鄭中華

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

1 概述

近些年來，有機垃圾厭氧發(fā)酵產(chǎn)生沼氣發(fā)電的工藝技術(shù)在歐洲廣泛應(yīng)用，我國目前已有北京、上海、廈門等城市嘗試引進此項處理技術(shù)，部分項目已初步建成并投入試運營。

厭氧發(fā)酵也稱沼氣發(fā)酵或甲烷發(fā)酵，是指有機物在厭氧細菌作用下轉(zhuǎn)化為甲烷（或稱沼氣）的過程。自然界中，厭氧發(fā)酵廣泛存在，但發(fā)酵速度緩慢。采用人工方法，創(chuàng)造厭氧細菌所需的營養(yǎng)條件，使其在一定設(shè)備內(nèi)具有很高的濃度，厭氧發(fā)酵過程則可大大加快，稱為厭氧發(fā)酵工藝。厭氧發(fā)酵工藝項目設(shè)計中的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)是厭氧發(fā)酵罐的選型與設(shè)計，帶加熱系統(tǒng)的箱形保溫發(fā)酵罐是近年來發(fā)展較快的一種，本文就從結(jié)構(gòu)專業(yè)設(shè)計角度淺析國內(nèi)某加熱保溫箱型厭氧發(fā)酵罐的設(shè)計要點及技術(shù)難點。

2 工程概況

某工程選用的厭氧發(fā)酵罐為臥式箱型厭氧發(fā)酵罐，設(shè)有加熱保溫裝置，以利于發(fā)酵的進行。發(fā)酵罐幾何形狀為一個長方體，平面尺寸為38.5 m×8.4 m，高度為8.64 m，長方體的一端設(shè)置進料口，另一端設(shè)置出料口，頂部設(shè)置出氣口以排出發(fā)酵產(chǎn)生的沼氣，圖1為施工過程中的加熱保溫箱形厭氧發(fā)酵罐，上圖為發(fā)酵罐加熱管的布設(shè)，下圖為發(fā)酵罐主體結(jié)構(gòu)的外部整體視圖。

3 工程地質(zhì)條件

場地內(nèi)地基巖土層為：素填土、耕土、粉質(zhì)粘土、殘積礫質(zhì)粘性土、砂礫狀強風(fēng)化花崗巖、碎塊狀強風(fēng)化花崗巖、中風(fēng)化花崗巖，見表1所列。

圖1 加熱保溫箱型鋼筋混凝土厭氧發(fā)酵罐施工現(xiàn)場

表1 地基土主要物理力學(xué)指標及設(shè)計計算參數(shù)建議值一覽表

擬建場地整體穩(wěn)定性及地基穩(wěn)定性均較好，場地具備天然淺基礎(chǔ)條件，場地較適宜擬建物的建設(shè)。

勘察期間，地下水初見水位埋深與地下水靜止水位埋深大致同，為3.20～9.60 m（標高32.21～36.58 m），據(jù)調(diào)查年水位變動幅度約1.5 m。

地下水對混凝土結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性；對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋：水下部份無腐蝕性，干濕交替帶無腐蝕性；對鋼結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性。

4 發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 結(jié)構(gòu)形式的確定

平面尺寸為38.5 m×8.4 m，高度為8.64 m，矩形水池，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)。根據(jù)第3節(jié)所述地質(zhì)情況，選定第③層粉質(zhì)粘土層為基礎(chǔ)持力層，取承載力特征值為200 kPa，埋深約3 m，通過綜合比較，選定在發(fā)酵罐底板底設(shè)置立柱及柱下條基的基礎(chǔ)形式，滿足該工程發(fā)酵罐的承載力及沉降要求。

同時，參照給排水構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，該發(fā)酵罐為長度超過25 m的地上水池，設(shè)置一道后澆帶以消除施工階段溫度應(yīng)力。

