向仍勇

（中機國際工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司 湖南長沙　410007）

污水處理廠生物池結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

向仍勇

（中機國際工程設(shè)計研究院有限責(zé)任公司 湖南長沙410007）

隨著我國社會經(jīng)濟的發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的進步，污水處理技術(shù)水平有了很大的提高，有效改善了我國的水環(huán)境。作為污水處理的主要載體，污水處理廠建設(shè)顯得十分重要，其中，生物池的結(jié)構(gòu)設(shè)計引起了諸多專家學(xué)者的研究。本文結(jié)合具體的工程實例對生物池結(jié)構(gòu)設(shè)計特點及設(shè)計要點進行了分析，供相關(guān)人士參考。

污水處理廠；生物池；結(jié)構(gòu)設(shè)計

引言

生物池是污水處理廠的主要組成部分，其設(shè)計較為復(fù)雜，涉及了許多計算和模型的建立，因此，需要對其進行綜合考量，保證計算的準確性，同時需要對建設(shè)對象進行所有資料的收集和整理，在此基礎(chǔ)之上，才能保證生物池設(shè)計的合理性。下面就對其進行詳細闡述。

1　工程概述

某污水處理廠規(guī)劃旱季的總工程規(guī)模為30×104m3/d，分為近期和遠期兩個建設(shè)階段，近期工程旱季的規(guī)模為15×104m3/d，在雨季其規(guī)模為45×104m3/d，近期建設(shè)生物池數(shù)量為兩座，每座生物池的平面尺寸為123.8m×60.43m，池子的總深度為8.45m。生物池底板位于場地設(shè)計地面下2.7m，是地面式有蓋鋼筋混凝土水池。

2　場地工程地質(zhì)條件

該污水處理廠位于山區(qū)，靠近河流，場地的東側(cè)、西側(cè)以及南側(cè)都是低山丘陵，北側(cè)是河流。根據(jù)相關(guān)地質(zhì)勘察報告顯示，該場地抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，設(shè)計基本地震加速度值為0.10g，設(shè)計基本地震組為第一組，場地土類型為中軟～中硬土，建筑場地類別為Ⅱ類。場區(qū)內(nèi)覆蓋著較厚的人工填土和淤泥質(zhì)土，經(jīng)過基本處理之后，場區(qū)內(nèi)的地基承載力特征值大于等于120kPa，滿足生物池的建設(shè)需求。該場地有較為豐富的地下水資源，與地表水呈互補的關(guān)系，地下水位取場區(qū)設(shè)計地面下1.0m。

3　生物池結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1結(jié)構(gòu)整體設(shè)計

該生物池的規(guī)模較大，為了保證其在投入使用期間的安全性和穩(wěn)定性，需要設(shè)置適宜溫度變化的伸縮縫。設(shè)計要求沿著縱向?qū)⒃摻Y(jié)構(gòu)分為10個版塊。設(shè)置變形縫之后，每個板塊縱向尺寸≤25m，橫向尺寸≤30m。另外，在鋼筋混凝土池體中摻入具有抗裂功能的防水劑外加劑，變形縫之間用橡膠止水帶、低發(fā)泡聚乙烯嵌縫板、低模量雙組份聚硫密封膠進行填充。其結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。

本文針對如圖2所示的版塊進行重點分析。

3.2生物池頂板結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)設(shè)計要求，生物池池頂需要設(shè)置封閉頂板，這樣可以高效收集廢氣；生物池曝氣管和廢氣收集管都是布置在頂板上的，且加以綠化布置，覆土的厚度大約在800mm左右。

圖1　單座生物池結(jié)構(gòu)布置示意圖

圖2　生物池典型區(qū)塊剖面示意圖

3.2.1頂板結(jié)構(gòu)形式

該生物池的頂蓋是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，按照其和池壁的連接方式，可將其分為現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)以及裝配式結(jié)構(gòu)兩種。其中，裝配式結(jié)構(gòu)又可以按照材料的不同分為預(yù)制鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)以及膜結(jié)構(gòu)等。對于裝配式結(jié)構(gòu)來說，現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)優(yōu)點較多，如整體性能好、抗震能力強、頂板孔洞根據(jù)工藝要求布置靈活等等，對于殼、膜、桁架等結(jié)構(gòu)來說，現(xiàn)澆鋼筋混凝與結(jié)構(gòu)頂板的頂面比較平整美觀，可以承受較大的外力作用，當前的施工技術(shù)水平較高。因此，該生物池頂板采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。現(xiàn)澆鋼筋混凝土頂板按照其受力形式的差異，可以分為無梁板式和梁板式。對于生物池設(shè)計和施工來說，其中隔墻布置必須規(guī)則分布均勻，因此會將中隔墻作為頂板支座，并沿著池體橫向設(shè)置4跨連續(xù)梁，將頂板布置為雙向板。連續(xù)梁平面布置需要對池體變形縫間距、頂板預(yù)留檢修孔觀察窗空定位等作慎重考慮，其基本考量標準是梁間距不能大于梁跨。該工程頂板梁局部平面布置如圖3所示。

圖3　頂板梁局部平面布置示意圖

3.2.2頂板結(jié)構(gòu)計算

該工程頂板梁的尺寸設(shè)計為300mm×800mm，頂板的厚度定為250mm?；炷恋燃墳镃30，保護層厚度為40mm。頂板按照2邊簡支（梁邊）、2邊固定（隔墻邊）雙向板進行計算，并且為了防止出現(xiàn)裂縫，采用雙層雙向配筋，計算配筋為上下雙層φ12@100。梁采用4跨連續(xù)梁，連續(xù)梁的尺寸為300mm×800mm，其計算結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　 4跨連續(xù)梁計算結(jié)構(gòu)示意圖

