大型污水处理厂水池结构设计探讨

摘　要：随着经济建设的高速发展及环保意识的提高，我国针对水资源的可持续利用颁布了一系列的法律法规，而大型污水处理厂的规划及建设也越发频密。而污水池作为污水处理厂最为重要的结构设施，其结构设计往往影响着污水处理的效果及设备使用年限，而本文就污水池结构的关键技术措施及方法进行分析，探讨保证水池结构设计安全的有效技术措施。

关键词：大型污水处理厂；水池结构；设计
随着我国城市化建设进程的加快，城市环境污染越发严重，而水污染则成为了环境污染最为困扰的问题。如何合理处理污水，对水资源进行合理开发及可持续利用，已经成为各级政府广泛关注的重要议题。近年来我国建设了不少大型污水处理厂，但是由于对污水污染源的认识不足，其水池结构常常达不到使用要求，每年必须投入大量的维护大修费用，不仅造成了浪费更使污水处理厂不能满负荷运转，造成了资源浪费。本文结合某新建大型污水处理厂水池结构的设计，对防腐、抗渗、抗裂等关键技术进行重点分析。
　　一、污水处理厂水池结构设计特点
　　新建污水处理厂必须达到安全适用、质量可靠、技术先进、经济合理的优化要求，而对于设计人员来说，如何对其核心结构构筑物污水池进行优化设计，是设计人员最重要的任务。污水池结构设计除了要做一般水池需要的荷载组合计算、强度计算、抗裂度计算、裂缝宽度演算等水池结构计算外，还需要考虑其污染源的特殊要求，增加防腐设计、抗渗设计、抗压设计、防水设计等要素。特别是针对工业园区的污水处理，由于其带有重金属污染的特性，在防水和防渗性能要求上则更为严格，如何避免污水池污水渗漏引发地下水二次污染，延长水池使用寿命，已经成为最新的独立课题。
　　二、污水处理厂水池结构设计存在问题
　　1.防渗透要求偏低，抗渗系数严重不足，使用年限达不到设计要求。
　　污水处理厂中的水池结构一般为钢筋混凝土结构，但是很多设计师在结构设计中片面的强调混凝土结构的抗压强度，但是却忽略了抗渗系数的应用，在实际使用过程中，由于污水池常年近满水位运行，加上温度和湿度差异造成的内部应力，表面产生了龟裂，影响使用。
　　2.缺少应对污水池表面材料的施工工艺设计。
　　在过去的水池结构设计中，只考虑结构设计的稳定性和稳固性，减少不均匀沉降带来的裂缝等情形，但是在实际应用中，由于污水腐蚀及渗透等因素造成表面细裂缝生成，进而腐蚀结构内部，在设计时缺少对于水池表面涂刷材料的施工工艺设计及二级结构防腐措施。
　　三、污水处理厂水池结构设计要点
　　在正常的载荷作用之前，首先要对水池构筑物混凝土预加压力，产生人为的应力状态，由此它所产生的预压应力抵消了由载荷所引起的大部分或全部拉应力，致使池体在使用时应力显著减少或不出现应力，这样才能有效预防池体裂缝的发生所引起的池体强度的降低。
　　1.应结合当地地质条件进行结构设计和校核验算，以满足国家规范要求。
　　①结构强度的演算：无论是哪种结构类别和结构形式的水池都必须进行结构强度的演算。设计师在进行结构计算之前，必须参考相应的工程地质勘察资料和当地水文地质报告，针对项目本身的荷载条件进行强度演算及校核验算。特别是对于处于不同岩层结构上的水池，更需要对起地基基础及结构稳定性进一步验算，避免由于地质问题带来的结构问题，造成重复建设及维修困难。
　　②抗裂度或裂缝宽度的验算：如果是采用钢筋混凝土的污水池，需要进行抗裂度或裂缝宽度的验算。如果荷载作用下，构件截面为轴心受拉或小偏心受拉的受力状态时，要进行抗裂度的验算。而荷载作用下构件截面为受弯、大偏心受压或大偏心受拉的受力状态时，则应进行裂缝宽度的验算。
　　③抗裂度验算：如果是采用预应力结构的混凝土污水池还应进行抗裂度验算。
　　2.综合考虑荷载及各项荷载组合，不缺不漏，以达到安全要求。
　　污水池荷载要素一览表

