此举需改变原有池体的受力工况。对池体结构本身来讲，要按新的结构模型去复核计算原池体承载力指标。如池内液位增加，池体需要加高处理，首先要核算其地基承载力，再对池体结构进行复核。对一般的生物处理单元，结构尺寸较大，在软弱土地基上如涉及到对其地基进行加固处理（一般采用注浆加固，一般注浆孔的布置较密，注浆孔间距宜为1.2m～2.0m），地基加固需打穿水池底板实施，池底板将被钻成“筛子”，则不推荐原有池体利旧。

根据污水处理厂的升级改造设计方案，可多方案地制定水池改造与加固设计方案。通过工程设计实践，对于水池的改造与加固常用的有如下几种措施。

2.1 拆除或增设结构改造措施

通过拆除水池的池壁、内隔墙等结构对水池中的处理单元进行分割或改变水处理流线，以满足工艺改造设计要求。此类型工艺改造方案应避免对主要承重结构的改动，对原有隔墙应考虑其受力工况的改变，如原有导流墙构造属性的墙体改造后变为受力墙体，则需进行加固补强设计。并连带验算与改造加固隔墙相连的池底板承载力，若承载力不满足要求，则进行补强设计。

也可通过新增水池池壁等混凝土结构（如隔墙、池壁、拉梁、柱等）的方式对原有池体进行改造，改善原有结构受力环境和受力状态，达到工艺上的改造目的，也达到结构安全使用目标，使之满足在目标使用年限内有足够的承载能力和安全储备。

2.2 池壁开洞改造措施

池壁开洞在污水处理厂的提标改造中是最常见的做法之一，通过在水池池壁上设置不同的洞口来满足处理单元水处理工艺设计要求。池壁开洞口前需对洞口部位进行加固补强。根据洞口大小和不同位置制定不同的加固补强措施。开洞后加固补强的做法可参考《给水排水工程构筑物结构设计规范》（GB 50069-2002）第4.6条开孔处加固。池壁开洞与加固常见做法如图2所示。

图2 池壁洞口加固常见做法Fig.2 Common practice of strengthening and reinforcing after opening of large opening of pool wall

2.3 改扩建、扩容改造措施

工艺上扩容设计根据工艺情况大致为分两类：一类为池高不变，水平面扩容，利用现有池体的一面池壁，适用于现场场地较充足的情况；另一类为池体平面不变，对池体进行加高扩容处理。第二种类型在改造中较为多见，特别适用于场地受限的情况[4]。根据诸多工程设计实例的对比方案，池体结构改造宜根据现有池体情况进行不同增高方案的对比，如前所述对池体根据地基承载力和池体承载力，在合理富裕度和可靠度情况下确定最高液位值，作为水池增高改造的限值指标。在此限值内增高，地基基础尚可满足承载要求，可不做加固处理，若超出此限值增高，则地基基础需进行加固处理。

2.4 水池地基加固措施

根据污水处理厂升级改造设计方案，应尽量避免对地基基础进行加固。一般来说水池的地基基础有如下特点：基础底面积大，基底荷载小。对一般改造来说，水池改造后总体增加重量比重较小，改造后附加荷载对地基的影响不大，可不考虑对地基的加固。经过诸多工程实践，对加高增容的池体，一般在加高2m以内可不考虑对地基的影响，当然需要验算地基变形。对于软土地基，一般根据水池的荷载情况，对原设计采用诸如换填法、垫层法等地基处理方式进行过改良的软弱土地基要慎重考虑池体加高方案。若改造工艺设计必须池体加高增容，对于软土地基，地基须进行加固。验算改造后水池地基土的承载力或变形不能满足设计要求时，可通过加固措施在地基土中加入竖向增强体构成复合地基进行加固处理。常用的地基加固措施有注浆加固技术[4]、锚杆静压桩加固技术[5]、旋喷桩加固技术[6]、挤密桩等。

2.5 水池底板加固措施

对于大型池体，采用增大基础底面的加固措施一般作用不明显，因此对大型池体的底板加固可按弹性地基梁模型进行设计，作用明显。

水池基础底板的补强加固，一般是在池体内进行，采用在池体底板上部增加“反梁”、“加劲肋”等，并与池壁的补强一同考虑。这种加固做法有一定的局限性，不能够有效解决池底板底部配筋不足的情况，在加固方案论证阶段应避免。

2.6 水池池体加固技术

污水处理厂工艺升级改造水池加固常用的加固技术大体有如下几种：

1.混凝土后锚固技术

混凝土后锚固是通过相关技术手段在既有混凝土结构上锚固后锚固件，是相对于浇筑混凝土时预先埋设的先锚固（预埋）而命名的。此技术具有施工简便、使用灵活等优点。植筋是混凝土结构后锚固技术中常见常用的一种，是指在混凝土、墙体岩石等基材上钻孔，清孔后注入植筋胶，再插入钢筋，胶固化后将钢筋与基材粘接为一体，是加固补强较常用的一种辅助性的建筑工程技术[7]。在增大截面法、粘锚钢加固法中，为了增加加固面层与原结构的契合度，混凝土后锚固技术也常常被用到。混凝土后锚固应避让原结构钢筋，且满足最小厚度要求。根据原结构尺寸大小确定植筋排布方案，植筋长度根据《混凝土结构设计规范》（GB 50367-2013）要求进行计算，并满足抗震构造要求。对于薄壁混凝土结构，其上植筋若不能满足最小厚度要求时，钢筋连接不能采用植筋方式，应采用凿出原有钢筋并与之焊接连接。植筋锚固做法见图3。

