某平流沉淀池变形问题长期病害分析与处理

王勇

中国市政工程中南设计研究总院有限公司 武汉430010

引言

折板絮凝及平流沉淀池是净水厂中常见的水处理构筑物。其中的平流沉淀池一般为平面尺寸较大的矩形敞口水池，池顶运行刮泥机。当地基条件较好时，一般可将其侧壁做成挡水墙型式，其结构型式简单，技术成熟，应用广泛。在平流沉淀池的使用过程中，刮泥机的卡轨或脱轨现象是较为常见的问题。但其背后的原因可能不尽相同，有些只是设备或安装方面的问题，解决之后即不再困扰；而有的可能存在于构筑物结构方面或者地基方面，在未找到根本原因或者未完全处理到位的情况下，问题可能会持续困扰。

本文中的工程案例刮泥机脱轨问题长期得不到根治，排除设备及安装方面的问题后，将原因锁定在结构与地基的范畴，通过计算分析，找到有针对性的处理措施。

1 工程概况

1.1 结构概况

某净水厂工程（工程规模10 万m3／d）中的折板絮凝及平流沉淀池共两座，为现浇钢筋混凝土结构。单座折板絮凝及平流沉淀池平面总长宽尺寸约94m ×17.7m，其中折板絮凝池部位长约19m，剩余约75m长为平流沉淀池。平流沉淀池部位净宽17.1m，净深4m，侧壁厚0.3m，正常使用时池内水深3.7m。平流沉淀池侧壁及底板采用挡水墙型式，即底板边缘一定宽度与侧壁板形成悬臂式挡水墙，底板中央区域则为构造底板。挡水墙部位底板厚0.4m、宽2.6m，其余中央区域构造底板厚0.3m。

折板絮凝及平流沉淀池长度方向为南北向，折板絮凝池位于南端，平流沉淀池在其北侧。平流沉淀池两侧壁板顶部设有纵向钢轨，供池顶的刮泥机沿池体纵向行走作业。两座池之间有一条中间排泥渠，两座池外侧还各有一条排泥渠。

由于折板絮凝及平流沉淀池池体长度超长，按相关规范沿池体纵向每隔约25m设置了横向变形缝将池底板及壁板整体断开［1］，每池共三道横向变形缝将池体分为了4 段。为方便表述，以下将两座平流沉淀池分别称为“西侧池”和“东侧池”，将两池各自与中间排泥渠相邻的纵向侧壁板称为内侧壁板，远离中间排泥渠的纵向侧壁板称为外侧壁板；将两座池的三道变形缝按水流方向（自南向北，从折板絮凝池到平流沉淀池再到末端）为序依次称为第一道、第二道、第三道变形缝。折板絮凝及平流沉淀池三维立体模型如图1 所示，平流沉淀池横断面如图2 所示，平流沉淀池侧壁及底板形成的悬臂式挡水墙断面如图3 所示。

图1 折板絮凝及平流沉淀池三维示意（单位：m）Fig.1 Vertical view of folded plate flocculation and horizontal flow sedimentation tank（unit：m）

1.2 地基概况

折板絮凝及平流沉淀池的平面和立面布置都较为规则，荷载分布较为均匀而且对地基的附加压力并不大，使用阶段的基底压力值为50kPa～75kPa。

《岩土工程勘察报告》所揭露的土层自上而下大致分布情况：第①层粉质黏土层，地基承载力特征值fak＝120kPa，压缩模量ES＝7MPa，层厚约2m；第②层粉质黏土层，地基承载力特征值fak＝80kPa，压缩模量ES＝4.5MPa，层厚约16m；再往下依次为压缩模量ES＝9MPa、厚度约3m的粉质黏土层，压缩模量ES＝6MPa、厚度约12m的粉质黏土层以及卵石层和强风化砂岩。

原场地地势平坦且自然地面与厂区设计地面高程相差不大，地质剖面图反映各土层厚度变化不大，土层分界线较为平坦。整体来说，场地和地基情况较为简单［2，3］。

根据此地质条件，结合折板絮凝及平流沉淀池的结构形式和荷载分布情况，设计时采用天然地基作为基础持力层，原地面清表后高程不足时采取回填级配砂石处理。

2 工程问题表现

2.1 问题初显及临时措施

本构筑物于2013 年8 月初建成后开始通水。通水后不久（约半月），便发现西侧池内侧壁板顶部在第二道变形缝附近区段开始发生较大水平位移变形，初始水平位移值为20mm～30mm。此后此处壁板顶部水平位移变形持续发展，到当年9月底便达到60mm～65mm，且变形缝两旁壁板顶部水平位移变形存在差异而呈现出水平错动，如图4 所示。当年12 月下旬将池放空，数日之后，观测到壁板顶部水平位移稍有回弹，但并未完全恢复。

