某污水处理厂生化组合池结构设计

 宋欢艺

 (广州市市政工程设计研究总院，广东广州510060)

摘要：以广东某工业园污水处理厂生化组合池为例，介绍在平面尺寸大、埋深较深、地质条件复杂条件下，大型水池的结构设计。分析结构设计的难点，对地基处理、壁板厚度的确定、抗浮设计、超长结构的处理等进行详细的介绍。较好解决大型水池结构设计的相关难题，并为其他污水处理厂大型水池的结构设计提供一些经验。

关键词：水池；结构设计；地基处理；抗浮

中图分类号：X505 文章编号：1004-4655( 2016) 02-0046-03

 越来越多的污水处理厂采用组合池的形式，将多个水池组合成一个大水池，以便减少投资、节约用地面积。广东某丁业园污水处理厂生化组合池，由水解酸化池、生物反应池、二沉池、转盘滤池及氧化池组合而成。组合池全长83.4 m，全宽40.9 m，其中水解酸化池高10.7 m,埋深6.9 m；生物反应池高7.5 m，埋深4.7 m；二沉池、转盘滤池及氧化池高5.5 m，埋深3.7 m。生化组合池平面布置示意图如图1所示，钻孔剖面图如图2所示。

 结构设计基准期采用50 a，地基基础等级为丙级，构筑物环境类别为二(a)类，抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g，设计地震分组为第一组，场地类别为类Ⅱ类。设计最高地下水位标高取为设计地面标高以下0.5 m，抗浮安全系数为1.05。

1工程地质条件

 根据地质勘察报告，本项目场地由上到下各土层分别如下。

 1)①1素填土。结构松散，成分主要为粉质黏土和砂土，地基承载力特征值f a k= 70 k Pa。

 2)②1粉质黏土。可塑为主，少量软塑，黏性、韧性中等，干强度中等，含砂颗粒，f a k=140 k Pa。

 3)②2淤泥。饱和，流塑，主要由黏粒、粉粒组成，土质软弱滑腻，含多量腐殖质，f a k= 40 k Pa。

 4)②3粗砂。稍密、饱和，成分主要为石英、长石，含黏性土，砂质不均匀，f a k=90 k Pa。

 5)③1粉质黏土。硬塑为主，少量可塑，以粉粒为主，土质不均匀，f a k= 250 k Pa。

 6)④1强风化泥质粉砂岩。风化强烈，岩石结构清晰可见，岩质极软，f a k= 500 k Pa。

 7)④2中风化泥质粉砂岩。粉砂质结构，层状构造，岩质极软，f a k=1 000 k Pa。

 地下水类型为第四系砂层孔隙水和基岩裂隙水2种，土层透水性和富水性差，地下水含水量较为丰富。地下水、土对混凝土及混凝土结构中的钢筋有微腐蚀性。

2结构设计

 该生化组合池平面尺寸大、埋深较深、地质条件复杂，结构设计的难点在于地基处理、壁板厚度的确定、抗浮设计、超长结构的处理等。这些难点的处理并不是独立的，而是相互关联，需综合分析处理。

2.1地基处理

 根据地质勘察报告，水解酸化池底板落于②1淤泥层，距④1强风化泥质粉砂岩层约0.5 m；生物反应池底板落于②1粉质黏土层；二沉池、转盘滤池及氧化池底板落于①1素填土或②2淤泥层，淤泥层厚度达10 m以上。

 根据初步计算，水池地基反力在130 k Pa左右，因此②2粉质黏土层和④1强风化泥质粉砂岩层是天然基础理想的持力层，①1素填土或②2淤泥层不能作为持力层。由于水解酸化池下淤泥厚度较薄，仅0.5 m厚，将②2淤泥层全部挖除后，揭露④1强风化泥质粉砂岩层，再换填1:1碎石砂垫层，压实系数≥0.95，换填处理后地基承载力特征值须≥140 k Pa。

 二沉池、转盘滤池及氧化池下淤泥层较厚，达10 m以上，不能通过挖除后换填的处理办法，须采用桩基础或复合地基处理。桩基础造价相对较高，但桩基可兼做抗拔桩，在自重不满足的情况下应首选，而复合地基造价较低，在自重不满足抗浮时考虑抗浮问题。经初步计算，二沉池、转盘滤池及氧化池抗浮系数为1.57，自重满足抗浮要求，故采用复合地基处理。复合地基可采用预制方桩、水泥土搅拌桩、旋喷桩、CFG桩等。预制方桩、水泥土搅拌桩造价相对较低，应优先选用，根据该污水厂周边工程地质情况，水泥土搅拌桩在淤泥中成桩较差，而预制方桩应用较广，效果良好，故二沉池、转盘滤池及氧化池采用预制方桩复合地基处理。

