分析污水处理厂调节池的预应力设计与施工实践

朱小明

（中机十院国际工程有限公司，北京100083）

1 引言

随着近年来国家与社会各界环保意识的逐渐提升，污水处理厂的发展进步也十分迅速，但在污水处理的过程中，受到污水排水间断性较强且水质变化波动较大的影响，污水处理厂中必须设有足够容量的调节池。通常情况下，污水处理厂需按照排水周期、排水浓度来储存及混合污水，在调节池内水质水量基本调匀之后再向后续处理流程推进，但这对调节池的要求相对极高，若想最大限度地发挥调节池的效果，预应力设计水平与施工质量就必须要得到保证。

2 工程概况

以50 000t/d大型污水处理项目为例。本工程包括多个圆形水池与矩形水池，UASB厌氧池沉淀池与射流曝气池、沉淀池等为前者的主要构成部分，而矩形水池则以事故调节池、一段好氧池以及UASB厌氧池、消毒池等为主。因为上述污水池长宽尺寸均较大，储水水位相对来讲也极高，一旦外部荷载超过正常水平，就极易导致裂缝出现，进一步引发渗漏。为降低水压力、水温与混凝土收缩产生的影响，使池壁与池底混凝土的裂缝问题得到规避，施工人员可在圆形水池池壁中配置环向预应力筋，在矩形水池中配置无黏结预应力筋，在池顶拉梁中配置黏结预应力筋。由于污水处理厂须处理的污水量较多，对处理效率的要求也比较高，因此，本文以体量较大的调节池预应力设计与施工为基点展开研究，确保污水处理效果能真正得利提升。

3 调节池设置的关键点

3.1 泵前调节

对于调节池设置工作而言，泵前调节是十分常见且有效的调节方式。在进水提升泵设置之前，技术人员通常会采取与提升泵集水池合建的方法，但与此同时，若想充分发挥这种布置方式的效果，相关人员也要掌握其使用时的关键点。受到污水处理厂进水管埋深较大的影响，调节池通常都须采取地下式。经实践证明，其在集水池最高设计水位下池容的调节效果最好。但这种方法也存在一定的弊端，池中最高水位之上的池容，都属于无效池容，进水管道埋深较大的情况下利用率低相对更低，同时污泥清除难度大、成本高、土建构造复杂等，也都是其显著缺点；优势则主要体现在这种方式能确保污水一次提升到位，且运行管理难度较低，能耗与运行费用较少。

3.2 泵后调节

泵后调节主要是以泵前调节弊端为基点提出的，其具备土建成本低、排泥便捷、构造简单等优势。这种调节池出水方式主要有以下2种：（1）采取泵后高位调节的方式，实现后续处理构筑物的重力流运行，但这种方式相对而言对调节水量与稳定出流的作用不明显，因此，在污水处理厂中并不常见；（2）通过调节池后设置二次提升泵，能有效调节水量并为稳定出流提供保证，弊端则在于二次提升会增加运行费用与能耗[1]。

4 污水处理厂调节池的预应力设计

4.1 有限元模型

首先，此调节池的长、宽、高，分别为120m、126m、8.9m，规格为矩形多格有盖半地下式水池，框架柱间距9m，正方形布置。此水池已在池壁设置扶壁柱，在池顶设置圈梁与拉梁，且水池工作条件长期为50～80℃。此污水调节池由于抗浮问题设置了抗拔桩基础，底板与池壁厚度分别为600mm、350～500mm变截面，混凝土强度为C40，钢筋为HRB400。其次，技术人员需注重合理选择单元，调节池桩基础、扶壁柱以及拉梁，均以beam188单元为主，shell63单元则主要应用于池壁。本调节池最大的问题是进水温度过高，对裂缝影响很大，按常规现浇结构设计，单立方混凝土的含筋量超过210kg，极大地增加了建设成本，故考虑采用预应力的结构设计方案。

4.2 预应力设计

本工程为一级抗裂控制，即在荷载效应标准组合下，拉应力是不允许出现的。站在污水处理厂调节池结构体系的角度上来看，其中采取的预应力筋与钢绞线，规格分别为1 860MPa与15.2mm。若根据30%来计算调节池壁中的预应力损失，则会得出每束预应力筋有效张拉力为137kN的结果。除此之外，技术人员还应将裂缝控制条件作为根据，得出预应力筋的数量，最终按照预应力计算出非预应力的面积。

由于此污水调节池属于超长结构，在温度、水压力以及混凝土收缩等因素的长期作用下，产生裂缝的概率也会大幅增加。因此，技术人员还要明确以下几点内容：（1）底板与池壁交接部分即为底板拉应力最大的位置；（2）底板与池壁交接的内侧，是竖向应力最大的位置；（3）底板交接处柱内侧为扶壁柱拉应力最大的位置；（4）拉梁与柱交接部分是拉梁与圈梁拉应力最大的位置。除此之外，技术人员还应将水池在各种条件下变形与受力特征充分考虑在内，使用直线方法来布置调节池底板、中扶壁柱与中池壁中的预应力筋，同时应采取曲线方式来布置边扶壁柱、边池壁以及拉梁与圈梁中的预应力筋，注意形状应接近于弯矩图矢量[2]。

5 水池预应力施工的注意事项

在案例工程中，由于池底、壁以及扶壁柱与拉梁、圈梁等构件，都需要进行预应力的合理施加。因此，应注重预应力时各构件间不均匀变形的情况。实践证明，若张拉方案设置不够科学合理，就会提高张拉过程中意外事故出现的概率，因此，技术人员必须对调节池的受力特征充分考虑，并遵循以下张拉原则：

1）对称性原则预应力筋的张拉过程，是结构的受荷过程，预应力筋合力作用点上的混凝土会在一定程度上受到压迫，此时若想减小外荷载作用下的弯矩作用，预应力张拉就会使截面部位出现拉应力，在结构出现扭转等不利应力的情况下，预应力筋的布置工作基本会遵循对称均匀的原则。

2）张拉施工为4个步骤，分别是浇筑池底—池壁—扶壁柱—浇筑拉梁。为确保结构受力的均匀性，由预应力次内力产生的消极作用必须采取有效措施减弱，尽量减少张拉所用的时间。与此同时，技术人员在进行张拉时，应依照底板、扶壁柱、池壁与拉梁的顺序，在混凝土强度与设计强度相符时，进行张拉。

3）至少应将预应力筋张拉分成2级，这是结构受力均匀性得以保证的关键。在混凝土整体结构未完善前，在强度符合张拉标准之后，技术人员应先对部分预应力筋进行张拉，在形成整体结构的基础上，再张拉余下的预应力筋，在重新分布结构内力的情况下，达成不均匀变形减弱的目的[3]。

6 结语

综上所述，调节池的预应力设计与施工质量，对污水处理厂日常运行而言意义非凡。在工段与时间不同的情况下，所排放的污水也有极大的差别，若出现操作不正常或者是出现设备泄漏的状况，污水水质还会急剧恶化，水量相较恶化之前也会大幅增加，远超出污水处理设备的正常水平。这种情况下，污水处理厂就可以在污水进入处理主体前，先将其向调节池导入，从而达成均和调节的目的，在水量与水质都趋于稳定的情况下，为后续水处理系统的正常运行提供更好的操作环境。