结构稳定性与污水处理构筑物设计

2024-05-21薛线妮

中国建筑金属结构 2024年4期

薛线妮

（遵义众惠工程检测有限责任公司，贵州遵义 563000）

0 引言

在污水处理领域，构筑物的设计和结构稳定性至关重要，随着城市化进程的不断加快和人口的持续增长，污水处理设施的需求日益迫切。在设计污水处理构筑物时，结构稳定性是至关重要的考虑因素，不仅涉及构筑物的抗压、抗震、抗风等力学性能，还包括对于污水处理工艺的支撑和保护。因此，本文提出了一套全面而有效的污水处理构筑物结构稳定性设计方案，综合考虑了材料选择、结构设计、施工工艺等多方面因素，旨在提高构筑物的结构稳定性和耐久性。

污水处理构筑物作为城市基础设施的关键组成部分，近年来随着环境保护意识的提升和污水治理技术的不断进步，受到了广泛关注，其结构稳定性直接关系到污水处理的效率和环境保护的效果。当前，污水处理构筑物设计领域的研究呈现出蓬勃发展的态势，学者们在材料选择、结构设计、施工工艺等方面进行了大量探索和实践。例如，根据王晓义[1]（2024）的研究，城市污水处理厂扩容池体接缝施工技术方面的探讨，认为在污水处理厂扩容工程中，池体接缝施工技术是一个关键环节。李贵[2]（2023）的研究提到了垫衬法在市政雨污水管道修复工程中的应用，强调了该方法的有效性和实用性。李楠[3]（2022）提出了一些设计原则和策略，用以应对可能出现的意外情况。综合以上文献的内容，可以发现在污水处理构筑物设计中，结构稳定性至关重要。王晓义的研究指出了在污水处理厂扩容工程中，池体接缝施工技术的重要性，而李贵的研究则为市政雨污水管道的修复提供了一种新的方法。李楠的研究则提供了针对事故水池设计的一些策略和思路。在这些研究的基础上，总结出在污水处理构筑物设计中，需要充分考虑结构的稳定性，采用先进的施工技术和修复方法，以应对各种可能出现的问题和意外情况。

1 结构稳定性与污水处理构筑物优化设计的重要性

1.1 确保构筑物安全稳定运行

结构稳定的构筑物，能够抵御各种自然和人为因素带来的挑战，如地震、风雨侵蚀、水流冲击等，通过优化设计，可以确保构筑物的各个部件之间连接紧密、牢固，能够承受住各种外力的考验，优化设计还能够提高构筑物的抗腐蚀性和耐久性，减少因材料老化或环境因素导致的结构损坏，这样构筑物就能够长期保持其稳定性和功能性，为污水处理的持续运行提供坚实的保障。在污水处理过程中，构筑物内部往往承载着大量的污水和污泥，这些物质具有一定的腐蚀性和毒性，如果构筑物的结构不稳定，就可能出现泄漏、坍塌等安全事故，会对环境造成二次污染，甚至对人员的生命安全构成威胁。因此，通过优化设计，不仅可以确保构筑物的结构强度和密封性，防止污水和污泥的泄漏和溢出，还可以优化构筑物的通风和采光设计，改善工作环境，减少安全隐患，确保建筑物能够在安全稳定的状态下运行，为污水处理工作的顺利进行提供有力的保障。

1.2 提高污水处理效率与效果

科学规划，构筑物内部空间布局、水流通道、沉淀区域，可确保污水在构筑物内的流动更加顺畅，减少因结构问题导致的流速减缓或涡流现象。顺畅的水流意味着污水中的污染物能更快地与处理介质接触并发生反应，从而提高了处理效率，稳定的结构还能减少构筑物在运行过程中的振动和变形，保持处理设备的稳定运行，避免因设备故障导致的处理效率下降。优化设计不仅体现在结构布局上，更包括材料选择、工艺参数设置等多个方面，通过选用耐腐蚀、耐磨损的材料，可以延长构筑物的使用寿命，减少因材料老化导致的处理效果下降，在工艺参数设置上，通过精确计算和实践验证，找到最佳的处理条件，如pH 值、温度、曝气量等，最大程度发挥处理工艺的效能。优化设计还可以考虑引入先进的处理技术和设备，如生物膜技术、膜分离技术等，这些新技术和设备的引入能够显著提高污水处理的效率和质量，使出水水质更加稳定、达标率更高。

