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污水处理项目设计特点分析

文档作者：潘谊文档来源：中国昆仑工程公司		点击数：	更新时间： 2024年04月29日
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第40卷第2期
2013年2月
建筑技术开发
Building Technique Development
Vo1．40，No．2
Feb．2O13
污水处理项目设计特点分析
潘谊
(中国昆仑工程公司，北京 100037)
[摘要] 介绍污水处理项目中的结构设计要点，通过实例说明在不同的情况下，如何更好地合理优化方案，优化设计，
以达到节约投资的目的。
[关键词] 污水池；结构优化；方案布置
[中图分类号] TU318 [文献标志码] A [文章编号] 1001—523X(2013)02—0013—05
1 概述
新世纪以来，国家大力提倡可持续发展和循环
经济，在环保节能领域加强了投入与监管，一大批生
活污水和工业污水处理项目纷纷上马。在污水处理
项目中，土建成本占总成本的比例在30％ 以上。因
此，如何根据污水处理项目的类型、规模选用合理的
结构方案、防腐方案、试水方案对实现项目的总体经
济目标有着举足轻重的意义。本文从优化设计、节
约成本的角度出发，试从以下几个方面对污水设计
项目进行适当的总结。
2 平面布置
在满足工艺和总图要求的前提下，池体的平面
布置应尽量成正方形，这基于一个简单的数学原理：
在同样面积的情况下，形状越接近正方形，边长之和
越短。对应到水池来说就是在底板面积相等的情况
下，池壁最短，能最大限度的控制成本，如图1和图
2的比较。
40 000
图1 长方形水池平面
— — — —
— — — —
图2 正方形水池平面(合理方案)
收稿日期：2012—11—15
作者简介：潘谊(1981-)，男，重庆人，毕业于重庆建筑大学，工程师
(一级注册结构工程师)，现从事结构设计工作。
对于多格水池而言，布置上尽量成正方形，除了
上述的优势外，更是计算的需要。以事故调节池为
列，实际工程上曾分别采用过两种做法，如图3和图
4所示。
事故池
调节池
调节池
图3 事故调节池平面(合理方案)
事故池 调节池 调节池
图4 事故调节池平面(不合理方案)
图4中调节池和事故池呈长向布置，三格水池
间共用池壁少，最终池壁工程量远大于图3的做法。
另外还有一个重要的原因，图4的布置长边远远超
过规范所允许的长度(长边有可能超过120 m)，因
超长产生的温度应力和混凝土的收缩会对池体产生
严重的影响，即使设置膨胀加强带也不足以消除这
种影响。唯一能够实现的方法就是沿池壁水平向布
置大量的预应力钢筋来消除超长产生的附加应力。
但是，如超长太多，即使使用预应力钢筋，也会因超
长张拉产生大量的预应力损失而达不到目的，因此，
这种过长的水池一般应设置后浇带，在后浇带处设
置张拉点。然而这种复杂的设计方案和繁琐的施工
过程，不仅造价偏高，而且会严重影响了工期，所以
应尽量避免采用这种方案。
采用如图3的布置方案既能使池壁的工程量偏
少，又能避免超长产生的诸多问题。一般边长控制
13
第2期 潘谊：污水处理项目设计特点分析 第40卷
在80 m以内，通过设置一定的膨胀加强带，可实现
一次浇筑、一次预应力张拉。
在项目初设阶段，工艺和土建的人员应及早沟
通，使平面布置尽量规则，排出合理的平面方案。
3 水池底板以及地基处理
水池对地基土承载力要求一般不太高，即使是
池高最高的厌氧池、射流池等，水深一般都在10～
11 I'／1左右，地基承载力特征值如达到150 kPa就能
满足要求。中密以上的砂土、粉土、可塑以上的粘土
一般都能满足设计要求。此时水池的底板可设计为
变断面，与池壁连接的部分底板可按挡水墙来设计，
底板的厚度及宽度按计算取值即可。而大面积的水
池中部底板仅仅起一个传力的作用，底板可以按构
造取，一般250～300 mm厚即可。这样不仅能节约
大量的混凝土用量，而且还能避免做成等厚的底板。
钢筋需按截面厚度的最小配筋率控制时，人为的加
大配筋，会造成不必要的浪费。
但是在沿海、沿江地区，地表土往往松散，甚至还
有不少淤泥，表层土地基承载力特征值一般小于
100 kPa，不能满足设计要求，因此需对地基土进行处
理。常用的基础设计方案有两种，如图5、图6所示。
图5 池底板与桩的连接详图
1一池壁
图5是一种常规的处理方案，即采用桩筏基础。
池体荷载由桩承载，这种方法与框架结构的承台类