4.2 荷載計算

4.2.1 罐內(nèi)水壓荷載

罐內(nèi)水壓荷載由池內(nèi)液體產(chǎn)生：

式中：γw——水或液體的標準容重，kN/m3；

hw——水(液體)的深度，m，

此處由于罐內(nèi)所裝為即將發(fā)酵的固液混合垃圾，建議容重γw取值為12 kN/m3。

4.2.2 罐內(nèi)氣壓荷載

由于發(fā)酵產(chǎn)生沼氣，罐內(nèi)液體表面之上存在氣壓。該氣壓屬正常使用狀態(tài)下荷載，按永久作用考慮，計算時應(yīng)將氣壓作為恒載疊加在水壓荷載中，按疊加后壓力值計算池壁內(nèi)力。

最不利氣壓值根據(jù)安裝在發(fā)酵罐頂板上的泄壓閥控制壓力值確定，該工程取150 mbar，即為15 kPa，則疊加后的罐內(nèi)水壓荷載為：

4.2.3 溫度荷載

由于該發(fā)酵罐池壁內(nèi)表面保護層內(nèi)設(shè)置加熱系統(tǒng)（見圖2），正常運行時罐內(nèi)溫度約為55～58℃，發(fā)酵過程需要維持此運行溫度。如果不設(shè)置保溫層，在寒冷季節(jié)發(fā)酵罐體壁面溫差將過大從而產(chǎn)生較大的溫度應(yīng)力，同時加熱系統(tǒng)的能耗將增大，所以該工程制定設(shè)計原則時要求發(fā)酵罐外壁必須設(shè)置保溫層，并且要根據(jù)廈門地區(qū)年最低月平均溫度選取合適的保溫層，以確保發(fā)酵罐體壁面溫差小于10℃。

復(fù)合層保溫池壁部分的傳熱按下式計算：

式中：q——熱流量，W/m2；

Ri——材料的熱阻；

t1——廈門地區(qū)最冷時的大氣月平均溫度，取13℃；

tw——池內(nèi)液體溫度，取58℃；

a1——砂漿外表面與大氣的熱交換系數(shù)；

a2——混凝土內(nèi)表面與水的熱交換系數(shù)；

λ1——鋼筋混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)；

λ2——保溫層的導(dǎo)熱系數(shù)，該工程選用聚苯板的導(dǎo)熱系數(shù)；

λ3——水泥砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)。

圖2 發(fā)酵管加熱、保溫設(shè)計圖（單位：mm）

該工程選用10 cm厚聚苯板保溫層，將數(shù)值帶入上式得，q=13.78 W/m2，混凝土內(nèi)表面溫度t1=，混凝土外表面溫度=53.10（℃），由此得出發(fā)酵罐壁面溫差在設(shè)置保溫層以后僅為4.66℃，考慮發(fā)酵罐內(nèi)溫度的局部差異，最終計算時取壁面溫差10℃。

值得一提的是，所選用的保溫材料不僅要有良好的隔熱性，還應(yīng)滿足所在地區(qū)防火規(guī)范要求，位于底板底部的保溫層還需要滿足一定的強度要求。

4.3 荷載組合（見表2）

表2 地上式發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)計算的荷載組合一覽表

按照表2中的荷載組合，分別采用有限元軟件ROBOT2010進行整體計算，以及理正結(jié)構(gòu)工具箱V5.62進行單塊板計算并相互校核，發(fā)酵罐長邊池壁準永久組合作用下的主要計算結(jié)果匯總?cè)绫?所列。

值得注意的是，采用有限元整體計算時，完全按照剛度分配彎矩，計算出發(fā)酵罐池壁外側(cè)豎直跨中：Myy=-303 kN·m/m（理正計算為 -155.84）；內(nèi)測豎直下邊緣：Myy=264 kN·m/m（理正計算為348.64）；內(nèi)測水平邊緣為 Myy=199 kN·m/m（理正計算為183.04）；與按照三邊固定，一邊簡支假定等效原則進行單塊板計算的理正計算結(jié)果有一定的偏差，尤其是豎向彎矩的跨中和根部分配差距較大。該工程最終采用兩者計算值的包絡(luò)值進行配筋。