1.3 降低建设与运营成本

结构稳定的构筑物，在建设过程中能够减少材料浪费和施工难度，通过精确计算和模拟分析，可以在设计阶段就优化构筑物的结构布局和受力体系，确保在满足功能需求的同时，实现材料的最优利用，不仅降低了材料成本，还减少了施工过程中的返工和修复工作，节省了人力和时间成本，结构稳定的构筑物在使用过程中更加安全可靠，减少因结构问题导致的安全事故和维修费用，降低建设成本。通过精确计算和模拟分析，可以在设计阶段就找到最优化的处理工艺和参数设置，使构筑物在运行过程中更加高效节能，例如，通过优化水流通道和曝气装置的设计，减少能耗和药耗，降低运行成本，同时，优化设计还可以考虑引入智能化管理系统和自动化控制设备，实现对构筑物运行状态的实时监控和智能调控，提高运行效率并降低成本，延长构筑物的使用寿命和维护周期，减少维护费用，降低运营成本。

2 结构稳定性与污水处理构筑物设计

2.1 材料选择与优化

从材料的物理性能来看，需要选择具有高强度、耐腐蚀、耐磨损、耐老化等特性的材料，这些特性能够确保构筑物在长期的污水环境中，依然能够保持结构的稳定性和完整性，高性能混凝土在污水处理构筑物中的应用情况如表1 所示。例如，高性能混凝土就是一个很好的选择，它具有较高的抗压强度和抗渗性能，能够有效抵抗污水中的化学物质的侵蚀；还可以通过优化混凝土的配合比和添加特殊的掺合料，提高其性能。

表1 高性能混凝土在污水处理构筑物中的应用情况

除了物理性能外，还需要考虑材料的环保性能，随着环保意识的不断提高，污水处理构筑物的设计也需要更加注重环保，因此，应优先考虑那些环保性能好的材料，如可回收、可降解的材料，这些材料不仅能够减少对环境的污染，还能够降低构筑物的运营成本。例如，使用某些新型环保型复合材料，不仅具有优异的物理性能，而且在使用完毕后还可以进行回收和再利用，实现资源的循环利用。在考虑环保性能的情况下，设计材料选择指标（MCI），计算方式如公式（1）所示：

其中：MCI 为环保性能综合指数；R 为可回收性能评分；D 为可降解性能评分；C 为运营成本评分；L 为寿命周期评分。该公式综合考虑了可回收性、可降解性以及运营成本等因素，使材料选择更加全面和环保。优化材料的使用方式也是提高构筑物结构稳定性的重要手段，通过合理的结构设计，减少材料的使用量，提高材料的利用率。例如，在构筑物的关键部位，采用加强筋或预应力等方式，来提高结构的承载能力。还可以优化施工工艺，减少施工过程中的材料浪费和损耗，降低构筑物的建设成本，能够提高其结构稳定性。

2.2 结构设计创新

引入先进的结构设计理念和方法，提升构筑物的结构稳定性，传统的结构设计往往过于保守，过于依赖经验公式和静态分析方法，难以应对复杂多变的受力条件和环境因素，借助有限元分析、拓扑优化等先进的计算方法和软件工具，对构筑物的结构进行精确建模和仿真分析，考虑结构在多种荷载作用下的动态响应和变形情况，发现潜在的结构问题并进行优化改进；还可以借鉴其他领域的先进结构设计理念，如航空航天、桥梁工程等，将其应用于污水处理构筑物的设计中，提升其结构性能和稳定性，先进结构设计理念和方法在污水处理构筑物中的应用情况如表2 所示。

