肖長江 劉彥東

（中煤西安設(shè)計工程有限責(zé)任公司， 陜西 西安 710054）

近年來，環(huán)保政策日趨嚴(yán)格，很多礦井都在進(jìn)行井下水的深度處理綜合利用項目[1-3]。池體結(jié)構(gòu)在這類工程中得到了廣泛應(yīng)用，相關(guān)學(xué)者對池體的溫度應(yīng)力及超長設(shè)計已經(jīng)有了一定的研究[4-8]。本文結(jié)合水處理工程池體的特點(diǎn)，從設(shè)計的角度出發(fā)對這類工程結(jié)構(gòu)的材料選用、耐久性要求、各種工況組合、不規(guī)則池體的計算分析、吸水井的設(shè)計等內(nèi)容進(jìn)行闡述。

1 項目簡介

中煤陜西榆林能源化工有限公司大海則煤礦礦井水綜合利用項目位于榆林市榆陽區(qū)補(bǔ)浪河鄉(xiāng)，處理規(guī)模36 000 m3/d。綜合處理間是最大的單體建筑，長度147.1 m，寬度81 m，其中池體長度為147.1 m，池體寬度為29 m、36 m、45.5 m，半地下水池底標(biāo)高-3.5 m，頂標(biāo)高4.2～4.7 m（結(jié)構(gòu)找坡），通長吸水井寬2.0 m，深1.5 m，泵房底標(biāo)高-3.8 m，地下水池底標(biāo)高-5.75 m，頂標(biāo)高-0.12 m、-1.0 m。根據(jù)車間的工藝布置在46.1 m處池體結(jié)構(gòu)設(shè)雙墻，基礎(chǔ)脫開，泵房的側(cè)壁及底板設(shè)止水帶，右側(cè)99.6 m長的范圍內(nèi)設(shè)兩道后澆帶。池體結(jié)構(gòu)的平面圖如圖1，最寬處剖面圖如圖2。

圖1 池體結(jié)構(gòu)平面圖

圖2 剖面圖

2 結(jié)構(gòu)材料及耐久性設(shè)計

本工程中SWRO濃水池的硫酸根含量最高為4 510.6 mg/l，根據(jù)《工業(yè)建筑防腐設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50046-2018），腐蝕性等級為強(qiáng)腐蝕，混凝土強(qiáng)度等級統(tǒng)一取C40。根據(jù)《石油化工鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（SH/T 3132-2013），本工程水池的防水等級為二級，混凝土的抗?jié)B等級為P8，該地區(qū)最冷月平均氣溫低于-10 ℃，混凝土的抗凍等級為F200。泵房內(nèi)的環(huán)境類別為一類，保護(hù)層厚度按《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GB 50010-2010）（2015年版）取值，池體部分保護(hù)層厚度根據(jù)《工業(yè)建筑防腐設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50046-2018）取值。

3 荷載取值及工況組合

水池及泵房的主要荷載有土壓力、地面均布活荷載、池頂?shù)慕ㄖ龇盎詈奢d、水壓力和溫度作用。其中土壓力在地下水范圍內(nèi)時應(yīng)考慮飽和重度，地面均布活荷載應(yīng)考慮有無設(shè)備并不小于10 kN/m2。

根據(jù)《給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程》（CECS 138：2002），現(xiàn)澆混凝土水池伸縮縫的最大間距為30 m。本工程中間設(shè)一道伸縮縫后右側(cè)水池長度為99.6 m，超長3.32倍，需要考慮溫度作用。初始溫度按后澆帶封帶時4月份的溫度考慮，根據(jù)榆林氣象站統(tǒng)計資料4月份平均溫度為10.6 ℃，考慮施工的不可預(yù)見性取±5 ℃的偏差，最低平均初始溫度T01=10.65-5=5.6 ℃，最高平均初始溫度T02=10.6+5=15.6 ℃。本工程半地下水池的側(cè)墻和池頂采取保溫措施，夏季通風(fēng)、冬季采暖，結(jié)構(gòu)冬季最低平均溫度TS1=15 ℃，結(jié)構(gòu)夏季最高平均溫度TS2=26 ℃，混凝土收縮在其內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，把后澆帶封閉后的殘余收縮變形等效為結(jié)構(gòu)的整體降溫，考慮-5 ℃的當(dāng)量負(fù)溫差。計算最大升溫△TS=TS2-T01-5=26-5.6-5=15.4 ℃，計算最大降溫△TJ=TS1-T02-5=15-15.6-5=-5.6 ℃。

