关于双层叠合水池结构布置形式研究

杨路 左其刚 刘贵 祝年虎

中国市政工程西南设计研究总院有限公司 成都 610081

引言

近年来，随着建设用地越来越紧张，在净水厂和污水厂的建设中，人们开始探索叠合水池的应用和推广，并且已经拥有很多成功的工程实例。黄志萍［1］通过工程实例介绍了叠合式水池的设计思路；丁大钧［2］结合工程实例介绍了多层水池的前景；吴晨旭［3］等通过Midas软件分析了双层水池的计算方法。到目前为止，缺少对下部导流墙布置形式及导流墙截面对整体结构内力影响的研究。因此本文主要探讨构筑物在叠合设计时，不同导流墙布置形式及导流墙截面厚度改变对池体内力的影响。

1 双层叠合水池常见布置形式

双层叠合水池在各类净水厂和污水厂中被广泛应用，净水厂项目中沉淀池与清水池的叠建、污水厂项目中滤池与消毒接触池的叠建是较为常见的双层叠合水池布置形式。上部沉淀池或滤池的布置方式与单层水池基本一致，下部水池通常为导流墙布置的清水池或消毒接触池。本文主要研究下部导流墙不同布置形式及导流墙厚度改变对池体内力的影响情况。

2 下部导流墙与上部水池中隔墙等厚度同向布置

导流墙与上部水池中隔墙等厚度同向布置为最常见的布置形式，上部水池在一格满水一格空状态时，中壁板底部弯矩较大，考虑上部水池壁板根部弯矩直接传递到下层导流墙，上下层水池分隔中板作为中部支撑点的受力模型。如图1所示，上部滤池深度7m，下部接触池深度4m，取上部滤池中隔墙厚度0.6m，下部接触池导流墙厚度也取0.6m，中板厚度取0.5m。

图1 下部导流墙与上部水池中隔墙等厚度同向布置Fig.1 Lower and upper wall with the same thickness and layout

上部滤池分隔墙考虑一格满水一格空时，均为受力隔墙，该布置方式理念是希望上部中隔墙底部弯矩直接传至下部导流墙，这样受力明确。但经SAP2000有限元板壳单元建模分析计算，如图2所示，该模型忽略了滤池底板（即叠合水池中板）的嵌固作用，上部中隔墙根部弯矩传至中板时，绝大部分弯矩由中板平衡。下部导流墙即使厚度与上部受力隔墙一致，分摊的弯矩也非常小。

图2 内水工况一格满水一格空作用下竖向弯矩（单位：kN·m）Fig.2 Vertical bending moment when one is full of water，and one is empty（unit：kN·m）

经SAP2000有限元板壳单元建模分析计算，上部滤池壁板竖向跨中弯矩最大为-35kN·m，滤池壁板底部支座最大弯矩为410kN·m；下部接触池竖向跨中弯矩最大为-50kN·m，底部支座最大弯矩为40kN·m；中板X方向最大正弯矩为280kN·m，最大负弯矩为-150kN·m。因下部接触池导流墙两侧无水压差，因此水平向内力计算在各种叠建模式下均无变化；经计算可知上部滤池壁板根部弯矩比《给水排水工程结构设计手册》（第二版）［4］假定的单向板净力计算结果略小20%左右。这个计算结果经分析是可以采用的，有限元计算时即使长高比大于3，一般计算结果在单向板和双向板之间，当长高比大于5时，有限元计算结果基本与手册查表计算结果一致。根据有限元计算结果可知，中板对上部滤池壁板有较强的嵌固作用。

3 下部导流墙与上部水池中隔墙变厚度同向布置

根据以上计算结果可知，上部滤池隔墙弯矩基本上不往下部导流墙传递，因此减小下部接触池导流墙厚度的布置方式似乎可行，下层水池的导流墙按构造壁板考虑。如图3所示，仅将下部接触池导流墙厚度改为0.3m。

图3 下部导流墙与上部水池中隔墙变厚度同向布置Fig.3 Lower and upper wall with variable thickness and the same layout

经SAP2000有限元板壳单元建模分析计算，如图4所示，上部滤池壁板竖向跨中弯矩最大为-40kN·m，滤池壁板底部支座最大弯矩为402kN·m；下部接触池竖向跨中弯矩最大为-12kN·m，底部支座最大弯矩为10kN·m，中板X方向最大正弯矩为288kN·m，最大负弯矩为-172kN·m。经计算可知，下部接触池壁厚变薄对上部滤池壁板及中板内力计算结果影响可忽略不计，中板对上部滤池壁板嵌固作用明显。

图4 内水工况一格满水一格空作用下竖向弯矩（单位：kN·m）Fig.4 Vertical bending moment when one is full of water，and one is empty（unit：kN·m）

4 下部导流墙与上部水池中隔墙垂直方向布置

下部导流墙与上部水池中隔墙垂直布置形式也较为常见，经前述两种模型计算分析可知，上下层水池之间中板对上部滤池壁板嵌固作用非常明显，故下层水池的导流墙按构造壁板考虑。如图5所示，取上部滤池中隔墙厚度0.6m，下部接触池导流墙厚度取0.3m，中板厚度取0.5m。

图5 下部导流墙与上部水池中隔墙垂直布置Fig.5 Lower and upper wall with the vertical layout

经计算可知，如图6所示。上部滤池壁板弯矩与前述模型计算结果基本一致，上下层水池之间中板因上下两层水池隔墙垂直布置，将中板划分为双向受力板，下部接触池导流墙对中板的支承作用较为明显，因此中板内力比前述模型计算结果均小，如图7所示。中板X方向对应滤池壁板根部处最大负弯矩为-245kN·m，跨中最大弯矩为40kN·m；中板Y方向最大负弯矩为-113kN·m，跨中最大弯矩为78kN·m。下部接触池导流墙因无水压差，内力均较小，可忽略不计。

图6 内水工况一格满水一格空作用下竖向弯矩（单位：kN·m）Fig.6 Vertical bending moment when one is full of water，and one is empty（unit：kN·m）

图7 内水工况一格满水一格空作用下中板弯矩（单位：kN·m）Fig.7 The bending moment calculation chart of medium plate when one is full of water，and one is empty（unit：kN·m）

综上可知，下部水池导流墙与上部水池中隔墙垂直方向布置对上层水池内力计算影响甚微，但对中板内力计算更为有利，且往往该方式布置导流墙更利于工艺流程走向。

5 结论

综上可知，当上部水池结构形式及板厚不变，且受力状态一致，仅下部水池导流墙布置方式及壁厚发生改变时，可得出：

1.双层叠合水池中板可作为上部受力隔墙嵌固端，上部受力隔墙内力基本不传递到下部导流墙，下部导流墙没必要与上部受力隔墙采用同样的厚度。

2.双层叠合水池下部导流墙布置方式不影响上部水池受力隔墙内力，但对中板内力影响较大，当下部导流墙垂直上部受力隔墙布置时，对中板受力更为有利。

本文通过对不同导流墙布置形式的双层叠合水池内力分析研究，以及对已建成运营的双层叠合水池现状调查表明，水池叠建是合理可行的，且大部分情况都能节省投资，减少占地，在用地紧张的情况下具有较强的推广作用。