  水解酸化池、生物反应池采用天然基础，而二沉池、转盘滤池及氧化池采用复合地基，变形难以协调，需设置沉降缝。考虑到组合池长度较长，温度应力较大，应设置变形缝，可将变形缝与沉降缝合二为一，将生化组合池通过一道变形缝分为2个独立的水池：水解酸化池、生物反应池为西池，二沉池、转盘滤池及氧化池为东池。

2.2壁板厚度的确定

 池壁厚度一般根据计算的最大弯矩，按0.5%~0.8%的配筋率，将裂缝控制在0.2 mm以内。顶板厚度一般取150~250 mm，底板厚度可取池壁厚度加50~100 mm。在自重抗浮缺口不大时，可适当加厚壁板厚度，利用自重抗浮。

 根据初步计算，除水解酸化池壁厚为700 mm外，其余水池主要受力池壁厚度均为500 mm，导流墙壁厚取300 mm。通常池壁厚度>700 mm时采用变截面池壁以降低造价。分别采用等截面、变截面池壁，通过有限元软件分析，水解酸化池池壁计算结果如表1所示。

 根据表1结果，采用变截面池壁时，由于池壁下部刚度比上部大，底部最大弯矩比采用等截面的池壁增大约25%，壁厚取850 mm。在相同混凝土体积的情况下，钢筋用量增加约13%，因此采用变截面的池壁不一定经济，且施工不方便，故水解酸化池壁厚取700 mm的等截面。

2.3抗浮设计

 经计算，仅考虑自重抗浮，水解酸化池抗浮系数为1.08，生物反应池抗浮系数为0.97，二沉池、转盘滤池及氧化池抗浮系数为1.57。生物反应池抗浮系数不满足设计要求。

 抗浮不满足时，采用自重抗浮、压重抗浮、抗拔桩、抗拔锚杆等。由于生物反应池采用天然基础，且水池结构自重与地下水浮力相差不大，采用自重抗浮或压重抗浮。自重抗浮一般通过加大水池池壁、底板或顶板截面增加水池自重，压重抗浮是在底板配重、顶板覆土或底板外挑上压重进行抗浮。自重抗浮通常比压重抗浮造价较高，而采用底板配重抗浮需增加水池的开挖量，底板外挑部分上压重会增加水池底板地基反力的不均匀性，使池底板的内力增大。且不论是底板压重还是底板外挑上压重，增加的压重容重为浮容重，效果不如顶板覆

土。根据计算，生物反应池顶板只需覆土0.5 m。抗浮系数即可由0.97提高到1.07，且覆土后在顶板种植草皮，增加景观效果。

2.4超长结构的处理

 生化组合池全长83.4 m，全宽40.9 m，通过变形缝将生化组合池分为2个独立的水池：西池平面尺寸为55.8 m×40.9 m，东池平面尺寸为27.6 m×40.9 m。根据GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》，矩形构筑物的伸缩缝最大间距为30 m。对于西池，在长度方向设置一道1m宽的后浇带，两边长均< 30 m，减少温度应力的不利作用。东、西两池宽度均为40.9 m，大于规范规定的30 m，若再设置变形缝或后浇带，给施工带来较大困难。根据施工及设计经验，通过选用水化热低的水泥、合理安排结构的浇筑时间、加强底板及池壁的水平钢筋，最大限度地降低温度应力的不利影响。

3结语

 以广东某工业园污水处理厂生化组合池为例，介绍在平面尺寸大、埋深较深、地质条件复杂条件下的大型水池结构设计。通过采用合理的分缝、顶部覆土、设置后浇带等简单有效的措施，既巧妙地解决地质不均匀、抗浮不满足等设计中的难点，又节省造价，取得良好的经济效果。该水池土建已施工完毕，尚未发现裂缝或不均匀沉降现象，效果良好，经验总结如下。

 1)大型水池设计，地基处理是关键，若地质情况相差较大，可通过设置变形缝将水池分成若干稍小的水池，并采用不同的地基处理形式。

 2)壁板厚度的确定，应根据最优含钢量、抗浮综合比较，选取最优值。

 3)水池抗浮缺口不大时，首选压重抗浮，在条件允许时，优先选用顶板覆土。

 4)超长结构可通过变形缝和后浇带减少温度应力的不利影响。采取相应措施后，水池可做到30 m以下不设缝。