北京国环清华环境工程设计研究院 北京 100085
摘要：水池是污水处理厂中的重要基础设施。水池结构设计的合理性、计算模型的正确选择往往较大程度影响造价，结构设计的质量又直接关系到工程的安全性、适用性及耐久性。为了保证污水处理工作的正常运行，延长水池的使用寿命，要在确保质量的前提下，采用经济合理、安全适用的结构形式进行结构布置，确定结构构件的截面和构造。在此，对市政污水处理厂水池结构设计要点浅析，旨在为提高污水处理厂工作效率，优化城市环境，促进城市可持续发展奠定坚实基础。
关键词：市政；污水处理厂；水池结构
一、水池上的作用
1.池顶荷载
池顶荷载为作用在水池顶板的竖向荷载，其中包括板自重、雪荷载、活荷载、板面做法重、若板顶有覆土还包括覆土重。板自重及板面做法重根据实际计算。池顶覆土的主要作用是保温及抗浮。保温要求的覆土厚根据室外计算最低气温确定：当计算最低气温在-10℃以上时，覆土厚可取0.3m；-10~-20℃时，可取0.5m；-20~-30℃时，可取0.7m，低于-30℃时，取1.0m。雪荷载和活荷载不同时考虑，在两种荷载中选择数值较大的一个进行计算。
2.池底荷载
水池地基反力一般按直线分布计算，直接作用于底板上的池内水重和底板自重与其引起的部分地基反力直接抵消而不使底板产生内力。使底板产生内力的主要为池壁和支柱等作用在底板上的集中力所引起的地基反力。无论有无地下水浮力，池底荷载计算方法相同，当有地下水浮力时，作用在底板的地基土应力减小，但总反力不变。
3.池壁荷载
池壁所受荷载主要为作用于水平方向的水压力和土压力，另外还承受池壁自重和池顶荷载引起竖向压力和端外弯矩。水压力按三角形分布，虽然设计水位一般在池内顶面以下200~300mm，但为简化计算以及考虑池内最不利水位，计算时常取水压力的分布高度等于池壁计算高度就，即满水水位计算。池壁外测的侧压力包括土压力，地面活荷载引起的附加侧压力以及地下水压力（有地下水时）。池壁土压力通常按主动土压力计算，土的各参数可按岩土勘察报告所提供的实际数值取用，但当在初步设计阶段或缺乏资料时，土的内摩擦角φ可取30°，土的重度可取18kN/m3。当无地下水时，水池外测压力按梯形分布，当有地下水且地下水在池顶以下时，以地下水位为界分为两段进行梯形分布。在地下水位以下时，在地下水位以下的土由于受到水浮力使其有效重度降低对土压力的影响，此时土的重力密度应取有效重度,一般按10kN/m3计算。为了简化计算，通常将有地下水时按折线分布的侧压力图形取为直线分布。
4.其他作用
除上述作用外，温、湿度变化、地震作用等也会在水池结构中引发附加内力，在结构设计中应该予以考虑。
结构的温、湿度变化会使混凝土产生收缩及膨胀，当变化受到约束不能自由发展时，就会在结构中引起附加应力。引起温度应力的主要原因有两个，其一是由于池内水温及池外温度不同而形成的壁面温差，其二是水池施工期间混凝土浇筑完毕时的温度和使用时季节最高温或最低温之差，称为中面季节平均温差。引起湿度应力的原因也有两个，其一是由于空池装水时，池壁内外混凝土湿度差，其二是水池空池一段时间后，相对与池内有水时，混凝土中面平均湿度的降低值，称为中面平均湿差。
湿差和温差对结构的作用类似，在水池结构设计中，主要可以采取以下措施来控制其不良影响：（1）设置伸缩缝或后浇带，减少对温、湿度变形的约束；（2）配置适量的构造钢筋，抵抗温、湿度应力；（3）计算温、湿度差造成的内力，在计算中加以考虑。
二、设计构造措施