表2 先进结构设计理念和方法在污水处理构筑物中的应用情况

采用新型的结构形式和构造方式，增强构筑物的结构稳定性，传统的污水处理构筑物往往采用简单的梁板柱结构，其结构形式单一，难以适应复杂多变的受力需求，可尝试采用新型的结构形式，如空腹结构、悬挂结构等，这些结构形式能够更好地承受复杂荷载和变形要求；还可以通过改进节点的连接方式、增加支撑构件等措施，提高构筑物的整体刚度和稳定性，提升构筑物的结构性能，降低其建设成本和维护成本，实现经济效益和社会效益的双赢。以空腹结构为例，以其独特的受力机制和优越的结构性能，在污水处理构筑物设计中展现出巨大的应用潜力，这种结构形式通过合理布置空腹梁、空腹板等构件，形成一个连续、稳定的空间受力体系，能够有效分散和承受来自各个方向的荷载。某污水处理厂的处理池采用了空腹结构进行设计，该处理池长50m，宽30m，深6m，需承受来自水体、设备、土壤等多方面的复杂荷载。在设计过程中，根据受力分析和计算，确定了空腹梁和空腹板的尺寸、数量和布置位置，通过专业的结构设计软件进行了模拟分析和优化，确保结构在承受复杂荷载时能够保持稳定。实际施工过程中，采用预制构件和现场拼装的方式，提高施工效率和质量，并对关键节点和连接部位进行了特殊处理，确保结构的整体性和稳定性。经过实际应用和监测，该处理池在投入使用后表现出良好的结构稳定性和承载能力，与传统的梁板柱结构相比，空腹结构在处理池的变形控制、裂缝开展等方面均表现出明显的优势，具有较高的经济性和环保性，为污水处理厂的长期稳定运行提供了有力保障。

2.3 地基处理与基础设计

由于污水处理构筑物通常建设在地质条件复杂、土壤承载力较低的地区，因此，地基处理显得尤为重要，应通过地质勘探，详细了解地下土层的分布、性质以及潜在的不良地质现象，根据勘探结果，制定针对性的地基加固方案，污水处理构筑物地基处理情况如表3 所示。例如，对于软土地区，采用桩基加固法，通过打入或钻孔灌注的方式，将桩身深入到承载力较好的地层中，提高地基的整体稳定性；还可以结合土壤改良技术，如添加固化剂、排水固结等，改善土壤的物理力学性质，增强其承载能力，有效提高地基的稳定性，够降低构筑物因地基问题而产生的沉降、变形等风险[4]。

表3 污水处理构筑物地基处理情况

传统的污水处理构筑物基础通常采用条形基础或独立基础，这些基础形式虽然简单实用，但在面对复杂的地质条件和较高的承载力要求时，往往显得力不从心。扩大基础是一种更为灵活和高效的基础结构形式，通过在构筑物底部设置较大的承台，将上部结构的荷载分散到更大的面积上，降低对地基承载力的要求，还能根据地质条件的变化进行灵活调整，如改变承台的形状、尺寸和埋深等，适应不同地层的承载特性，提高构筑物的结构稳定性的同时，简化施工工艺、降低建设成本，实现经济效益和社会效益的双赢[5]。

2.4 荷载分析与抗震设计

传统的荷载分析往往只考虑构筑物自身的重量和常规的活荷载，然而在实际运营过程中，污水处理构筑物还会受到多种复杂荷载的作用，如风荷载、雪荷载、地震荷载等，对构筑物进行全面的荷载分析，充分考虑各种可能的作用力，结合构筑物的实际使用情况，对荷载进行动态调整和优化，污水处理构筑物全面荷载情况如表4 所示。例如，在污水处理过程中，构筑物的内部水位会发生变化，对结构产生额外的压力，需要根据水位的变化情况，对荷载进行实时调整，确保构筑物的结构稳定性[6]。

表4 污水处理构筑物全面荷载情况

地震是一种不可预测的自然灾害，对污水处理构筑物的安全构成严重威胁，需要在设计中充分考虑地震的作用，采取有效的抗震措施。例如，采用隔震技术，设置隔震层或隔震支座，减少地震对构筑物的直接影响，加强结构的整体性，合理布置梁、柱、板等构件，形成稳定的结构体系，提高构筑物的抗震性能；还应关注新材料和新技术的应用，如高性能混凝土、纤维增强复合材料等，这些新材料具有更好的抗震性能，有效提高构筑物的结构稳定性[7]。