当时，施工方等认为是地基方面的问题，遂对此处壁板变形较大部位对应的底板下方地基进行注浆加固。注入水泥浆20 多吨之后，壁板顶部水平位移又恢复约20mm，变形缝两旁壁板顶部水平错动仍然存在。施工方自行用钢板及对拉螺栓在变形缝处将两旁壁板夹紧以消除错动。东侧池外侧壁板壁板顶部在第二道变形缝附近区段也存在类似问题，但水平位移变形稍小约17mm左右，但存在继续发展趋势。施工方也采取了与西侧池内侧壁板顶部在第二道变形缝处相同的做法，采用钢板在变形缝处将两旁壁板夹紧以消除错动。

2.2 长期病害表现

此后数年，平流沉淀池在使用过程中持续出现各种影响正常使用的问题。问题主要表现在如下几个方面：变形缝渗漏，侧壁板变形位移明显且长期不能稳定，个别变形缝两旁壁板错动，刮泥机脱轨。其中，侧壁板变形缝共12 处，陆续有6 处以上发生过较为明显的渗漏问题。侧壁板变形明显且长期不能稳定的问题也较为普遍。除了前述两处变形缝附近侧壁板之外，后续有几段侧壁板陆续发生明显变形且长期不能稳定，主要集中在第一道变形缝至第三道变形缝之间的西侧池内侧壁、东侧池内侧壁及东侧池外侧壁。几处变形缝两旁壁板错动则主要因为两段壁板位移变形不一致造成。

由于侧壁板发生较大位移变形且数年一直未能达到稳定，导致池顶两根纵向钢轨间距持续缓慢增大，刮泥机每隔一段时间便发生脱轨现象，从而需要重新调整轨道位置。

2.3 运营监测及验算

该净水厂自2013 年8 月建成以来，由于服务片区供水一直紧张，水厂一直处于满负荷运行状态，折板絮凝池、平流沉淀池一直无暇放空检修（变形缝发生渗漏问题时，会不停水对渗漏处进行防渗修补）。2017 年～2019 年期间，数次委托第三方对平流沉淀池进行变形监测。监测结果表现为壁板在监测期间沉降位移微小且稳定，壁板顶部水平位移变形（壁板倾斜）明显且呈增大趋势。

由于壁板顶部水平位移过大，推测壁板内侧根部已有纵向贯通裂缝。2017 年11 月，曾将东侧平流沉淀池短时间放空后，到池内查看情况。由于供水紧张，仅允许放空数小时，池壁内侧表面未能冲洗干净，肉眼未能发现池壁表面裂缝。

壁板位移变形过大，究其可能的根本原因无非在两个方面：地基方面和池体结构自身方面。

按施工图对挡水墙侧壁板的承载能力及裂缝宽度进行验算，均满足规范要求［1，4］；将侧壁板按底部嵌固的悬臂构件按钢筋混凝土结构相关理论用结构力学的方法计算壁板顶部长期挠度（水平位移）［5，6］，结果不超过25mm。

3 变形分析

为找出平流沉淀池侧壁板顶部朝池外水平位移变形是否因地基问题引起，取平流沉淀池东侧池第二段（即第一道与第二道变形缝之间池体）或第三段作为分析对象，荷载仅池体自重及池内盛水压力两种。为方便分析，将池内盛水压力再次细分为底板上均布水压力（正常使用水深3.7m，即底板上均布水压力为37kPa）与侧壁板内侧沿竖向呈三角形分布的水压力（最大值37kPa）两种，将池体自重、底板上均布水压力、侧壁板内侧水压力三者分别单独计算分析。

