劉俊起

（天津市環(huán)境衛(wèi)生工程設(shè)計(jì)院，天津 3 00201）

垃圾滲瀝液處理工程水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題分析

劉俊起

（天津市環(huán)境衛(wèi)生工程設(shè)計(jì)院，天津 3 00201）

結(jié)合河北省三河市垃圾衛(wèi)生填埋場工程，對垃圾滲瀝液處理調(diào)節(jié)池、污水處理池、提升井結(jié)構(gòu)所涉及的地震作用下的抗震荷載計(jì)算、內(nèi)力計(jì)算及長水池?zé)o縫、抗裂及防腐蝕設(shè)計(jì)等問題進(jìn)行了分析，并提出了相關(guān)的設(shè)計(jì)方法建議和施工中需要注意的問題。

水池結(jié)構(gòu)；抗震設(shè)計(jì)計(jì)算；長水池?zé)o縫設(shè)計(jì)

河北省三河市生活垃圾衛(wèi)生填埋場工程坐落于三河市城西7 km的李旗莊境內(nèi)，場區(qū)占地面積約14．0 hm2，分為填埋庫區(qū)、管理區(qū)、滲瀝液處理區(qū)，滲瀝液處理采用“厭氧+好氧”相結(jié)合的處理工藝。滲瀝液地下調(diào)節(jié)池、污水處理池及提升井采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

1 水池結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

1.1 地震作用的確定

此工程調(diào)節(jié)池為有蓋水池，污水處理池為無蓋水池，均為地下矩形水池，抗震設(shè)防烈度8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度為0．20g，應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算。

盛水構(gòu)筑物在地震動(dòng)影響下產(chǎn)生的地震作用，可以產(chǎn)生結(jié)構(gòu)自重慣性力、內(nèi)部盛水的動(dòng)水壓力和構(gòu)筑物外部的動(dòng)土壓力。

1）矩形水池自重慣性力的確定，要區(qū)分構(gòu)筑物屬于地面式或地下式，此工程為地下式盛水構(gòu)筑物的自重慣性力標(biāo)準(zhǔn)值，可按下式計(jì)算［1］：

式中：FGWZ，k為池壁沿高度的自重慣性力標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m2）；ηm為地震影響系數(shù)的調(diào)整系數(shù)，取1．5；gw為池壁沿高度的單位面積荷載（kN/m2）；Wd為池頂蓋的總荷載（kN），包括頂蓋上的覆土或其他保溫層；FGd，k為池頂蓋的自重慣性力標(biāo)準(zhǔn)值（kN）；KH為設(shè)計(jì)基本水平地震加速度與重力加速度的比值。

2）矩形水池在水平地震作用下的動(dòng)水壓力標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)按下列公式計(jì)算［1］：

式中：Fwr，k為矩形水池的動(dòng)水壓力標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m2）；Fwrt，k為矩形水池動(dòng)水壓力沿地震作用方向的合力（kN）；L1為矩形水池垂直地震作用方向的邊長（m）；γw為池內(nèi)水重力密度（kN/m3）；Hw為池內(nèi)設(shè)計(jì)水深（m）；fwr為矩形水池動(dòng)水壓力系數(shù)。

3）作用在水池池壁上的動(dòng)土壓力標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)按下式計(jì)算［1］：

式中：Fes，k為地震時(shí)作用于水池池壁任一高度上的最大土壓力增量（kN/m2）；Fep，k為相應(yīng)計(jì)算高度處的主動(dòng)土壓力標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m2）；當(dāng)位于地下水位以下時(shí)，土的重度應(yīng)取20 kN/m3；φ為池壁外側(cè)土的內(nèi)摩擦角，一般情況下可取30°。

1.2 在地震作用下，水池的內(nèi)力分析

1）污水處理池為敞口無蓋的矩形水池，在各項(xiàng)地震作用下的內(nèi)力計(jì)算方法與非地震作用時(shí)相同。只是對墻體的自重慣性力，當(dāng)墻體按豎向截條計(jì)算時(shí)，其墻底的最大彎矩標(biāo)準(zhǔn)值M0可按下式計(jì)算：

式中：H為池壁高度（m）；ζM0可查表［5］得到。

2）調(diào)節(jié)池為有蓋矩形水池，池內(nèi)設(shè)有立柱支撐頂蓋，多采用不設(shè)梁系的板柱結(jié)構(gòu)，柱頂及柱底設(shè)有柱帽。此時(shí)可將水池結(jié)構(gòu)簡化為若干等代框架組成，每榀等代框架所承受的地震作用，通過空間作用，由頂蓋傳遞給池壁共同承擔(dān)，池壁將起到良好的抗震墻作用，但必須在構(gòu)造上保證頂蓋良好的整體性以及與池壁的可靠連接。