　　由上表可知，各项污水池荷载要素进行综合考虑，会形成荷载组合，而在进行结构设计时，荷载组合一般会成对出现或者组合出现，因此要进行细项分析，才能确认最终的荷载结构。
　　①基本组合：水压+自重。这是水池结构设计的最基本组合，也是最粗放的设计模式。无论是哪种水池结构都必须达到这一要求。对于一些小型的二次污水处理池及净水池，由于其侧面土压和温度湿度荷载忽略不计，也可以单纯以这一模式进行结构设计。
　　②南方组合：水压+自重+冬季温差。这种荷载组合综合考虑了温差、湿差和水压的共同作用，特别是在北方冬天，这种设计组合往往不能满足需要。
　　③应性组合：水压+自重+湿差。这种荷载组合，充分考虑了温差、湿差和水压的共同作用。但是这种荷载考虑在晨暮温差较大的地区，则容易造成水池表面结构龟裂。
　　④埋土组合：土压+自重。这种组合考虑是基于埋挖式或者半埋式污水池结构设计，这时污水池外有覆土，而且池壁底部低于地下水位时还有地下水压力。由于目前考虑污水厂水池建设的土方回填等应用，一般设计以这种半埋式水池为最优化设计。而这种水池结构组合荷载考虑模式也是最为常见，应用性最强的。这种荷载组合情况没有考虑水池自身的水重，属于水池放空或者闲置状态的荷载。
　　鉴于当地实际情况及荷载组合情况可知，污水池应采用上述这四种组合中最不利的情况求得内力进行结构计算。由此，可以得出污水池结构设计的关键参数：综合考虑水池顶盖自重荷载、覆土重量，强度设计的安全系数一般取1.0；结合池壁水压及覆土压力，池壁强度设计的附加安全系数取0.9；考虑水池池底与地基同步工作均布荷载，底板强度设计的附加安全系数取0.9。
　　3.污水池裂缝产生原因及结构对策
　　根据对已建成污水处理厂水池的调研，产生的水池裂缝一般为竖向裂缝。这些裂缝有两类:一类是贯穿性裂缝，主要由污水池构造主体的混凝土收缩，自身材料应力引起；一类是表面龟裂，主要出现于池壁外侧，而后逐步扩张延展至整个界面。而且基本上所有的外挑现浇走道板都产生裂缝，因此在结构设计时，必须考虑以下结构对策：①预制的装配式走道板和现浇走道板必须设置伸缩缝，一般设置考虑为每隔3m～4m设置一道。②对于无顶盖的矩形水池，要在水池顶部每个侧边设置2根以上的水平钢筋，以防止顶部开裂造成的结构破坏。③对于矩形水池， 水平方向的最小构造配筋率每侧不应小于0.15%。④对于圆形水池，外侧的最小构造配筋率不宜小于0.35%， 内侧不宜小于0.15%。⑤对于半埋式水池池壁，全截面总配筋率不宜小于0.3%。⑥无顶盖水池上层最小构造配筋率不宜小于0.15%，下层配筋率及有顶盖的水池底板配筋率不小于0.1%。总体而言，任一界面的最大配筋率可以达到1%左右。
　　4.污水池结构表面材料防腐涂刷施工工艺设计
　　由于污水的严重污染性，其一旦渗漏会给地下水造成二次污染，甚至是重金属污染蔓延。因此污水池的表面防腐及结构的二级防腐防渗措施，应考虑为结构设计的一部分延展应用，必须列入施工工艺的特别说明中，用以指导施工。①采用现浇混凝土施工工艺，按照施工深度进行分节浇筑，浇筑完毕后及时养护，禁止震动；②在半埋式污水池结构设计时，必须进行底层防腐、防潮和防渗处理，一般而言要做到三层防潮处理措施；③浇筑完毕后，在水池内壁表面进行防水层施工，一般使用环保纳米材料进行多次涂刷；④地面水池的外层，应采用喷涂沥青防水层进行防水，先涂冷底子油，然后涂刷两道沥青防水材料。
　　四、结束语
　　污水处理厂的水池由于其特殊性，除必须满足结构强度外，还应保证其防水抗渗以及在长期使用下应具备的水密性，耐腐蚀性，抗冻性等耐久性能。设计师中应全面考虑各种条件，分析各种因素，因地制宜，采取不同防腐抗渗措施和方案，扬长避短，做出满足大型污水厂水池结构需要的最优设计方案。
参考文献:
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