3.1 侧向水压作用下变形

首先，分析池体在侧壁板内侧水压力作用下的变形。利用结构设计有限元分析软件midas Gen建模分析，将底板下边界条件按只受压的面弹性支承考虑。由于此情形下仅有对称的水平荷载、无任何竖向荷载，故底板下弹性支承基床系数的具体取值对池体变形几无影响，竖向位移变形仅看相对值即可。计算分析得：两侧壁板顶部均朝池外水平位移42mm，底板中心点处相对两侧壁根部朝上位移46mm，如图5 所示。

图5 池体在侧壁板内侧水压力作用下变形横断面示意（单位：m）Fig.5 Cross sectional view of the deformation of the pool body under the action of water pressure on the inner side of the side wall panel（unit：m）

3.2 竖向水压作用下沉降变形

第二步再分析池体在底板上均布水压力作用下的沉降变形。由于midas Gen 不太方便真实反映地基的沉降变形形态（若边界条件按底板下弹性支承考虑，底板沉降形态与土力学弹性半空间理论等明显不符），因此未采用midas Gen对池体在底板上均布水压力作用下的沉降变形进行分析，这也是为什么要将池体在几种作用下分开单独进行分析而未采用midas Gen 进行整体分析的原因。平流沉淀底板平面尺寸较大、厚度相对较薄，可视为柔性底板，其上作用均布面荷载，底板下土层层厚分布均匀，将底板下地基按《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）第5.3.5条的规定，以分层总和法计算底板下地基沉降变形［7-9］。计算时，考虑相邻一段池体底板上竖向压力荷载的影响，也即计算第二段池体底板邻第三段池体底板的中点和角点沉降时，考虑第三段池体底板上竖向压力荷载的影响（但暂时不考虑相邻另一座平流沉淀池的影响，以便对比），如图6 所示。

图6 地基沉降变形计算点平面示意Fig.6 Plan of calculation points for foundation settlement and deformation

计算结果表明池体底板端边中点处沉降量计算值为171mm，角点处沉降量计算值为106mm。即中点处相对角点处的相对沉降量为65mm。即底板沿横向呈中间大、边缘小的近似锅底形趋势沉降变形。在此沉降变形趋势下，若池体侧壁板根部与底板保持垂直夹角不变，则底板将带动悬臂侧壁板朝池内方向偏转，即侧壁板顶部朝池内产生水平位移。

上述地基沉降变形计算时，未考虑相邻的西侧池的影响。由于相邻的西侧池与作为分析对象的东侧池之间净距仅约4m，其影响实际上不可忽略。故将相邻的西侧池第二段及第三段正常使用时基底压力作为相邻堆载考虑后，再计算东侧池第二段池体底板邻第三段池体底板的中点和角点沉降，如图7 所示。

图7 考虑两座池相互影响的地基沉降变形计算点平面示意Fig.7 Plan of calculation points for foundation settlement and deformation considering the interaction between two tanks

计算结果表明池体底板端边中点处沉降量计算值为171mm ＋19mm ＝190mm，角点处沉降量计算值为106mm ＋61mm ＝167mm。即中点处相对角点处的相对沉降量为23mm。由此可见，考虑了相邻另一座平流沉淀池的影响之后，虽然底板横向中心点处与内侧边缘点处的沉降差有所减小，但底板沿横向呈中间大、边缘小的沉降变形形态并没有改变。在此沉降变形趋势下底板将带动悬臂侧壁板朝池内方向偏转。也就是说，在底板上均布水压力作用下，地基及底板的沉降变形将带动侧壁板顶部朝池内方向产生水平位移。换而言之，地基及底板的沉降变形并不促使、加剧壁板顶部朝外产生水平位移变形。

3.3 结构自重作用下变形

第三步分析在池体自重作用下的变形。此作用下池体的变形同底板上均布水压力作用下的变形类似，主要表现为地基沉降，池体随着地基沉降产生相应位移。池体自重还可以进一步再分成两部分：底板自重与壁板自重。在底板自重均布荷载作用下，地基及底板沿横向同样会呈中间大、边缘小的锅底形趋势沉降变形。但由于相对底板上均布水压力而言，底板自重产生的均布荷载极小，地基及底板的沉降变形也较小。在壁板自重作用下，壁板下方地基沉降相对底板横向中点处沉降略大，但相对于底板上均布水压力而言，产生的地基沉降同样较小。因此，池体自重作用下的沉降位移变形在两种重力作用下引起的变形中占比较小，不影响最终池体变形的整体趋势。

