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污水處理項目設計特點分析

文檔作者：潘誼文檔來源：中國昆侖工程公司		點擊數：	更新時間： 2024年04月29日
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第40卷第2期
2013年2月
建筑技術開發
Building Technique Development
Vo1．40，No．2
Feb．2O13
污水處理項目設計特點分析
潘誼
(中國昆侖工程公司，北京 100037)
[摘要] 介紹污水處理項目中的結構設計要點，通過實例說明在不同的情況下，如何更好地合理優化方案，優化設計，
以達到節約投資的目的。
[關鍵詞] 污水池；結構優化；方案布置
[中圖分類號] TU318 [文獻標志碼] A [文章編號] 1001—523X(2013)02—0013—05
1 概述
新世紀以來，國家大力提倡可持續發展和循環
經濟，在環保節能領域加強了投入與監管，一大批生
活污水和工業污水處理項目紛紛上馬。在污水處理
項目中，土建成本占總成本的比例在30％ 以上。因
此，如何根據污水處理項目的類型、規模選用合理的
結構方案、防腐方案、試水方案對實現項目的總體經
濟目標有著舉足輕重的意義。本文從優化設計、節
約成本的角度出發，試從以下幾個方面對污水設計
項目進行適當的總結。
2 平面布置
在滿足工藝和總圖要求的前提下，池體的平面
布置應盡量成正方形，這基于一個簡單的數學原理：
在同樣面積的情況下，形狀越接近正方形，邊長之和
越短。對應到水池來說就是在底板面積相等的情況
下，池壁最短，能最大限度的控制成本，如圖1和圖
2的比較。
40 000
圖1 長方形水池平面
— — — —
— — — —
圖2 正方形水池平面(合理方案)
收稿日期：2012—11—15
作者簡介：潘誼(1981-)，男，重慶人，畢業于重慶建筑大學，工程師
(一級注冊結構工程師)，現從事結構設計工作。
對于多格水池而言，布置上盡量成正方形，除了
上述的優勢外，更是計算的需要。以事故調節池為
列，實際工程上曾分別采用過兩種做法，如圖3和圖
4所示。
事故池
調節池
調節池
圖3 事故調節池平面(合理方案)
事故池 調節池 調節池
圖4 事故調節池平面(不合理方案)
圖4中調節池和事故池呈長向布置，三格水池
間共用池壁少，最終池壁工程量遠大于圖3的做法。
另外還有一個重要的原因，圖4的布置長邊遠遠超
過規范所允許的長度(長邊有可能超過120 m)，因
超長產生的溫度應力和混凝土的收縮會對池體產生
嚴重的影響，即使設置膨脹加強帶也不足以消除這
種影響。唯一能夠實現的方法就是沿池壁水平向布
置大量的預應力鋼筋來消除超長產生的附加應力。
但是，如超長太多，即使使用預應力鋼筋，也會因超
長張拉產生大量的預應力損失而達不到目的，因此，
這種過長的水池一般應設置后澆帶，在后澆帶處設
置張拉點。然而這種復雜的設計方案和繁瑣的施工
過程，不僅造價偏高，而且會嚴重影響了工期，所以
應盡量避免采用這種方案。
采用如圖3的布置方案既能使池壁的工程量偏
少，又能避免超長產生的諸多問題。一般邊長控制
13
第2期 潘誼：污水處理項目設計特點分析 第40卷
在80 m以內，通過設置一定的膨脹加強帶，可實現
一次澆筑、一次預應力張拉。
在項目初設階段，工藝和土建的人員應及早溝
通，使平面布置盡量規則，排出合理的平面方案。
3 水池底板以及地基處理
水池對地基土承載力要求一般不太高，即使是
池高最高的厭氧池、射流池等，水深一般都在10～
11 I'／1左右，地基承載力特征值如達到150 kPa就能
滿足要求。中密以上的砂土、粉土、可塑以上的粘土
一般都能滿足設計要求。此時水池的底板可設計為
變斷面，與池壁連接的部分底板可按擋水墻來設計，
底板的厚度及寬度按計算取值即可。而大面積的水
池中部底板僅僅起一個傳力的作用，底板可以按構
造取，一般250～300 mm厚即可。這樣不僅能節約
大量的混凝土用量，而且還能避免做成等厚的底板。
鋼筋需按截面厚度的最小配筋率控制時，人為的加
大配筋，會造成不必要的浪費。
但是在沿海、沿江地區，地表土往往松散，甚至還
有不少淤泥，表層土地基承載力特征值一般小于
100 kPa，不能滿足設計要求，因此需對地基土進行處
理。常用的基礎設計方案有兩種，如圖5、圖6所示。