考慮到該工程發(fā)酵罐有氣密性要求，且其內(nèi)部高溫發(fā)酵物對發(fā)酵罐罐體存在強腐蝕性，該工程按照《工業(yè)建筑防腐蝕規(guī)范》中強腐蝕要求控制發(fā)酵罐體正常使用極限狀態(tài)下的裂縫限值，即0.15 mm。

4.4 加熱系統(tǒng)及其他預(yù)埋件設(shè)計

該工程加熱系統(tǒng)類似于家裝中的地?zé)嵯到y(tǒng)，首先在發(fā)酵罐土建施工時，將直徑20 mm的軟管，間距200 mm，預(yù)埋在發(fā)酵罐體內(nèi)壁保護層內(nèi)，罐體需要加熱時將熱水循環(huán)打入軟管即可。工程設(shè)計時主要是考慮熱水軟管的預(yù)埋方法。該工程針對底板和側(cè)壁分別采用兩種不同的預(yù)埋方法：底板軟管預(yù)埋時直接將軟管固定在綁扎好的上層鋼筋上；側(cè)壁軟管預(yù)埋時先將軟管在平地上固定在D6@200的鋼絲網(wǎng)片上，然后分區(qū)域吊裝、固定在已經(jīng)搭設(shè)好的池壁內(nèi)側(cè)模板上，安裝時應(yīng)采用預(yù)制增強纖維混凝土墊塊來確?；炷帘Ｗo層。

由于發(fā)酵罐有水密、氣密要求，罐體上的所有預(yù)埋件均應(yīng)設(shè)置止水翼環(huán)，同時，根據(jù)需要在內(nèi)壁、外壁進行鋼板包邊密封，圖3即為該工程進料口預(yù)埋管設(shè)計圖。

4.5 防腐設(shè)計

根據(jù)工藝專業(yè)提交的罐內(nèi)化學(xué)成份組成，判定發(fā)酵罐內(nèi)部為強腐蝕等級，相關(guān)技術(shù)參數(shù)見表4所列。

表4中腐蝕性等級是按照《工業(yè)建筑防腐蝕規(guī)范》（GB50046-2008）中3.1節(jié)確定的，根據(jù)該規(guī)范3.1.2條“同一形態(tài)的多種介質(zhì)同時作用同一部位時，腐蝕性等級應(yīng)取最高者”，該工程將發(fā)酵罐內(nèi)表面腐蝕性等級確定為強腐蝕等級。根據(jù)規(guī)范對強腐蝕環(huán)境下混凝土材料的要求，發(fā)酵罐體采用C40混凝土，抗?jié)B等級P8。罐體結(jié)構(gòu)混凝土內(nèi)參入礦物料、鋼筋阻銹劑，同時采用42.5級抗硫酸鹽水泥。

考慮到罐體內(nèi)部長期處于攪拌摩擦狀態(tài)，如果采用混凝土表面涂層抗腐蝕將無法長久，采用塊材襯里時又影響加熱系統(tǒng)運行效果，結(jié)合國外工程經(jīng)驗，并按照《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計規(guī)范》（GB50046-2008），該工程設(shè)計采取以下防腐措施：（1）罐體混凝土要求按照《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計規(guī)范》（GB50046-2008）中強腐蝕等級（同時結(jié)合歐洲規(guī)范中XA3腐蝕等級）下的混凝土要求，即C40，最大水膠比0.40；采用抗硫酸鹽水泥，水泥含量360～380 kg/m3；最大氯離子含量0.08；裂縫控制等級為三級0.15 mm。（2）罐體內(nèi)表面混凝土保護層設(shè)置如下：池壁內(nèi)表面、底板上表面70 mm（結(jié)合加熱管布置），頂板下表面50 mm。