3.3生物池外壁結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.3.1池壁結(jié)構(gòu)計算模型的選擇

生物池底板厚度大于池壁的厚度，底板厚度為700mm，池壁厚度為600mm，并且還有1.0b的外挑，其剛度大于池壁剛度10倍，所以，池壁下段固結(jié)與底板。頂板厚度為250mmm，和池壁相較而言，剛度較小，但是和池壁組成整體現(xiàn)澆，并且頂板鋼筋會錨入池壁，所以池壁上算按照彈性固定來進行設(shè)定。計算內(nèi)容主要包括：分別對池壁和頂板進行構(gòu)件計算，節(jié)點處不平衡彎矩按照轉(zhuǎn)動剛度進行分配調(diào)整。

3.3.2池壁結(jié)構(gòu)計算

對單向板外池壁受力情況進行分析，當池內(nèi)有水、池外沒有土?xí)r，池內(nèi)壁作用下的計算和單位板寬彎矩標準值都如圖5～6所示。

圖5　池壁水壓作用下計算簡圖

頂板節(jié)點處彎矩分別是由連續(xù)梁和雙向板進行傳遞的，經(jīng)過詳細計算，連續(xù)梁傳遞彎矩標準值時430kN·m，雙向板是27kN·m。據(jù)對其受力影響范圍的估算，單位板寬頂板傳遞壁處節(jié)點彎矩標準值是M=430/4.7+27=118kN·m。由于節(jié)點處的不平衡彎矩較小，為6kN·m，可以直接忽略。頂板支座處的剪力標準值就是池壁上端軸向壓力值，計算結(jié)果為100kN/m。按照混凝土等級C30進行估算，外層水平筋保護層的厚度為40mm，偏心受壓構(gòu)件計算配筋，得出的結(jié)果為：池壁內(nèi)側(cè)上算配φ20@100mm，裂縫的寬度為w=0.100mm；池壁內(nèi)側(cè)上端配筋為φ20@200mm，裂縫的寬度w=0.200mm；池壁外側(cè)配筋為φ20@200mm，裂縫寬度w= 0.141mm。

圖6　池壁水壓作用圖彎矩

3.4生物池底板結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.4.1底板結(jié)構(gòu)計算模型選擇

底板地基是處理后的填土層構(gòu)成的，地基承載力要≥120kPa，假設(shè)地基反力分布式均勻的。底板鉸支于池壁之上，外池壁彎矩會隨著構(gòu)造傳遞給地板，底板取單位寬截條，按照四跨連續(xù)梁進行計算。

3.4.2底板結(jié)構(gòu)計算

底板結(jié)構(gòu)計算如圖7所示。

圖7　底板結(jié)構(gòu)計算簡圖

其中，均布反力P1=40.29kPa，池壁傳來的彎矩M1=-223kN·m，池壁傳來的軸向拉力為255kN，得出的最大支座負彎矩標準值MB=-295.8kN·m。該工程使用的混凝土等級為C30，其保護層厚度設(shè)置為40mm，偏心受拉構(gòu)件計算配筋，得出的結(jié)果為：受力方向下層配筋為（φ20+φ18）@100mm，裂縫寬度w=0.183mm；上層配筋為（φ20+φ18）@100mm。裂縫寬度w=0.148mm。

3.5回流污泥渠設(shè)計

該污水處理廠共有兩座生物池，兩座生物池之間設(shè)有回流污泥渠。渠道是設(shè)置在生物池池壁牛腿之上的，牛腿頂面鋪有氯丁橡膠，可以使得渠道和生物池形成兩個獨立的區(qū)域。渠道按照閉合框架進行計算，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

3.6抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖8　回流污泥渠示意圖

該工程抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度，設(shè)計基本地震加速度值為0.10g，設(shè)計基本地震組為第一組，場地土類型為中軟～中硬土，建筑場地類別為Ⅱ類，抗震設(shè)防類別為乙類。對于該工程的生物池來說，計算時仍然按照Ⅶ度進行計算，但需按Ⅷ度采取抗震構(gòu)造措施。經(jīng)過計算，在地震的反復(fù)作用下，池壁自重慣性力為1.98kN/m2，動水壓力值為2.6kN/m2。對于按照承載能力極限狀態(tài)設(shè)計進行計算的池壁內(nèi)力在此次計算中可以忽略不計。所以，生物池抗震設(shè)計主要針對的是抗震構(gòu)造措施。該生物池抗震構(gòu)造措施如下：池壁拐角處的水平筋配筋率需大于0.3%，水平筋伸入兩側(cè)池壁的長度≥4.5m；水池池壁變形縫處鋼筋需要加強，使其具有抗側(cè)力的能力，節(jié)點如圖9所示。

圖9　變形縫節(jié)點配筋構(gòu)造示意圖

4　結(jié)束語

綜上所述，該污水處理廠構(gòu)筑物是薄壁的空間結(jié)構(gòu)，應(yīng)該將其作為一個有機整體進行分析，但是由于當前專業(yè)有限元軟件僅僅適用于構(gòu)筑物的計算，因此需要將其整體結(jié)構(gòu)劃分為平面構(gòu)件進行計算。根據(jù)該生物池的受力特點等選擇適宜的計算模型之后，需要在水池構(gòu)造上采取相應(yīng)措施保證其能夠與計算模型相符。水池構(gòu)造對于裂縫的控制要求較高，同時，構(gòu)造措施也非常重要，這些都需要設(shè)計者進行詳細分析和處理。

[1]孫申興.阜新市污水處理廠生物池設(shè)計特點淺析[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2011（16）：11.

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X703

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1673-0038（2015）20-0012-03

2015-4-29

向仍勇（1981-），男，工程師，本科，主要從事自來水廠、污水處理廠結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。