摘要：当前，在水厂建设中大量应用水池结构，此种结构十分常见。在具体设计水池结构时，必须综合考量水池可承受的不同荷载组合形式，通过合理的受力分析、应用相关软件的科学计算，选择合适的结构形式、确定合理的构件尺寸并进行细部结构设计。在本文中，阐述了水池结构分类与适用性，并分析了水厂建设中水池结构设计。
关键词：水厂建设；水池结构；水池施工
引言：水池还可被称作储液池，即用来储存不同液体的一种构筑物，比如原水、污水或污泥等，被广泛应用在众多工业企业的污水池以及水处理厂中。同时，还可将其应用于民用建筑之中，如消防水池与化粪池等。在设计水池结构的过程中，重点要进行结构形式的选取、抗浮设计、强度/裂缝设计以及细部构造等。
一、案例概述
慈溪城南给水厂属于宁波市基建的一项关键工程，供水规模为15万m3/d，总占地面积约103亩。其主要水处理构筑物有预处理生物池、混凝沉淀及清水池池、砂滤池、活性炭滤池、反冲洗泵房、浓缩池等。其中○1预处理生物池为地面式矩形钢筋混凝土构筑物，平面外轮廓尺寸：35.0m×21.5m，池深为6.50m，池外壁厚0.50m，中隔墙0.50m，底板厚0.60m，中间设置后浇带但不设伸缩缝；○2叠层池下部为清水池，上部混合絮凝沉淀池为127.90m×21.70m，最大池深为4.30m，构件均采用钢筋砼，池外壁厚0.40m，内隔墙厚0.40m，底板0.25m；下部清水池为127.90M×31.60m，池深（净高）为4.50m，池外壁厚0.4m，顶板厚0.25m，底板厚0.50m，长向结构分为六段，每段长度为17.20m～25.90m不等，设置五道伸缩缝，缝宽30mm；○3砂滤池为地面式钢筋混凝土贮水构筑物，两侧的滤池单组池体外轮廓平面尺寸：42.90m×15.90m，主体池深4.40m，外壁厚0.35m，底板厚0.50m，中间设置后浇带。
二、水池类型与适用性
根据建设中所用材料，可将水池划分为三种类型，一是钢筋混凝土水池，而是预应力钢筋混凝土水池，三是砖石水池[1]。
1.钢筋混凝土水池
此类水池有着十分突出的特点，即良好的抗渗性、非常灵活的布置、较低的施工难度、较大的水池容量，此外还可以对多个水池进行有机的组合；部分水池在抗震方面有着较高要求，对此这种类型的水池最为合适。
2.预应力钢筋混凝土水池
根据预应力钢筋混凝土水池所采用的材料及其受力特征可知，该类水池具有更强的抗渗性能、并且可有效的减小池壁截面厚度，此外该类水池池壁施工的池壁垂直度较好，因此在设计容量较大、对池体平整度要求较高的水处理构筑物（如二沉池、深床滤池）时，可选用此类结构；其缺点是造价较高、施工难度较大、需要专业的施工队伍来进行，方可保证结构施工质量。
3.砖石水池
过去，此类水池有部分应用，但因砖石水池自身较弱抗渗性能的缺点，近年来已应用较少，主要用于雨水管网中的检查井等附属构筑物[2]。
三、水厂建设中水池结构设计
1.水池结构设计的相关规定
对于结构形式各不相同的水池而言，都必须以现场地质情况以及荷载条件等为依据，做好强度计算和裂缝计算工作。就钢筋混凝土水池来讲，需要计算并复核其抗裂的性能或是裂缝开展的宽度。在外荷载作用下，当构件截面处于轴心受拉或者小偏心受拉时，必须计算和复核构件截面抗裂的性能。在构件截面承受大偏心拉力或压力时，需要验算裂缝宽度这一参数[3]。此外，对于预应力钢筋混凝土水池，还需计算其抗裂度。
2.荷载及其组合
（1）荷载