似。优点是质量可靠，施工速度快。弱点是底板的
厚度往往由桩对底板的冲切来控制，池中部的底板
图6 复合地基处理后的底板布置
1一池壁；2一与池壁连接处底板厚度根据计算需要取；
3～减薄处构造底板；4～250 mm厚褥垫层
不能减薄，一般需500 mm厚以上，这就大大增加了
混凝土的用量。
图6是一种安全可靠、经济合理的基础方案。
此方案是运用复合地基的概念，充分发挥桩和桩间
土的协同作用。《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79—
2002)中(9．25)计算公式如下：
R
。k=m S- + (1一m) 。k
，lP
。
一复合地基承载力特征值(kPa)；
m一面积置换率；
。
一单桩竖向承载力特征值(kN)；
A 一桩的截面积(m )；
一桩间土承载力折减系数，宜按地区经验取
值，如无经验时可取0．75～0．95，天然地基
承载力较高时取大值；
厂Rk一处理后桩间土承载力特征值(kPa)，宜按
当地经验取值，如无经验时，可取天然地基
承载力特征值。
图6中的桩一般可采用两种类型，即半刚性桩
(如水泥土搅拌桩)和刚性桩(如预应力管桩)，在
桩顶铺设200～300 mm厚的碎石或砂石褥垫层以
保证桩土的协同工作。水泥土搅拌桩和预应力管
桩的特点及与图5的桩筏基础的比较详见表1。
表1 水泥搅拌桩、预应力管桩与桩筏基础的比较
桩型 直径／mm 桩间距／mm 每米造价／元 桩长 综合成本比较 优点 缺点
水泥土 经济、质量较可 水泥土强度增长
500 1 000～1 500 60—70 短 水泥土搅拌桩的 需要一定时间，至少
复合 搅拌桩 靠，可做变断面底板
地基
每平米造价约为为 28 d以后方可检测
预应力 管桩的70％ ～80％ 质量可靠
， 可做变 造价比搅拌桩
400 1 500—2 000 120一l40 短
管桩 断面底板 略高
预应力 400
造价最高，底板必
桩筏 2 000—3 000 140—180 长 成管 本相 当高 质量可靠 须做成 等厚，浪费钢
桩 500
筋和混凝土
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第2期 潘谊：污水处理项目设计特点分析 第40卷
要求的前提下应尽量把池壁顶端设计成弹性支承或
不动铰支承，这样不仅优化了设计模型，而且达到节
省土建成本的目的。
5 池壁超长的解决方案和伸缩缝的设置
相对于普通框架结构而言，水池的施工属于大
体积混凝土施工。在混凝土节水排水工程中，水泥
水化热的温升温降、环境温度的季节变化、人池污水
的温度变化、混凝土中的湿度变化以及混凝土自身
的收缩变形等均可导致混凝土体积的变化。对体量
较大的混凝土构筑物，其体积的变化可在结构中产
生很大的次应力而使混凝土产生开裂甚至破坏。在
污水处理项目中，很多池体如：事故调解池、厌氧池、
曝气池、生物滤池、均质池等都是大型池体，长度多
在50～100 m范围内，其长度和宽度都超过了《给水
排水工程构筑物结构设计规范》(GB 50069—2002)
第6．2．1条的规定，即露天水池伸缩缝的距离不得
超过20 m。为了解决超长带来的种种问题，主要有
以下几种方法。
5．1 设置伸缩缝
从壁板到底板整体断开，伸缩缝处设橡胶止水
带。这种方法能有效的避免超长产生的次应力，但
也带来了相当多的伴生问题。
1)当地基土承载力较差时，缝两侧的底板可能
产生不均与沉降，一定量的位移就可以将止水带拉
裂，造成漏水。
2)施工困难，很难将止水带的止水球放在缝中
间的位置，一旦位置不准，止水球就是失去了吸水膨
胀的能力，造成漏水。
3)橡胶止水带耐久性差，使用期间随着时间的
延长，橡胶的止水带会老化，性能会逐渐降低，池体
浇筑成形后无法对止水带进行更换。
4)如果一定要采取设缝的方案，应尽量底板不
设缝，池壁设缝。若选择了底板设缝的方案，底板缝
一定要有别于其它类型的缝，如图10所示。
16
图10 底板伸缩缝做法
5．2 设置膨胀加强带
全池混凝土中添加膨胀剂，同时每隔一定距离
设置膨胀加强带。膨胀剂加入混凝土中后，与水泥
水化物反应产生大量矿相，使混凝土产生微膨胀，由
于受到钢筋等限制，使混凝土产生0．2～0．8 MPa的
预应力，有效地补偿了混凝土的干缩和冷缩；同时水
化生成的大量矿相具有填充毛细孔缝的作用，使毛
细孔变细、减少，增加了密实性，从而提高了混凝土
的抗裂防渗性能。通过近几年的工程实践，得出了
在不设置伸缩缝的前提下膨胀加强带的设置间距，
详见表2。
表2 膨胀加强带的设置