图3 混凝土结构植筋做法Fig.3 Planting steel bars method of concrete construction

2.增大截面法加固技术

增大截面加固法，是指在原受力构件的若干个面新浇筑一层新的混凝土并补强相应的钢筋，以提高原构件承载能力的方法，是工程中常用的一种加固方法[8]。当增加的混凝土处在受拉区时，对补加的钢筋起到粘结和保护作用；当增加的混凝土处在受压区时，增加了构件的有效高度，从而提高了构件的抗弯、抗剪承载力，并增加了构件的刚度。因此，其加固效果是显著的。增大截面法主要应用于柱、梁的加固，在水池加固中也可采用此法，采用增加扶壁柱、梁等方式进行加固。

3.粘锚钢加固技术

粘锚钢加固亦称粘贴锚固钢板加固，是将钢板采用高性能的环氧类粘结剂粘结于混凝土构件的表面，再使用锚栓锚固，使钢板与混凝土形成统一的整体，利用钢板良好的抗拉强度达到增强构件承载能力及刚度的目的。用粘结剂粘贴钢板补强、加固的钢筋混凝土结构构件，能大大提高其原设计承载力和抗破坏能力。这是因为粘贴钢板后，提高了原结构构件的配筋量，相应就提高了结构构件的抗拉、抗弯、抗剪等方面的力学性能，而这些性能是靠结构胶粘剂的良好粘结性能，把钢板与混凝土牢固地粘结在一起，形成整体，有效地传递应力，共同工作来保证的。粘锚钢加固做法见图4。

图4 粘钢加固做法Fig.4 Anchor steel reinforcement

3 工程实例

本文通过以下工程实例对污水处理厂各种类型水池的改造与加固设计方案进行介绍，对所采用的加固改造措施以及加固技术及应用进行介绍。

3.1 实例1

杨凌防洪渠截污治污工程二沉池改造是很典型的利旧工程。因原有二沉池底标高过低，新工艺要求水线提高2.1m。经分析后对工艺设计及改造方案如下：为了不过多增加地基的附加荷载（确保地基基础不需加固），采用原池底板和新增池底板之间架空处理，即通过在原池内部增加环向支承墙体，将新增水池池底搁在该支承墙体顶部，将上部新增结构的荷载通过支承墙传递到原有池底板，从而改善原有底板受力环境。本工程通过合理的结构布置，使得原有结构尽量少加固，原结构承载就能满足改造后的承载要求。该二沉池250mm厚池壁增高，竖向钢筋与原池壁原有钢筋凿出并焊接连接。抗剪锚筋采用植筋锚固的方式，锚筋植筋须避让原池壁钢筋，根据原结构尺寸进行植筋排布，植筋锚固长度满足抗震构造规定。该二沉池改造平面做法见图5，剖面做法见图6。

图5 二沉池改造平面示意Fig.5 Plan of the second sedimentation basin

图6 二沉池改造剖面示意Fig.6 Cross-section drawn after transformation of the second sedimentation basin

3.2 实例2

宜兴污水处理厂调节池及CASS池改造工程也是一个利旧改造的项目，是将原有调节池及原CASS池联合改造成AAO池，将原调节池改造成AAO池的厌氧池与缺氧池使用，将原CASS池改造为AAO的好氧池使用。

调节池改造主要是对原有池体内部的一些挂壁构件（如水槽、格栅井）进行静力切割拆除，在原有结构隔墙上开洞处理。改造设计液位较原工艺有所降低，因此对外池壁无需进行结构补强加固设计。由于工艺功能性要求增加了多组导流墙，考虑原底板采用构造底板，新增隔墙采用条形基础做锚筋嵌固在原底板上，隔墙的增加虽然增加了荷载，但相对原底板的板跨缩小到了原来的1／3，经复核原底板配筋满足现有结构要求无需进行底板结构加固。调节池改造前原有池体拆除见图7，原有池体改造平、剖面示意见图8。

图7 调节池改造前原有池体Fig.7 Original cell body of the regulating reservoir

图8 调节池改造后平、剖面示意Fig.8 Plan and profile after transformation of the regulating reservoir

CASS池改造主要是对原有池体内部主要隔墙进行静力拆除、池壁开洞处理、新增导流墙处理。改造设计液位较原工艺基本无变化，因此对外池壁无需进行结构补强加固设计。且由于工艺功能性要求增加了多组导流墙。同调节池改造，经复核原底板配筋，满足现有结构要求，无需进行底板结构加固。该CASS池改造前、后平面示意见图9。

图9 CASS池改造平面示意Fig.9 Plan of the CASS pond

3.3 实例3

杨凌华宇水质净化有限公司提标改造工程消毒接触水池改造是因为该池容量不足，需进行扩容。该工程改造在原有接触池一侧扩建3个廊道，通过新增钢筋混凝土池体的方式在原有水池一侧新建池体的方式进行平面扩容改造，原有池体高度不变。同时在原有池体局部新增隔墙进行改造，由于新增隔墙跨度较小，故采用两端及下部植筋锚固的方式与原结构锚固连接。另外原有池壁因工艺改造要求进行了局部开洞处理。因原有接触池一侧扩建3个廊道而新增池体与原有池体共壁，采用植筋锚固并浇筑新混凝土与原有池体连接为一个整体。其改造做法和池体加固做法平、剖面示意见图10。