對板柱結(jié)構(gòu)等代框架的水平地震作用效應(yīng)（內(nèi)力），可按下列方法確定：①先根據(jù)水池所在的場地條件、抗震設(shè)防烈度、基礎(chǔ)埋置深度及驗(yàn)算工況，計(jì)算各項(xiàng)水平地震作用（自重慣性力、動(dòng)水壓力或動(dòng)土壓力）標(biāo)準(zhǔn)值，再乘以作用分項(xiàng)系數(shù)，并折算到每榀等代框架上；②對等代框架頂端加設(shè)限制側(cè)移的鏈桿，計(jì)算該框架在無側(cè)移條件下的內(nèi)力及附加鏈桿的反力R；③根據(jù)矩形水池的長寬比L/B及頂蓋結(jié)構(gòu)構(gòu)造，確定由于空間作用對等代框架的地震作用折減系數(shù)ηr，將鏈桿反力折減為ηrR；④將鏈桿反力ηrR反方向作用于等代框架頂端后計(jì)算框架內(nèi)力；⑤將上述4項(xiàng)計(jì)算所得的等代框架內(nèi)力進(jìn)行疊加，即為考慮空間作用時(shí)，等代框架在水平地震力作用下的作用效應(yīng)（內(nèi)力）。

對作用在等代框架上的池壁結(jié)構(gòu)自重慣性力可簡化為倒三角形計(jì)算，倒三角形的頂端作用強(qiáng)度可根據(jù)每延米面積相等的條件確定。

當(dāng)池壁為等厚度時(shí)：

式中：PGW，K為池壁自重慣性力折算為“倒三角形”時(shí)頂端作用強(qiáng)度（kN/m）；αmax為地震影響系數(shù)最大值；h為池壁厚（m）。

3）矩形水池池壁拐角處的角隅應(yīng)力，包括該處由于相鄰池壁約束形成的角隅彎矩產(chǎn)生的應(yīng)力和相鄰池壁上各項(xiàng)作用形成的邊緣反力（剪力）。此時(shí)對池壁自重慣性力也可簡化為倒三角形作用計(jì)算，即倒三角形頂端的作用強(qiáng)度可按上式計(jì)算確定。因此池壁的角隅應(yīng)力計(jì)算方法與非地震作用時(shí)相同。

4）對矩形水池內(nèi)設(shè)置的隔墻或?qū)Я鲏?，在地震作用下，考慮水平地震作用時(shí)并非為不受力構(gòu)件，要考慮其承受自重慣性力和兩側(cè)的動(dòng)水壓力。

2 水池?zé)o縫結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 無縫設(shè)計(jì)

本工程鋼筋混凝土水池均為垃圾滲瀝液污水池，按照工藝要求，設(shè)計(jì)要提高混凝土池體防水等級、抗?jié)B等級，采用池內(nèi)表面刷環(huán)氧樹脂防腐蝕涂料來解決污水對混凝土構(gòu)件的腐蝕作用。最重要一點(diǎn)要保證池體不開裂不滲漏，應(yīng)有效阻止污水對周圍地下水和地表水的污染。設(shè)計(jì)上還要求池體整體布置、截面形狀、連接方式及構(gòu)造上力求簡潔，盡量減少構(gòu)件外表面積，避免腐蝕介質(zhì)在結(jié)構(gòu)表面的積聚并有利于其迅速排出，設(shè)計(jì)按規(guī)范要求，水池長度均超過不設(shè)伸縮縫的限值，需設(shè)置很多長短不等的伸縮縫，一般采用后澆帶，如此規(guī)模的后澆帶施工必然會(huì)引起很多問題，如后澆縫的留置、清理、支模等工序繁多，時(shí)間跨度長，施工成本高，且難以保證混凝土整體質(zhì)量，處理不好混凝土容易產(chǎn)生裂縫，成為污水滲漏的隱患。工程實(shí)踐證明，留縫并不能較好地解決混凝土構(gòu)筑物的開裂問題。當(dāng)前鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)裂縫普遍存在，應(yīng)采取合理措施，有效避免混凝土自身體積變形等因素造成的結(jié)構(gòu)開裂，提高池體的耐久性，延長使用壽命。