池边长 20 Ill以内 20～40 in 40—60 m 60 in以上
膨胀 间距约20 m一道，
加 不用设 设一道 设两道 同时设水平预
强带
应力筋
综上所述，在污水处理项目中，通过合理化布置
水池的平面以减小长边尺寸，所有的水池都可以采
用不设置伸缩缝的方案。
6 大型水池整体方案布置实例
在与相关专业充分沟通，并取得一致意见的前
提下，进行平面布置、底板方案、池壁方案优化以后，
整体方案基本上就可确定。以中石油辽阳石化污水
某大型水池为例，整体布置如图11。
通过设置扶壁柱及压顶水平圈梁，将壁板单元
由9 m高的下部固端、顶部自由的板单元分隔成i
边固端，顶部不动铰支承的板单元，大大减小了池壁
板的厚度。同时在池中部也设柱，池顶两个方向均
设置拉梁，使整个池体单元整体刚度大为加强，受力
体系更加明确。
7 ANSYS计算软件和预应力在水池中的应用
水池尤其是多格水池，其工况多、应力曲线分布
复杂。目前专门针对水池设计的专业软件还很不成
熟。对于简单的水池，尚可以依靠简单程序或人工
计算，但复杂池体需要进行多次迭代，需耗费大量的
时间才能得出较为简单的应力分布曲线，工作效率
很低。目前对于复杂的水池主要是采用ANSYS通
用软件对其进行有限元分析，其计算结果比较准确。
但由于ANSYS是通用软件(广泛应用于压力容器、
航天等领域)，其前处理比较复杂。图11是运用
ANSYS软件得出的USAB厌氧池应变分析结果。
第40卷 潘谊：污水处理项目设计特点分析 第2期
A
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800~30C
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FBZ2 QL(1) FBZ3
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图10 水池整体布置实例
豢 魏蠢 溢誊蠹 溅 麓*溯麟 蝴
3．75 5 6
．
25 7．5 8
．
75 10 11
．25
图11 运用ANSYS软件得出的USAB厌氧池
应变分析结果
PTA污水和炼油污水领域内，主要的池体如事
故调节池、UASB厌氧池、射流曝气池、生物滤池等
液位水池高度均在8～11 m之间，弯曲应力过大，一
般在8～10 MPa之间，按照常规的钢筋混凝土计算
壁厚一般会达到600～800 mm左右，钢筋的配筋率
也较高。同时混凝土钢筋长期处于高应力状态，加
上池体体量巨大，从长期使用过程较来看，未施加预
应力的水池裂缝开展较大。因此此类水池一般应铺
设预应力钢筋。预应力钢筋承担基本组合下的全部
拉应力，并承担标准组合下裂缝的控制作用(一般
水池配筋由裂缝验算控制)，非预应力钢筋只按构
造配筋即可。
1)裂缝控制等级为二级。一般要求不出现裂缝
的构件，在荷载效应标准组合下拉应力小于混凝土
轴心抗拉强度标准值，or。 一or。。≤ 。
2)池壁、扶壁柱、压顶圈梁预应力筋采用无粘
结低松弛钢绞线，直径l5．2 mm，抗拉强度标准值
1 860 MPa。
3)预应力筋当采用有粘结低松弛钢绞线时，直
径15．2 mm，抗拉强度标准值1 860 MPa。
4)钢绞线控制应力取6⋯ =0．75厂D ，长池壁中
预应力损失按35％计，即每束预应力筋有效张拉力
为127 kN，短池壁和梁中预应力损失按30％ 计，即
每束预应力筋有效张拉力为137 kN。
8 结论
1)污水处理工程的土建工程造价占工程总成
本的比例高，项目开展初设阶段就应明确结构布置，
以达到优化方案、控制总投资的目的。
2)在结构和工艺人员充分沟通，不影响管道及
设备布置的前提下，尽量使水池的平面布置有利于
结构的受力和截面的优化。
3)由于缺乏专门系统的水池结构计算软件，因
此计算模型应力求简化。对于超长、超高、水温较高
的水池应使用ANSYS进行计算。
参考文献
[1]建筑地基处理技术规范(JGJ79—2002)
[2]给水排水工程构筑物结构设计规范(GB 50069—2002)
[3]给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程(CECS 138：2002)
[4]给水排水工程结构设计手册编委会，给水排水工程结构设计手
册，2006
[5]无粘结预应力混凝土结构技术规程(JGJ 92—2004)
[6]预应力筋用锚具、夹具和连接器应用技术规程(JGJ 85—2002)
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