第一，池内水压。水池中的水压，是水池所受的主要荷载；目前在计算水池的水压时，常按照满水状态进行。之所以如此，主要有两方面的原因：其一，是考虑到因操作失误或者上游构筑物水位憋高而导致满池状况的可能；其二，是运行过程中对工艺进行调整或者后期进行提标改造而导致高出原设计水位。第二，池外土压力。在水池施工完成后会对周边根据设计地面标高进行回填，池体周围土体会对池壁产生侧压力，该土压力可根据朗肯或者库伦理论对其主动压力进行计算。由实践可知，利用朗肯或者库伦理论计算的结果相对保守，具有较大的富裕度、安全性较高。第三，地下水压。首先地下水会对池壁产生侧向作用力，计算池壁所受外侧荷载时需根据周边土质按水土合算或水土分算的方式来计算侧向压力。此外地下水会对底板产生托浮力，这是一项不利于池体整体稳定性的荷载，尤其是南方地下水位较高，抗浮水位常为地面以下0.5m，在设计过程中必须做到足够重视。抗浮设计需根据水处理构筑物的体型、池壁（隔墙）分布及底板厚度等参数进行，优先考虑依靠池体自重来满足抗浮要求。如自重小于水浮力、且与水浮力相差不大，则可通过加大底板外挑长度、增加该处覆土范围的方法来增大池体自重；如自重与水浮力相差较大，则需考虑在底板下设置抗拔锚杆、抗拔桩等方法来满足抗浮要求。最后，是温湿度作用。因施工及运行时池内水温与周边环境气温、湿度不同，如水泥的水化热、夏季施工温度较高及冬季环境气温较低等，导致结构物的温度或湿度产生一定变化，在池体体积变化被约束的时候，池内内部会产生额外应力。故而，施工应避开极寒、极热的季节，北方地区水处理构筑物要做好外保温措施等。
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（2）荷载组合
第一，水压、土压力及自重组合，该组合是最基本和最常见的荷载组合形式。第二，水压、土压力、自重以及冬季所产生的温差组合。综合温差、湿差和水压的共同作用，当壁面冬季温差的绝对值大于夏季壁面湿差的绝对值时，这种情况是最不利的组合。第三，尚需考虑地震、爆炸（如加药间）、车辆撞击（投产运行过程中）等各种偶然作用。根据前述各种荷载组合进行包络设计，选取荷载组合值最大的一组作为设计依据进行结构计算。
3.截面设计关键点
（1）强度设计
其一，水池顶板设计。水池顶板承受着多种荷载，对于地埋式或者上部进行覆土绿化的构筑物，不仅需考虑顶板自重、设备重量，还需考虑上部覆土重量、是否有车辆行驶等，需根据具体构筑物的功能要求、绿化布置、上部道路通行要求等实际情况，选取对应的荷载。其二，水池池壁设计。土压及水压是池壁所承受的主要荷载，通常需要根据工艺布置、水池分格情况等，按照水池满水实验、某格（或某几格）空池检修及全部空池等工况来进行分别考虑、包络设计。此时需要结构专业与工艺专业密切合作，摸清工艺专业的设计思路、运行情况等，根据不同的施工工况和运行工况综合考虑。第三，底板设计。底板需根据是否有桩基、底板分格等考虑受力情况，一般所受荷载为上部池体传来的池体自重、水重以及池壁传递的弯矩，在池体埋深较大、地下水位较高时，尚需考虑空池时水浮力对底板的作用。
（2）裂缝
通过调查当前建设成的较多水池，可以看出水池裂缝类型基本为竖向裂缝。对此，能够将其分成两种类型，分别为贯穿性裂缝和表面裂缝。前者是由于混凝土收缩所导致，后者主要存在于水池外壁，并且会进一步扩大，甚至危及整个截面。除此之外，在工程实践中发现，很多外挑现浇走道板都产生不同程度的裂缝，并随之扩展到池壁；因此，现浇走道板需每隔十米作用设伸缩缝一道。
（3）构造配筋
就矩形的地面式水池池壁而言，由于温、湿度所产生的差异会造成较大影响，要防止贯穿裂缝出现，必须严格控制池壁水平方向上的最小配筋率，其中任何一侧都需大于等于0.20%；对于池壁拐角处容易开裂的部位，宜在计算结果的基础上增大配筋。对于圆形水池的池壁，需有效控制其环向最小构造配筋率，根据工程经验其内外侧的最小构造配筋率不宜小于 0.3%。对于无盖的敞口水池，一旦开裂便从池壁顶端开始，此时应将直径较粗的加强钢筋（每侧不小于3Φ16）设置于池壁顶端，抑制裂缝开展。底板配筋时需考虑池内水压作用下底板所受拉力及大体积混凝土的水化热效应，最小配筋率应适当增大，不宜小于0.25%。