補(bǔ)償收縮混凝土的施工方法應(yīng)執(zhí)行《超長鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)無縫設(shè)計(jì)和施工方法》，即在一定的原則下利用膨脹加強(qiáng)帶（整體混凝土連續(xù)式澆筑）取代伸縮縫或后澆帶，這一做法可以解決上述問題。

補(bǔ)償收縮混凝土是指在所使用的配筋條件下能使混凝土內(nèi)部建立0．2～0．7 MPa的預(yù)壓應(yīng)力或者使混凝土所受的拉力低于混凝土抗拉強(qiáng)度的一種微膨脹混凝土。它能有效補(bǔ)償混凝土的干縮和冷縮，同時(shí)水化形成的大量晶體物質(zhì)鈣礬石具有填充毛細(xì)孔縫的作用，使毛細(xì)孔變細(xì)、減小，增加致密性，顯著提高了混凝土的抗裂防滲性能。

1） 在應(yīng)力集中的σmax處（如圖1） 設(shè)膨脹加強(qiáng)帶，其寬度2 m，兩側(cè)用1層密孔鋼絲網(wǎng)攔隔，防止混凝土流入加強(qiáng)帶，在網(wǎng)上附加立筋?12 mm@200 mm加固，防止被混凝土壓垮。施工時(shí)，先在加強(qiáng)帶外一側(cè)用摻10%UEA的小膨脹混凝土澆筑，混凝土強(qiáng)度等級C30；然后在加強(qiáng)帶內(nèi)摻14%UEA的大膨脹混凝土，其強(qiáng)度等級比兩側(cè)高5 MPa；最后在加強(qiáng)帶外另一側(cè)，又改為澆筑摻12%UEA混凝土。如此循環(huán)，可連續(xù)澆筑100～150 m超長結(jié)構(gòu)。

圖1 有防水要求的UEA無縫設(shè)計(jì)示意（立面）

2）由于混凝土供應(yīng)或施工力量達(dá)不到連續(xù)作業(yè)要求時(shí)，可采用圖2的間歇式無縫施工法，加強(qiáng)帶一側(cè)改為臺階式。施工帶鑿毛清洗干凈，用摻14%UEA的混凝土澆入加強(qiáng)帶，隨后用摻10%UEA的小膨脹混凝土澆筑帶外地段。

此工程鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)池長40．40 m，寬36．40 m，凈高 3．5 m，頂覆土 0．5 m。滲瀝液、地下水提升井，沿填埋庫區(qū)邊坡頂部開始，順著邊坡（穿膜下）至邊坡底部終止，上端部在地面開口，下端部設(shè)滲瀝液、地下水提升2個(gè)封閉池體，池體結(jié)構(gòu)為2層，作業(yè)人員可以通過井筒內(nèi)部設(shè)檢修混凝土樓梯踏步下到地下水提升2個(gè)封閉池體的上面。井筒長60 m，長寬均超過規(guī)范CECS 138—2002［2］中不設(shè)縫的規(guī)定，按規(guī)范要求設(shè)計(jì)上均應(yīng)設(shè)置伸縮縫，此工程根據(jù)無縫處理做法在調(diào)節(jié)池沿長度及寬度方向中間各設(shè)膨脹加強(qiáng)帶，滲瀝液、地下水提升井沿長度方向中間設(shè)2道膨脹加強(qiáng)帶，滿足了規(guī)范要求。

2.2 膨脹加強(qiáng)帶設(shè)置應(yīng)注意的問題

1）水池混凝土結(jié)構(gòu)的無縫設(shè)計(jì)，必須根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)靈活運(yùn)用，對于具有沉降性質(zhì)的后澆縫不能取消。膨脹加強(qiáng)帶用于較大膨脹應(yīng)力補(bǔ)償溫差收縮應(yīng)力集中的地方，可以取消后澆縫。

2）膨脹加強(qiáng)帶的間距可控制在40 m左右。

3）加強(qiáng)帶應(yīng)避開側(cè)板和底板的厚度變異處。

4）墻體水平施工縫不應(yīng)留在剪力與彎矩最大處及底板與側(cè)板的交接處，應(yīng)留在高出底板表面不應(yīng)小于300 mm的墻體上，墻體有預(yù)留孔洞時(shí)，施工縫距孔洞邊緣不應(yīng)小于300 mm。