钢筋混凝土水池实际是空间结构体系，其自身约束和外界条件的约束都十分复杂，除通过计算来满足水池强度、稳定性和裂缝宽度要求外，还应该重视结构的构造措施，用以加强结构的整体性，增强其强度、防水及抗渗耐冻性能。设计时通常采用以下构造措施：
1.为了保证施工中捣制混凝土的质量,避免渗水,依据CECS138:2002,混凝土水池的受力壁板与底板厚度不小于200mm。顶板厚度不宜小于150mm。
2.设置“暗梁”。水池易在池壁上部出现裂缝,依据《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》CECS138∶2002“敞口水池顶端配置的水平向加强钢筋内外两侧各不应少于3根,间距不宜大于100mm,直径不应小于池壁受力钢筋,且不宜小于16mm,称为“暗梁”,从而使易裂的薄弱部位含钢率增大,也增强了结构的抗裂性能。
3.水池壁板的拐角及顶、底板交接处，宜设置腋角。腋角的边宽不应小于150mm，并应配置构造钢筋，一般可按墙或顶、底板截面内受力筋的50%采用。
4.配筋时在配镜率相同的情况下，宜优先选用小直径和较密的间距，钢筋间距宜采用100mm~200mm，最小配筋率为0.2%。钢筋接头最好采用焊接，在同一断面接头不大于25%。
三、水池结构设计过程中的常见问题
1.抗浮问题
当水池底面标高位于地下水位以下时，或位于地表滞水层内而又无排除上层滞水措施时，地下水或地表滞水就会对水池产生浮力。此时空池状态就有被水浮力托起或池底板或顶板被浮力顶裂的危险，这时应对水池进行抗浮稳定性验算。
水池进行抗浮设计时，一般优先考虑自重抗浮，通过加大池壁或底板的厚度来增加自重，这种方法虽然增加了混凝土的用量，但是可以减少钢筋量，提高结构的整体刚度。还有一种方法，采用抗拔锚杆或者抗拔桩来抗浮，这种方式能最有效的解决抗浮问题，不仅能满足整体抗浮要求，还能满足局部抗浮要求，但造价较高。以上抗浮方法在污水厂钢筋混凝土水池的设计中应用比较广泛，采用抗浮方法的同时，应在施工中采取相应的降排水措施，降低地下水位，尤其在降水量较大的雨季。
2. 防渗漏问题
市政污水厂中水池在污水处理过程中，大多数时候是处于有水状态，钢筋混凝土结构是带裂缝工作的，一旦裂缝宽度大于工艺要求对其裂缝的规范允许值，就会出现渗漏。产生裂缝的原因主要有如下几点：（1）混凝土结构由于自身收缩变形出现拉应力，混凝土抗拉强度低，容易出现裂缝；（2）混凝土振捣不均匀，产生蜂窝等引起渗水；（3）水池底板与池墙的混凝土是分开浇筑的，中间水平施工缝止水板焊接不符合要求，也可能导致渗水；（4）地基处理不合格，基础发生不均匀沉降导致裂缝产生。在设计的时候需要考虑裂缝的控制，以减少裂缝的产生。一般有以下几种方法减小裂缝：（1）在混凝土中掺加混合料，减小水灰比，从而减少水化热，还能改善混凝土的性能；（2）使用减水剂，用以减少混凝土的收缩变形，提高混凝土的抗裂性能；（3）混凝土分层浇筑，严格按照要求振捣密实，避免正道不密实和漏振的现象；（4）施工缝处刚性止水板应双面满焊，保证施工质量；（5）尽量使水池底板落在同一持力层，若土层特性及分布差异较大，应对地基进行适当处理，用以减小基础的不均匀沉降。
结语
污水处理厂的水池结构设计是污水处理厂建设中非常重要的工作。因此在水池结构设计过程中必须把握好设计要点，根据当地的自然环境等因素，因地制宜地优化水池结构，提高水池结构质量。
参考文献
[1]魏本宝.浅谈污水处理厂的水池结构设计要点[J].城市建设理论研究（电子版），2018，253（7）：139.