圖5 池底板與樁的連接詳圖
1一池壁
圖5是一種常規的處理方案，即采用樁筏基礎。
池體荷載由樁承載，這種方法與框架結構的承臺類
似。優點是質量可靠，施工速度快。弱點是底板的
厚度往往由樁對底板的沖切來控制，池中部的底板
圖6 復合地基處理后的底板布置
1一池壁；2一與池壁連接處底板厚度根據計算需要取；
3～減薄處構造底板；4～250 mm厚褥墊層
不能減薄，一般需500 mm厚以上，這就大大增加了
混凝土的用量。
圖6是一種安全可靠、經濟合理的基礎方案。
此方案是運用復合地基的概念，充分發揮樁和樁間
土的協同作用?！督ㄖ鼗幚砑夹g規范》(JGJ 79—
2002)中(9．25)計算公式如下：
R
。k=m S- + (1一m) 。k
，lP
。
一復合地基承載力特征值(kPa)；
m一面積置換率；
。
一單樁豎向承載力特征值(kN)；
A 一樁的截面積(m )；
一樁間土承載力折減系數，宜按地區經驗取
值，如無經驗時可取0．75～0．95，天然地基
承載力較高時取大值；
廠Rk一處理后樁間土承載力特征值(kPa)，宜按
當地經驗取值，如無經驗時，可取天然地基
承載力特征值。
圖6中的樁一般可采用兩種類型，即半剛性樁
(如水泥土攪拌樁)和剛性樁(如預應力管樁)，在
樁頂鋪設200～300 mm厚的碎石或砂石褥墊層以
保證樁土的協同工作。水泥土攪拌樁和預應力管
樁的特點及與圖5的樁筏基礎的比較詳見表1。
表1 水泥攪拌樁、預應力管樁與樁筏基礎的比較
樁型 直徑／mm 樁間距／mm 每米造價／元 樁長 綜合成本比較 優點 缺點
水泥土 經濟、質量較可 水泥土強度增長
500 1 000～1 500 60—70 短 水泥土攪拌樁的 需要一定時間，至少
復合 攪拌樁 靠，可做變斷面底板
地基
每平米造價約為為 28 d以后方可檢測
預應力 管樁的70％ ～80％ 質量可靠
， 可做變 造價比攪拌樁
400 1 500—2 000 120一l40 短
管樁 斷面底板 略高
預應力 400
造價最高，底板必
樁筏 2 000—3 000 140—180 長 成管 本相 當高 質量可靠 須做成 等厚，浪費鋼
樁 500
筋和混凝土
14

第2期 潘誼：污水處理項目設計特點分析 第40卷
要求的前提下應盡量把池壁頂端設計成彈性支承或
不動鉸支承，這樣不僅優化了設計模型，而且達到節
省土建成本的目的。
5 池壁超長的解決方案和伸縮縫的設置
相對于普通框架結構而言，水池的施工屬于大
體積混凝土施工。在混凝土節水排水工程中，水泥
水化熱的溫升溫降、環境溫度的季節變化、人池污水
的溫度變化、混凝土中的濕度變化以及混凝土自身
的收縮變形等均可導致混凝土體積的變化。對體量
較大的混凝土構筑物，其體積的變化可在結構中產
生很大的次應力而使混凝土產生開裂甚至破壞。在
污水處理項目中，很多池體如：事故調解池、厭氧池、
曝氣池、生物濾池、均質池等都是大型池體，長度多
在50～100 m范圍內，其長度和寬度都超過了《給水
排水工程構筑物結構設計規范》(GB 50069—2002)
第6．2．1條的規定，即露天水池伸縮縫的距離不得
超過20 m。為了解決超長帶來的種種問題，主要有
以下幾種方法。
5．1 設置伸縮縫
從壁板到底板整體斷開，伸縮縫處設橡膠止水
帶。這種方法能有效的避免超長產生的次應力，但
也帶來了相當多的伴生問題。
1)當地基土承載力較差時，縫兩側的底板可能
產生不均與沉降，一定量的位移就可以將止水帶拉
裂，造成漏水。
2)施工困難，很難將止水帶的止水球放在縫中
間的位置，一旦位置不準，止水球就是失去了吸水膨
脹的能力，造成漏水。
3)橡膠止水帶耐久性差，使用期間隨著時間的
延長，橡膠的止水帶會老化，性能會逐漸降低，池體
澆筑成形后無法對止水帶進行更換。
4)如果一定要采取設縫的方案，應盡量底板不
設縫，池壁設縫。若選擇了底板設縫的方案，底板縫
一定要有別于其它類型的縫，如圖10所示。
16
圖10 底板伸縮縫做法
5．2 設置膨脹加強帶
全池混凝土中添加膨脹劑，同時每隔一定距離
設置膨脹加強帶。膨脹劑加入混凝土中后，與水泥
水化物反應產生大量礦相，使混凝土產生微膨脹，由
于受到鋼筋等限制，使混凝土產生0．2～0．8 MPa的
預應力，有效地補償了混凝土的干縮和冷縮；同時水
化生成的大量礦相具有填充毛細孔縫的作用，使毛
細孔變細、減少，增加了密實性，從而提高了混凝土
