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摘要：在农村污水治理工程中，村庄分散，处理站数量较多，规模小，多种水池组合成一个整体，工艺要求特殊，结构复杂，采用简单构件计算方法不能得到合理的结果。通过工程实例，演示了理正复杂水池程序建模、条件输入、计算及注意事项，计算结果可靠合理，三维显示方便审查、结果查改，很大程度上提高了设计人员的工作效率，为以后类似工程提供参考。
关键词： 污水站；复杂水池；三维建模；区格定义；有限元分析；
0 引言
水池是给水排水工程中重要的构筑物之一，由于经常贮水或深埋地下，多种不同功能的区格组合在一起，每个区格的水位经常根据运行情况发生变化，一般要承受较大的水压力、土压力。在结构的构造上需着重考虑外，还要求有较高的强度和良好的抗渗性、抗冻性和耐久性，以保证结构长期稳定使用。
在农村污水治理中，因村庄分散，不够集中，污水处理站数量较多，规模小，有些结构简单，有些复杂，采用简单构件计算方法不能得到合理的结果[1]，造成设计周期过长，计算结构的准确度那难以保证。为解决以上问题，出现了很多电算程序，本文主要介绍了理正复杂水池计算程序，其采用弹性地基与水池结构共同作用的厚壳有限元分析，集成三维建模与显示，主要模块分为：“上层布置”、“底板布置”、“中间层”和“计算结果”[2]，方便结构设计人员设计、查改，提高了工程可靠性、安全性和经济合理性。
1 工程概况
穆家峪镇北白岩村地处密云区城北，密关路以西，近年来旅游人口较多，现状污水处理站规模较小，均出现溢流现象，且基础结构部分腐蚀严重，设备已到大修年限，不能满足正常使用需要；北白岩村位于密云水库二级保护区范围内，不达标污水排放直接影响密云水库的水质，密云水库作为首都重要饮用水源地，水库水质关系首都供水安全，因此需要对现有污水处理站进行改扩建，确保排水达标排放[3]。
污水处理站为满足工艺、耐久性、造价等要求，一般采用钢筋混凝土水池，其设计要进行地基承载力验算、抗浮验算、配筋设计、裂缝验算、抗剪验算等。北白岩村污水处理站规模为340m³/d，规模较小，且采用一体化处理单元，只需设计预处理结构部分，其涵盖了提升泵井、预处理池、调节池、贮泥池等，平面布置为多层多区格地下水池，受力上较为复杂，不适用简单构件计算软方法，手算方法费时费力且经济合理性差。
2 水池设计
2.1初拟尺寸及相关假定
2.1.1初拟结构尺寸
根据工艺图净尺寸要求及相关规范[4]初步确定结构尺寸，水池采用现浇带盖钢筋混凝土矩形结构，为满足强度抗渗抗冻要求采用C30S6F150混凝土，水池埋深0.5m，底板厚0.6m，外挑板长0.5m，池壁厚0.5m，内墙厚0.3m，顶板厚0.3m，主梁0.3×0.6m，次梁0.3m×0.5m，提升泵井区格设操作平台，厚0.2m。池壁与顶、底板整体连接。水池平面图及剖面设计见图1。
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图1 平面图及剖面设计 mm
2.1.2相关假定
为建模快捷方便，又因工艺穿墙孔洞较小，开孔尺寸均小于φ400，虽顶板人孔、吊物孔较大，但考虑了设梁与孔洞加强钢筋，可暂不考虑池体开洞；又因水池内设备及素混凝土回填均处于底板上，对构件弯矩影响较小，主要影响抗浮验算，且对抗浮验算有利，底板暂不考虑设备和回填混凝土；据以上假定进行建模。水池三维模型见图2。
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图2水池三维模型
2.2地质条件
2.2.1工程地质条件
拟建场地地面以下20m勘探深度范围内的地层其岩性及工程特性划分为4个大层，现根据成因年代由新至老叙述如下：
房渣土。杂色，中密，稍湿，含碎石、卵石、砖渣、植物根；厚度0.7m。
卵石②。杂色，中密，稍湿，D大=10cm，D一般=4-6cm，亚圆状，级配较好，中砂充填30%；厚度0.7m。
黏质粉土—砂质粉土。褐黄，中密～密实，稍湿～湿，云母、氧化铁、混碎石屑及少量卵石；厚度1.1m。
细砂层，褐黄，中密～密实，湿，云母、氧化铁、夹少量黏性土；厚度2.1m。
卵石③。杂色，中密～密实，稍湿，D大=10cm，D一般=4-6cm，亚圆状，级配较好，中砂充填25%；厚度3.9m。
水池基础置于卵石③土层上，地基承载力标准值fka=350kPa。地层空间分布情况、特征综述与原位测试结果，见表1。
表1 土的物理力学性质指标
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根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）（2016年版），拟建场区抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度值为0.20g，设计地震分组为第三组[5]。