四、水厂水池结构的施工
1.底板施工要点
其一，在对混凝土开展浇筑工作之前，首先需要检查现场地基土壤质量，判断和确定它是否符合设计要求，如与设计图纸不符，那就应该根据相关实际情况采取合理的处理措施，处理完成后方可进行混凝土垫层的浇筑。其二，混凝土垫层浇筑完成之后，再进行底板中心、角点处的测量和确定，以此为基础按照设计尺寸实施放线操作，确定底板边线、池壁边线，并且正确描画钢筋分布线，沿着所画分布线进行钢筋的铺放与绑扎施工，再实施底板外模板的安装。其三，在绑扎钢筋的过程中，需要认真、细致检查各项参数和指标，主要包括搭接长度、间隔距离、直径、具体的位置以及预埋件数量等，都必须与相关设计要求和标准相符。对于上下层钢筋而言，必须通过马凳筋的应用进行有效固定，以避免在进行混凝土浇筑工作的时候引发钢筋塌陷等现象。其四，悬空架设柱基模板，利用体积较小的临时方木对下方垫层进行支撑，在进行混凝土浇筑的同时取出临时方木。其五，对于底板，需要进行一次连续浇筑，在完成此项操作后不得预留施工缝。严格控制暂停施工的时间，切忌大于混凝土初凝时间。如果底板厚度较大（大于200mm），需采用插入式振动器进行操作，且要做好混凝土的降温、防裂等养护工作。其六，对于底板和池壁相连部位的水平施工缝，一般常留在与基础上口相距500mm的位置，在池壁混凝土浇筑和振捣之前，需要将止水钢板安装并固定好。其七，在完成混凝土浇筑施工之后，如果强度小于1.2Mpa禁止振动，同样不能将脚手架安装于底板位置。
2.池壁混凝土浇筑
池壁固定模板用的铁丝和螺栓不宜直接穿过池壁。当螺栓必须穿过池壁时，需采取螺栓上加焊止水环，止水环应满焊。水池池壁与底板的水平施工缝应做好处理，继续浇筑池壁混凝土时，应先铺10cm厚的水泥砂浆（同强度等级的混凝土除去石子），再倒入混凝土。
3.池体粉刷、防腐层等施工
池体的粉刷、防腐措施应根据构筑物的不同要求进行，对于污水厂的构筑物来说，池体内外壁可根据不同情况采用冷底子油+热沥青、聚合物水泥砂浆、氰凝涂料、IPN8710、乙烯基酯防腐涂料等。而在给水厂中对饮水安全要求较高，除在内壁采用聚合物水泥砂浆外，还需再做一层渗透结晶型防水涂料（食品级），外壁的防腐可同污水厂采用氰凝涂料等。
结束语：从功能要求、使用环境等因素来看，较于其它建筑物及设施，水处理构筑物的使用功能、荷载情况、周边环境有着较大差异，因此在设计时通常会提出某些较为特殊的标准及要求，如合理的进行水池结构防渗、防腐性能设计等。在具体设计过程中，结构工程师需要了解工艺专业的功能需求、掌握构筑物的构件分布情况，综合考量水池可承受不同类型的荷载组合，通过设计师设计理念的思考、计算软件的运行、设计师的手算复核等来进行各个阶段的设计。唯有如此，才可为水处理厂各个构筑物子项的功能与质量提供重要保障，使其满足业主、工艺专业等各方的要求。
参考文献：
[1]王腾龙.大型污水处理厂水池结构设计探讨[J].智能城市，2018，4（06）：101-102.
[2]郭晶鑫，王森杰，李静.浅谈一次性建成再生水厂过程管理特点[J].居舍，2018（02）：156-157.
[3]周阳，许文博，张国栋.污水处理厂中水池结构设计要点的分析[J].建材与装饰，2017（41）：68-69.
论文作者:王钊,付晓峰
论文发表刊物:《基层建设》2019年第7期
论文发表时间:2019/6/25
标签：水池论文; 底板论文; 荷载论文; 构筑物论文; 组合论文; 混凝土论文; 结构论文; 《基层建设》2019年第7期论文;