水池結(jié)構(gòu)的工況組合主要有三種：蓄水試驗、空池和滿水。而且水壓力還需要考慮不同區(qū)格水池有水、無水的不利組合。

4 YJK軟件整體計算

礦井水處理的池體結(jié)構(gòu)池壁分隔不規(guī)則，高度不統(tǒng)一，工況組合較多，本文應(yīng)用YJK有限元設(shè)計軟件對池體結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析計算。

4.1 模型及計算參數(shù)

建立池體及上部結(jié)構(gòu)的全模型，可考慮上部荷載及池壁柱對池體的影響。土壓力及池外地面活荷載引起的池壁側(cè)壓力在蓄水試驗時不存在，所以要按自定義工況輸入，每個區(qū)格水池的水壓力按一種自定義工況荷載輸入，便于進(jìn)行不利組合計算。溫度荷載按全樓節(jié)點(diǎn)溫差輸入。

計算參數(shù)確定：“樓板剛性假定”選擇“不強(qiáng)制采用剛性樓板假定”；勾選“生成繪等值線數(shù)據(jù)”，可在計算結(jié)果中查看內(nèi)力云圖；“地下室層數(shù)”輸0，通過自定義的池壁外土壓力進(jìn)行各工況的組合；“彈性板荷載計算方式”選擇“有限元計算”；在板屬性菜單下對全樓的樓板設(shè)置為“彈性板6”；不考慮梁端剛域，不考慮柱端剛域。

荷載組合：除按程序默認(rèn)的組合以外還要確定自定義工況的組合，恒載有正常恒載和自定義工況的土壓力，活載有正?；钶d和水壓力，在這里可以定義疊加+包絡(luò)，也可以定義全組合。

4.2 計算結(jié)果及配筋

計算結(jié)果：在設(shè)計結(jié)果中查看各工況的位移、內(nèi)力、應(yīng)力等。以水池11滿水工況為例的位移如圖3。

圖3 水池滿水單工況位移云圖

配筋：底板配筋在等值線模塊查看，分別給出X向、Y向頂?shù)着浣罟菜膫€文件，墻的配筋結(jié)果輸出12個數(shù)值，適應(yīng)墻配筋內(nèi)外側(cè)不同、上下左右加密的布置情況，輸入結(jié)果及說明如圖4。

圖4 墻配筋及說明

4.3 溫度應(yīng)力的影響

溫度作用是一個長期反復(fù)不利荷載，與施工期間的溫度、后澆帶封帶溫度、有無保溫通風(fēng)采暖、混凝土的殘余收縮變形等因素有關(guān)，同時與池體的形狀、長度、隔墻間距等也有關(guān)系。選取本工程的墻A、墻B、墻C（見平面圖）考慮升溫15.4 ℃、降溫-5.6 ℃進(jìn)行溫度作用的有無對比（保留其余荷載工況）。從結(jié)果可以看出對于超長方向溫度作用影響較大，對于泵房外墻C由于高度低且無內(nèi)水壓力，沿墻長方向溫度荷載起控制作用，影響更大。

5 MIDAS軟件優(yōu)化設(shè)計

MIDAS軟件作為通用的有限元軟件，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于池體結(jié)構(gòu)的分析研究[9-10]。本工程有通長吸水井，寬2 m，深1.5 m，加腋通過45°找坡與兩側(cè)底板連接，吸水井局部已經(jīng)發(fā)生了很大的改變，實(shí)際工程設(shè)計須考慮實(shí)際吸水井的影響。采用MIDAS GEN有限性軟件進(jìn)行設(shè)計，建模采取簡化的模型，長度取2個12 m長的水池共24 m，寬度同工程水池，吸水井加腋采用實(shí)體單元，網(wǎng)格劃分為1 m，采用面彈性支撐模擬底板下土的作用，基床系數(shù)取20 MPa。計算模型及四個池子均滿水工況的位移如圖5。

圖5 計算模型及滿水位移云圖

以半地下水池通長吸水井為例，根據(jù)滿水最不利工況得到各部位的彎矩，加腋部分根據(jù)有限元單元及彎矩值對應(yīng)的根部1 m的平均厚度作為板厚進(jìn)行計算，再根據(jù)受彎構(gòu)件求各部位的配筋。

6 結(jié)語

本文結(jié)合大海則深度水處理超長池體結(jié)構(gòu)，闡述了材料的選用、耐久性的設(shè)計、荷載及工況組合，對池體結(jié)構(gòu)進(jìn)行YJK整體有限元設(shè)計，對池體的吸水井采用MIDAS有限元軟件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，為類似工程的設(shè)計提供參考。