2.2.2 水文地质条件
场址勘探钻孔深度20.00m深度范围内，未见地下水，本场地地下水埋藏较深，可不考虑地下水的腐蚀性影响问题[5]。
2.3区格定义
水池在正常运行时，池内功能区的水位在不断变化，经常出现一个功能区有水，另一个功能区无水的情况，在计算时把各个功能区定义为区格，会对内墙结构受力产生影响。按照提升泵井、贮泥池、预处理池、调节池正常运行时出现的高水位，进行区格定义，并按照工艺流程出现的最不利情况，进行组合，共分为以下3种。
组合1，提升泵井水深1.3m，贮泥池水深4.35m，预处理池水深4.35m，调节池无水。
组合2，提升泵井水深1.3m，贮泥池无水，预处理池水深4.35m，调节池水深4.35m。
组合3，提升泵井水深1.3m，贮泥池无水，预处理池水深4.35m，调节池无水。
区格组合见图3。
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图3 3种水池区格组合
2.4荷载组合与计算
本项目水池为全地下结构，规模较小，根据相关规范、标准[6][7]，可不进行地震作用计算；考虑到场站位于山区及所处位置，雨强较大且积水迅速，短时间形成上层滞水，进行抗浮稳定验算时，地下水位采用地面高程。
结合区格组合，计算工况共分为以下5种。
工况1，水池建设完成后，进行闭水试验，池内满水，池外无填土。
工况2，水池建设完成后正常运行，进行空池检修，池内无水，池外填土。
工况3，水池建设完成后正常运行，池内为区格组合1，池外填土。
工况4，水池建设完成后正常运行，池内为区格组合2，池外填土。
工况5，水池建设完成后正常运行，池内为区格组合3，池外填土。
将工况及地质条件输入复杂水池软件3.0PB5版，进行内力+配筋计算，计算结果如下：
1.地基承载力验算（按最不利工况，池中满水计算）
修正承载力按深宽修正计算（不考虑宽度修正）：
fa = fak＋ηbγ（b-3）+ηdγm（d-0.5）=613.94kPa
基底控制压力（考虑地下水浮力影响）：
pk = 61.30kPa＜fa = 613.94kPa
pkmax = 76.99kPa＜1.2fa = 736.73kPa
地基承载力满足。
2.抗浮验算（按最不利工况，池中无水计算）
荷载：N = 11346.15kN
浮力：F = 6977.79kN
安全系数： N/F = 1.63＞1.05，满足要求。
3.配筋、裂缝
配筋、裂缝结果见表2。
表2配筋、裂缝表
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4.抗剪验算
底板剪力V=40.7~95.2kN/m，承载力[V]=550.5kN/m，[V]/V=5.79~13.22，满足规范要求。
池壁、内墙剪力V=7.5~79.5kN/m，承载力[V]=250.2~450.4kN/m，[V]/V=6.5~39.14，满足规范要求。
顶板剪力V=17.5~63.7kN/m，承载力[V]=255.3kN/m，[V]/V=4.01~14.61，满足规范要求。
3结束语
利用复杂水池软件可建立任意形状的多格水池，深浅池等，可布置梁、板、柱、挑板等构件，特别是支持多层结构布置和支持结构划分沉降缝，方便满足各种工艺需求。可以方便快速的录入数据及获得计算结果，在每一步建模过程中都可以进行三维显示和剖面显示，以查验建模过程中的错误，分层输出平面计算结果图、带图文RTF计算书，方便审图，为设计人员提供了便利，提高了计算结果的可靠性、合理性，为以后类似工程提供参考。
参考文献：
[1]北京理正软件股份有限公司.理正复杂水池结构分析设计软件产品简介.[EB/OL].2020.[2020-05-26].https：//www.lizheng.com.cn/html/2018-05/1328.html
[2]北京理正软件股份有限公司.《理正复杂水池结构分析设计软件》[M].2020.
[3]北京市水利规划设计研究院.《密云区农村环境建设“三起来”工程污水及供水建设工程西田各庄镇实施方案》[A].2020.
[4]中国工程建设标准化协会标准.给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程：CECS 138：2002[S].2002.
[5]北京市一零一地质大队.《密云区溪翁庄镇农村环境建设“三起来”工程污水及供水建设工程（北白岩村污水站及湿地）岩土工程勘察报告》[A].2018.
[6]中华人民共和国国家标准.建筑抗震设计规范：GB 50011-2010[S].2016.
[7]中华人民共和国国家标准.建筑工程抗震设防分类标准：GB 50223-2008[S].2008.