5）要根據(jù)工程抗震設(shè)防烈度、池體的體量、平面尺寸、地基基礎(chǔ)情況、結(jié)構(gòu)體系類別、當(dāng)?shù)貧夂驐l件、使用功能需要、使用環(huán)境、施工技術(shù)條件、維護(hù)管理?xiàng)l件等因素，慎重考慮對混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件采取有效設(shè)計(jì)措施，控制因混凝土收縮、溫度變化、地基基礎(chǔ)不均勻沉降等產(chǎn)生的裂縫。

6）在板的溫度、收縮應(yīng)力較大區(qū)域，宜在板未配筋表面配置控制溫度收縮裂縫的構(gòu)造鋼筋，采取細(xì)而密的配筋原則，根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)部位采取相應(yīng)的合理配筋。

2.3 采用膨脹劑應(yīng)注意的問題

1）摻膨脹劑的補(bǔ)償收縮混凝土大多用于控制裂縫的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)工程。設(shè)計(jì)圖紙一般只寫混凝土摻入膨脹劑、混凝土強(qiáng)度等級及抗?jié)B等級。對混凝土摻入膨脹劑的量限制膨脹率沒有提出要求，會(huì)造成膨脹劑少摻或誤摻，達(dá)不到補(bǔ)償收縮而出現(xiàn)有害裂縫。

2） 根據(jù) GB 50119—2003［3］要求，摻膨脹劑的補(bǔ)償收縮混凝土水中養(yǎng)護(hù)14 d的限制膨脹率不小于0．015%，相當(dāng)于在結(jié)構(gòu)中預(yù)壓應(yīng)力大于0．2 MPa?；炷恋呐蛎浡首詈每刂圃?．02%～0．03%，填充用膨脹混凝土膨脹率應(yīng)在0．035%～0．045%。施工時(shí)應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，確定膨脹劑的最佳摻量，在滿足混凝土強(qiáng)度和抗?jié)B的設(shè)計(jì)要求下，同時(shí)要達(dá)到補(bǔ)償收縮混凝土的限制膨脹率，才能達(dá)到控制結(jié)構(gòu)有害裂縫的目的。

3）近年我國膨脹劑的牌號較多，質(zhì)量及摻量也不同，有些工程用了不符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)膨脹劑后達(dá)不到預(yù)期效果。所以，膨脹劑在使用之前必須按照GB 23439—2009混凝土膨脹劑的規(guī)定進(jìn)行質(zhì)量檢測。

4）目前結(jié)構(gòu)工程使用的硫鋁酸鈣類高性能混凝土膨脹劑的膨脹效能更高、質(zhì)量更穩(wěn)定，目前正在廣泛應(yīng)用。其特點(diǎn)：①堿含量低；②摻量低；③施工性能好；④增強(qiáng)性能好；⑤大大提高混凝土抗?jié)B性；⑥膨脹效能高。

2.4 控制混凝土裂縫措施

1）加強(qiáng)施工管理，嚴(yán)密施工組織，完善施工工藝。

2） 優(yōu)化混凝土配合比，在混凝土中摻加HEA抗裂防水劑，利用其膨脹性能，補(bǔ)償混凝土在水化硬化過程中因干縮、冷縮等引起的體積收縮。

3）在滿足結(jié)構(gòu)要求的基礎(chǔ)上，通過適量摻加優(yōu)質(zhì)粉煤灰和緩凝高效減水劑，盡量降低水泥用量，使水化熱相應(yīng)降低。

4）在保證滿足泵送工藝要求的前提下，盡量降低混凝土單方用水量及砂率。

5）控制混凝土初凝時(shí)間在10 h左右，避免冷縫，推遲水化熱峰值。

6）保證混凝土澆筑質(zhì)量，在澆搗前制定有針對性和可操作性的詳細(xì)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，在施工過程中，管理人員嚴(yán)格督促操作班組執(zhí)行規(guī)程和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。澆搗混凝土要派專人負(fù)責(zé)平倉和養(yǎng)護(hù)，以保證混凝土澆搗的質(zhì)量。

7）超長無縫結(jié)構(gòu)混凝土澆筑時(shí)，應(yīng)與混凝土攪拌站加強(qiáng)聯(lián)系，嚴(yán)格按配合比和施工組織設(shè)計(jì)進(jìn)行施工?；炷翝仓戤?，進(jìn)行混凝土表面處理，及時(shí)澆水養(yǎng)護(hù)；大體積混凝土還應(yīng)覆蓋1層塑料薄膜及保溫被進(jìn)行保溫保濕養(yǎng)護(hù)，并加強(qiáng)溫度監(jiān)控。

