張大劍，李永星

(中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

近年來，隨著陜蒙地下水豐沛地區(qū)煤田的開發(fā)，礦井水的零排放處理成為各煤礦企業(yè)投產(chǎn)運行的必備前提，水處理工程的建設成為企業(yè)的當務之急。加之周邊化工企業(yè)聚集，有一定的用水需求，一舉兩得，礦井水深度處理項目全面鋪開，這要求設計單位要短時間拿出合理設計方案，其中大型連體水池的結構設計成為重要一環(huán)。

市政行業(yè)大型連體水池通常采用設縫設計方案，其最大優(yōu)點是設計技術、施工技術都較為成熟，無需使用特殊的處理措施，施工技術、手段較為簡單，施工進度快[7]。但分縫方案會帶來很多結構設計方面的問題，上部結構分塊太多，被拆解成多個不規(guī)則結構，影響設計的合理性，同時伸縮縫留置會導致許多后續(xù)問題的產(chǎn)生，構造太過復雜、伸縮縫的位置產(chǎn)生滲漏、修復困難，引起后期使用維護成本的增加。依據(jù)前期水處理項目工程的實際經(jīng)驗，下述工程的水池采用不設縫連體方案。

1 工程概況

該工程為某礦井水處理項目，具體以膜處理間為例說明結構形式與組成，中間下層為地下泵房上層儀表間，左側下層為反滲透間、上層為超濾間，右側大部分為半地下水池、局部全地下水池，全地下水池范圍上部為加藥間。地下泵房及水池均采用鋼筋混凝土結構、地上各功能房間采用鋼筋混凝土框架結構，具體如圖1～3所示。

圖1 1-1剖面Fig.1 1-1 Sectional view

圖2 2-2剖面Fig.2 2-2 Sectional view

圖3 一層平面Fig.3 First floor plan

該單體包含水池較多，水池與泵房連為一體，采用鋼筋混凝土結構形式；上部為設備間，鋼筋混凝土框架結構。建模計算時遇到了各水池有無存水多工況組合的困擾，經(jīng)比選，最終采用盈建科結構計算軟件整體建模、輸入多個工況、定于不同工況組合的方法，較為真實地模擬了實際使用狀況，得到合理準確的計算結果，以下為計算設計流程。

2 模擬建模和自定義工況荷載輸入

目前專用的水池設計軟件理正等能夠勝任獨立水池或規(guī)則組合水池的強度和裂縫的計算。異型水池、不規(guī)則組合連體水池，特別是底、頂標高不一致的組合池體則更不適用，通過盈建科結構分析有限元軟件建立模型，輸入水池外壁土壓力、各水池池內對側壁水壓力等各種工況下的荷載作用，包括水池運行所處環(huán)境的最高、最低溫度下的熱脹熱縮工況。模擬建模和工況荷載，如圖4、5所示。

圖4 三維整體模型Fig.4 3D overall model

圖5 其余水池空池、超濾產(chǎn)水池滿水工況荷載示意Fig.5 Schematic diagram of the load working condition of empty tank and ultrafiltration production tank full of water in other tanks

3 設計結果的校核

設置與實際相符的各種荷載作用工況，靈活選用或定義其組合關系，得到的計算結果包含水池所有實際的極限工況，接下來采取簡單的核算辦法檢驗結果的正確性：首先，抽取某一受力簡單明確的構件，查閱單一工況的計算結果，借助計算手冊利用簡化公式計算出結果，驗證單工況計算結果的準確性；然后進行工況組合，用得到的結果與程序的包絡值進行比較，若相互吻合，說明程序計算中各種參數(shù)及工況組合是合理的，結算結果是準確的。

4 裂縫驗算

目前的整體計算軟件，池壁簡化為墻體，其裂縫計算功能有待完善，需要設計人根據(jù)計算配置底板、側壁鋼筋后再進行裂縫驗算。已知受彎構件作用效應的標準組合值，再根據(jù)池壁厚度、保護層厚度、鋼筋及混凝土等級、實際配筋、裂縫限值反算能夠承受的標準組合值，比較兩者，反算值大于作用效應標準值，則受力配筋滿足裂縫要求，反算值小于作用效應標準值，加大受力配筋加強，循環(huán)核算，直到滿足為止。

根據(jù)《給水排水工程構筑物結構設計規(guī)范》(GB 50069—2002)及附錄[1，3]，受彎構件滿足裂縫0.2 mm要求，能夠承受的最大準永久組合值彎矩Mf的過程如下：

(1)

(2)

將α1=0,α2=1及式(2)代入式(1)，得

(3)

(4)

將式(4)代入式(3)，得

(5)

將式(5)得出的Mq代入式(4)，再將σsq代入式(1)～(2)反算ψ，若0.4≤ψ≤1.0，則Mf即為最終結果。

若ψ<0.4，取ψ=0.4，則

(6)

若ψ>1，取ψ=1，則

(7)