在侧壁板内侧水压力作用下，壁板顶部水平位移为朝池外方向呈扩张趋势；在底板上水压力及池体自重作用下，地基产生不均匀沉降将引起侧壁板顶部朝池内方向产生水平位移，将部分抵消内水压力作用引起的壁板顶部朝池外方向的水平位移。因此，壁板顶部水平位移过大及水平位移过大导致的刮泥机脱轨等长期病害究其根本原因不在于地基沉降或地基不均匀沉降，而应在于侧壁板自身结构方面。

3.4 实测验证及分析

2019 年9 月，该水厂的二期扩建工程建成，随即投入运行。此时，长期病害的一期平流沉淀池才得以放空检修。此时委托专业检测单位对底板面高程进行了测量并绘制了等高线，对池壁钢筋的分布情况进行了探测，对混凝土质量进行了检测。其中，底板沉降后底板面等高线如图8 所示，明显可见底板沉降变形后沿横向、沿纵向均呈现出中央低、边缘高的形态。

图8 沉降后实测底板面等高线示意Fig.8 Measured Contour line plan of bottom plate surface after settlement

池壁钢筋的分布经探测基本与施工图相符。池体混凝土强度采用回弹法进行检测并辅以抽芯法进行辅助对比，结论是混凝土强度能达到设计强度等级。但在几段变形较严重的侧壁板内侧靠近根部位置，肉眼发现了长达数米乃至数十米的纵向裂缝，裂宽在壁板表面处为0.26mm～3.4mm。在裂宽较大处以铅丝探裂缝深度，一般可达20mm，最深处近50mm。

由此，基本上可以认定为壁板顶部水平位移过大系壁板自身变形、根部裂缝造成。因壁板钢筋并未缺漏，所抽检的混凝土强度符合设计要求，而壁板结构自身的承载能力计算、裂缝宽度及挠度验算均满足规范要求，推测壁板靠近根部部位在混凝土浇筑及养护时可能留下了缺陷。

4 加固处理方案

首先对侧壁板根部的纵向裂缝采用改性环氧树脂进行修补。之后在平流沉淀池内底板上、侧壁板内侧均施工0.15m厚钢筋混凝土叠合层［10］，典型的横断面如图9 所示。

图9 平流沉淀池叠合层加固横断面示意Fig.9 Cross section view of composite members for horizontal sedimentation tank

底板叠合层与壁板叠合层在原池体变形缝处断开设变形缝并增设一道埋入式橡胶止水带，保留了池体原变形缝的功能且加强了变形缝的止水防渗。

为保证叠合层与既有结构共同受力（主要发挥抗弯性能），除了将新旧混凝土接触面打毛处理之外，还在既有底板、壁板与叠合层的接触面上纵横布置植入短钢筋作为抗剪键。壁板内侧叠合层的竖向钢筋在下端植入既有底板深0.3m，此钢筋根部的锚固问题是本工程加固的关键之处，因为它直接关系到壁板加固后的抗弯能力。为此，在壁板叠合层与底板叠合层相交转角处设置了竖向腋角并设置了斜筋，如图10 所示，让斜筋两端充分锚固在底板叠合层和壁板叠合层中，进一步增强壁板叠合层根部的抗拉能力及可靠性。

图10 壁板叠合层根部做法详图Fig.10 Detailed drawing of the construction method for the root of the composite member of the wall panel

折板絮凝及平流沉淀池于2020 年第一季度完成加固施工并再次投入运行，截至2023 年7月已运行三年多，状况良好。

5 结语

1.本工程中平流沉淀池侧壁板顶部水平位移变形过大导致刮泥机不能正常运行，系壁板结构自身变形过大且长期不能稳定所导致，其具体因素可能是多方面的，而与地基问题基本无关。

2.鉴于本工程案例，平流沉淀池悬臂式侧壁板的变形问题从设计及施工角度均应予以重视，可在如下方面考虑：（1）设计时应特别注意壁板的刚度问题；（2）在壁板根部设竖向腋角可改善壁板根部受力状态；（3）安装刮泥机轨道时可考虑将两侧壁顶部水平相对位移值预留（或部分预留）在轨距中；（4）可使用一段时间且变形基本稳定后再根据需要调整刮泥机轨距；（5）保证混凝土浇筑和养护质量。