8）對底板、頂板混凝土表面在初凝后終凝前進(jìn)行多次原漿收面，用木抹刀或機(jī)械多次搓壓，以閉合早期塑性收縮裂紋，然后進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

9）材料的選擇至關(guān)重要。混凝土的每種組成材料及其性能都與混凝土的裂縫控制密切相關(guān)，如水泥品種、強(qiáng)度等級和細(xì)度、骨料級配和含泥量、水灰比等。應(yīng)使每一種材料都符合裂縫控制的有關(guān)規(guī)定。

10） 對于需要控制溫度裂縫的混凝土結(jié)構(gòu)，施工技術(shù)和施工條件要求更高。所以在施工過程中，要對主要的施工技術(shù)要求的貫徹實(shí)施要進(jìn)行跟蹤和監(jiān)控，確保主要施工技術(shù)按要求付諸實(shí)施。

11）由于長池體受施工和環(huán)境溫濕度等因素影響容易出現(xiàn)收縮裂縫，混凝土強(qiáng)度等級越高，開裂機(jī)會(huì)越多。設(shè)計(jì)混凝土強(qiáng)度等級不宜太高，宜采用 C25～C35。

3 結(jié)束語

水池結(jié)構(gòu)要根據(jù)工程抗震設(shè)防烈度，水池的類型決定是否進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)以及抗震計(jì)算。在地震影響下產(chǎn)生的地震作用，要區(qū)分水池屬于地面式還是地下式，矩形還是圓形，根據(jù)不同類型應(yīng)分別計(jì)算產(chǎn)生結(jié)構(gòu)自重慣性力、內(nèi)部盛水的動(dòng)水壓力和水池外部的動(dòng)土壓力。在地震作用下，此工程水池的內(nèi)力分析對地下敞口無蓋的矩形水池、有蓋上面覆土的矩形水池用不同的方法分別計(jì)算。把在地震作用下計(jì)算出來的水池的內(nèi)力與永久荷載及其他可變荷載作用下水池的內(nèi)力進(jìn)行內(nèi)力組合，再進(jìn)行截面配筋計(jì)算。

長水池?zé)o縫設(shè)計(jì)優(yōu)越性體現(xiàn)在不設(shè)伸縮縫或后澆帶，結(jié)構(gòu)整體性好，減少了設(shè)縫部位這個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，水池生產(chǎn)工藝的布置將具有最大靈活性，工藝設(shè)備不需要因設(shè)置伸縮縫、后澆帶而作特殊處理，為各專業(yè)節(jié)約投資，減少水池結(jié)構(gòu)總造價(jià)。采用膨脹加強(qiáng)帶做法，混凝土中加了微膨脹劑，能有效地控制裂縫。采用膨脹加強(qiáng)帶要滿足一些具體構(gòu)造要求，采取相應(yīng)的措施，膨脹劑的使用要滿足國家規(guī)范的有關(guān)規(guī)定，設(shè)計(jì)上要提出控制指標(biāo)。設(shè)計(jì)要加強(qiáng)對施工現(xiàn)場的技術(shù)指導(dǎo)，施工時(shí)，工程的材料選擇、施工方法、質(zhì)量檢測及竣工驗(yàn)收必須符合國家有關(guān)規(guī)范的要求，長水池?zé)o縫設(shè)計(jì)完全能夠達(dá)到抗裂及防腐蝕的效果。

［1］GB 50032—2003 室外給水排水和燃?xì)鉄崃こ炭拐鹪O(shè)計(jì)規(guī)范［S］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002．

［2］CECS 138—2002 給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程［S］．北京：中國建材工業(yè)出版社，2002．

［3］GB 50119—2003 混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)范［S］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003．

Design of Pool Structure for Waste Leachate Treatment Project

Liu Junqi
（Tianjin Environmental Sanitation Engineering Design Institute,Tianjin 300201）

Taking the project of Sanhe Waste Sanitary Landfill Site of Hebei as an example,some problems were analyzed,including calculation of aseismatic load,calculation of internal force,and design of seamless,cracking resistance and anti-corrosion for long pool involved in the structures of regulating tank of waste leachate treatment,sewage treatment pool,and drawing shaft under earthquake actions．The correlative designing suggestions and some problems needing paying attention to in the construction were put forward．

pool structure；calculation of aseismatic design；seamless design of long pool

TU993．3

B

1005-8206（2012）02-0045-04

劉俊起（1956—）：工程師，主要從事建筑、結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計(jì)及管理。

（責(zé)任編輯：鄭雯）