式中，ωmax為最大允許裂縫寬度，取0.2 mm；ψ為受拉鋼筋應變不均勻系數(shù)；c為受力縱向受拉鋼筋的混凝土保護層厚度；υ為縱向受拉鋼筋表面特征系數(shù)，對光面鋼筋取1.0，對帶肋鋼筋取0.7；Mq為作用效應準永久組合值，N·mm。

舉例說明：已知6軸線上超濾產(chǎn)水池池壁高7 750 mm，壁厚350 mm，采用C40防水混凝土。

5 采取的措施

混凝土及其表面防護：在混凝土強度設計方面，得到了大多數(shù)設計人員的重視，但對耐久性及防腐蝕引起的重視程度不足，由此，難以確保水池投入運行后的耐久、防滲、防腐能力[8]。

耐久性規(guī)范將水池根據(jù)所處環(huán)境分類，根據(jù)環(huán)境中腐蝕介質的濃度進一步劃分出環(huán)境作用等級A～F，結合設計使用年限，對混凝土強度等級、水膠比和原材料組成、抗凍耐久性指數(shù)、氯離子擴散系數(shù)等具體量化指標、混凝土保護層厚度、混凝土表面裂縫寬度以及施工養(yǎng)護制度要求加以明確規(guī)定[2-3，5]。其中水膠比是一個核心指標，必須按規(guī)定嚴格控制水膠比，特別是存儲腐蝕性水體的抗?jié)B性要求較高、后期漏水和滲水處理難度大、效果差的水池結構，前期設計、施工過程中嚴格控制水灰比會帶來較好的使用效果；強腐蝕環(huán)境下的池體結構本身不足以對抗腐蝕介質的侵蝕，工業(yè)建筑防腐設計規(guī)范[6]依據(jù)各種腐蝕介質含量高低確定腐蝕等級，對各種結構本身有類似耐久性規(guī)范的要求外，提出了建筑防護的概念，特別針對污水處理池有具體的防護方案，腐蝕介質的接觸面涂抹玻璃鋼或樹脂玻璃鱗片膠泥，對混凝土進行加強保護，提供一道附加防線，以免引起混凝土結構的直接受損。

超長設計措施：大型連體水池往往超長，通過加大混凝土強度、提高構造配筋率、向混凝土中添加聚丙烯纖維等，強化水池結構本身的極限抗拉能力；同時采用分段設置后澆帶或加強帶的措施來解決早期混凝土硬化收縮帶來裂縫的問題；這“一抗一放”的兩種措施能夠有效保證水池的正常使用，減少滲漏的出現(xiàn)。

溫度應力處理措施：針對溫度應力影響比較嚴重的部分，需要采用設置預應力鋼筋的方式，強化提升其抗溫度變性能力；配合使用支撐、邊界處理等諸多方式來減少結構的變形量。通常采用設置滑動層等措施，能夠賦予結構一定的自有變形量，能夠切實降低溫度應力，保證大型連體水池不設縫設計的合理性和經(jīng)濟性[7]。

抗浮措施：地下水位較高的陜蒙交界地區(qū)，水池抗浮是個不可忽視的問題，特別是大型連體水池，一旦忽視抗浮問題，即使水池設計得結實，最終也會因抗浮力不足而使整個水池帶動上部結構上浮移位，導致工藝設備及管道的損壞，造成不可挽回的經(jīng)濟損失[9]。設計中首先解決水池整體抗浮安全性問題，除利用上部結構自重，明確停止降水時間，往往通過采用加大底板、豎壁厚度、加大地板外挑尺寸增加配重，外挑過長時增設三角形鋼筋混凝土肋。其次解決水池局部抗浮問題[10-12]，大型水池的抗浮配重往往在池體四周，隨著水位上升，水池中部起拱變形越來越嚴重，給水池底板帶來整體彎矩變形的附加彎矩，不利于水池底板的強度及裂縫控制，甚至威脅到整個水池的結構安全，此時需要采取打抗拔樁或打土層錨桿等方法來解決以上問題?？拱螛兑话氵x用樁徑較小、單樁抗拔力相應較小的樁進行密布。采用錨桿技術造價相對較低，同時因錨桿的布置密度較密，對池底的作用更接近于均布荷載，有利于底板的防滲抗裂。

施工、養(yǎng)護措施：對混凝土實際生產(chǎn)、施工作業(yè)、養(yǎng)護等進行有效管控，以免混凝土應用中產(chǎn)生不必要的早期裂縫，通過施工管理強化提升水池的抗拉、防滲能力[4]。

6 結語

大型連體水池設計的合理性、經(jīng)濟性是以準確建立有限元模型和設定荷載工況為前提的，借助現(xiàn)有技術成熟、操作簡單的有限元軟件平臺來模擬建模和自定義荷載工況，能夠得到相對準確的設計結果，借助反算公式進行正常使用極限狀態(tài)驗算，加上解決大型連體水池的各項設計施工有效措施落實，整個連體水池的結構設計得以快速開展，經(jīng)濟性得以提升，同時期待適用性更強的專業(yè)軟件的研發(fā)推廣，進一步規(guī)范和簡化大型連體水池的設計工作。