的抗裂防滲性能。通過近幾年的工程實踐，得出了
在不設置伸縮縫的前提下膨脹加強帶的設置間距，
詳見表2。
表2 膨脹加強帶的設置
池邊長 20 Ill以內 20～40 in 40—60 m 60 in以上
膨脹 間距約20 m一道，
加 不用設 設一道 設兩道 同時設水平預
強帶
應力筋
綜上所述，在污水處理項目中，通過合理化布置
水池的平面以減小長邊尺寸，所有的水池都可以采
用不設置伸縮縫的方案。
6 大型水池整體方案布置實例
在與相關專業充分溝通，并取得一致意見的前
提下，進行平面布置、底板方案、池壁方案優化以后，
整體方案基本上就可確定。以中石油遼陽石化污水
某大型水池為例，整體布置如圖11。
通過設置扶壁柱及壓頂水平圈梁，將壁板單元
由9 m高的下部固端、頂部自由的板單元分隔成i
邊固端，頂部不動鉸支承的板單元，大大減小了池壁
板的厚度。同時在池中部也設柱，池頂兩個方向均
設置拉梁，使整個池體單元整體剛度大為加強，受力
體系更加明確。
7 ANSYS計算軟件和預應力在水池中的應用
水池尤其是多格水池，其工況多、應力曲線分布
復雜。目前專門針對水池設計的專業軟件還很不成
熟。對于簡單的水池，尚可以依靠簡單程序或人工
計算，但復雜池體需要進行多次迭代，需耗費大量的
時間才能得出較為簡單的應力分布曲線，工作效率
很低。目前對于復雜的水池主要是采用ANSYS通
用軟件對其進行有限元分析，其計算結果比較準確。
但由于ANSYS是通用軟件(廣泛應用于壓力容器、
航天等領域)，其前處理比較復雜。圖11是運用
ANSYS軟件得出的USAB厭氧池應變分析結果。
第40卷 潘誼：污水處理項目設計特點分析 第2期
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圖10 水池整體布置實例
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圖11 運用ANSYS軟件得出的USAB厭氧池
應變分析結果
PTA污水和煉油污水領域內，主要的池體如事
故調節池、UASB厭氧池、射流曝氣池、生物濾池等
液位水池高度均在8～11 m之間，彎曲應力過大，一
般在8～10 MPa之間，按照常規的鋼筋混凝土計算
壁厚一般會達到600～800 mm左右，鋼筋的配筋率
也較高。同時混凝土鋼筋長期處于高應力狀態，加
上池體體量巨大，從長期使用過程較來看，未施加預
應力的水池裂縫開展較大。因此此類水池一般應鋪
設預應力鋼筋。預應力鋼筋承擔基本組合下的全部
拉應力，并承擔標準組合下裂縫的控制作用(一般
水池配筋由裂縫驗算控制)，非預應力鋼筋只按構
造配筋即可。
1)裂縫控制等級為二級。一般要求不出現裂縫
的構件，在荷載效應標準組合下拉應力小于混凝土
軸心抗拉強度標準值，or。 一or。。≤ 。
2)池壁、扶壁柱、壓頂圈梁預應力筋采用無粘
結低松弛鋼絞線，直徑l5．2 mm，抗拉強度標準值
1 860 MPa。
3)預應力筋當采用有粘結低松弛鋼絞線時，直
徑15．2 mm，抗拉強度標準值1 860 MPa。
4)鋼絞線控制應力取6? =0．75廠D ，長池壁中
預應力損失按35％計，即每束預應力筋有效張拉力
為127 kN，短池壁和梁中預應力損失按30％ 計，即
每束預應力筋有效張拉力為137 kN。
8 結論
1)污水處理工程的土建工程造價占工程總成
本的比例高，項目開展初設階段就應明確結構布置，
以達到優化方案、控制總投資的目的。
2)在結構和工藝人員充分溝通，不影響管道及
設備布置的前提下，盡量使水池的平面布置有利于
結構的受力和截面的優化。
3)由于缺乏專門系統的水池結構計算軟件，因
此計算模型應力求簡化。對于超長、超高、水溫較高
的水池應使用ANSYS進行計算。
參考文獻
[1]建筑地基處理技術規范(JGJ79—2002)
[2]給水排水工程構筑物結構設計規范(GB 50069—2002)
[3]給水排水工程鋼筋混凝土水池結構設計規程(CECS 138：2002)
[4]給水排水工程結構設計手冊編委會，給水排水工程結構設計手
冊，2006
[5]無粘結預應力混凝土結構技術規程(JGJ 92—2004)
[6]預應力筋用錨具、夾具和連接器應用技術規程(JGJ 85—2002)
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