表3 準永久組合作用彎矩表(單位：kN·m/m)（理正計算結(jié)果）

圖3 DN500進料管預(yù)埋件設(shè)計圖

表4 發(fā)酵罐內(nèi)部腐蝕性等級確定一覽表

4.6 抗?jié)B設(shè)計及氣密性、水密性試驗

鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu),一般宜加強混凝土本身的密實性來滿足抗?jié)B要求。增加水泥用量可提高抗?jié)B性,但用量過多會加大干縮量,反而對抗?jié)B性不利,所以對水泥用量應(yīng)有限制。該工程結(jié)合防腐要求采用抗硫酸鹽水泥，水泥含量360～380 kg/m3，最大水膠比0.40。一般可在混凝土制備過程中加入各種防水摻合料來提高其抗?jié)B性，該工程要求罐體混凝土摻抗?jié)B防裂劑，抗?jié)B等級設(shè)計為P8。

由于整個罐體的正常工作狀態(tài)為下部液體，上部氣體，且存在一定的氣壓，這就要求整個發(fā)酵罐不僅要滿足水密性要求，同時也要滿足氣密性要求，這對整個混凝土的澆筑質(zhì)量提出了很高的要求，包括一些施工縫等節(jié)點的處理都需要有更為可靠的技術(shù)措施。以下為該工程設(shè)計部分節(jié)點的做法（見圖5）：主要考慮了加熱系統(tǒng)嵌在結(jié)構(gòu)混凝土內(nèi)的構(gòu)造，以及施工縫處二次注漿密封措施。

圖5 發(fā)酵罐防水構(gòu)造設(shè)計圖

考慮到整個發(fā)酵罐對氣密性、水密性的要求，該工程設(shè)計時要求發(fā)酵罐體按照《給水排水構(gòu)筑物工程施工及驗收規(guī)范》（GB50141-2008）進行滿水試驗。滿水試驗合格后，再進行氣密性試驗，試驗壓力宜為池體工作壓力的1.5倍。

5 結(jié)論和建議

加熱保溫箱形鋼筋混凝土厭氧發(fā)酵罐由于其加熱系統(tǒng)的存在，以及其氣密性要求，區(qū)別于常規(guī)的排水水池構(gòu)筑物。該工程對于同樣具有加熱保溫要求的鋼筋混凝土水池，以及有氣密性要求的水池等類似工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計有一定的參考價值。對于類似工程的發(fā)酵罐結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)注意以下問題：

（1）基礎(chǔ)應(yīng)坐落在壓縮性低并有充分承載力的天然地基上，或者是端承型樁基礎(chǔ)上，以避免不均勻沉降造成的罐體裂縫，影響發(fā)酵罐的正常使用。

（2）如有條件，可以采用高性能混凝土代替普通混凝土，施工時尤其注意振搗密實和加強養(yǎng)護，確保發(fā)酵罐體水密性和氣密性。

（3）頂板、池壁交界部位，可以通過設(shè)置腋角來避免局部彎矩過大造成的裂縫漏氣，從而滿足氣密性要求。

（4）發(fā)酵罐外所選保溫層，應(yīng)滿足鋼筋混凝土罐體內(nèi)外壁面溫差不大于10℃，對于寒冷的北方地區(qū)，可以將發(fā)酵罐布置在車間室內(nèi)，以達到上述壁面溫差控制要求。

（5）由于發(fā)酵罐內(nèi)部需要安裝攪拌器，發(fā)酵罐頂板澆筑前，應(yīng)將攪拌器槳片、轉(zhuǎn)軸等設(shè)備零件提前擱置在罐體內(nèi)，以便于后期設(shè)備安裝。

（6）待滿水試驗及氣密性試驗均判定為合格后，方可進行池壁外側(cè)保溫層施工。

[1]GB50069-2002，給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[2]給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊 [M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007.

[3]大慶油田水池保溫設(shè)計.油田地面工程 (OSE)第11卷第5期（1992.10）[Z].

[4]GB50010-2010，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范.[S].

[5]CECS l38-2002，給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程[S].