程正義
化學工業部第三設計院（東華工程公司）

　　隨著我國對環境保護的重視，各地污水處理工程近年來逐年增多，作為我院（東華工程公司）業務強項的污水處理工程，這幾年就先后承接了省內外近處10個城市污水處理工程的設計或工程總承包。如何提高水工藝設計，提供先進的污水處理方法？作為配套的土建結構專業如何優化設計，在滿足水工藝要求的前提下，既保證水工構筑物今后的正常生產使用，又降低工程造價？這是新的形勢對設計人員提出的新的要求，也是工程公司總承包工作對設計人員提出的要求。下面對土建結構專業在設計中經常遇到的一些問題，提出本人的一些看法，以供同行討論、參考。

1 地下水位的確定

　　水池類構筑物的設計與地下水位的確定有著直接夫系。根據現行國家標準《給水排水工程結構設計規范》（GBJ69－84），地下水位應根據地方水文資料、考慮可能出現的最高地下水位。具體設計中，在壁板的承載能力極限狀態及正常使用極限狀態計算時，一般均取用水文資料查得的最高地下水位進行設計計算。在50年設計基準期內，一般水工構筑物地下水的可變作用的取用系按“工程結構可靠度設計統一標準”規定原則確定，對罕遇洪水的偶然作用不考慮。但具體設計在正常使用階段池內有水，僅在檢修等特殊時段才需排干池內水的水池，在設計該池池壁、池底板及抗浮驗算的，就應當根據實際情況，結合地方水文資料，確定一個合適的地下水位標高，做到既能滿足生產維修要求又能降低造價，節省工程投資的雙贏目的。總之，設計人員應根據具體的工程條件，認真研究當地水文資料會同水工藝設計人員共同討論，正確取用設計考慮的地下水位標高，并采取一系列設計及操作措施來確保安全生產及設計意圖的實現。例如我院設計的安徽毫州市污水處理廠工程，在結構設計中，結合不同構筑物使用要求，采用了3個不同的地下水位標高。該地區水文資料顯示，最高地下水位為絕對標高36.86m，每年冬春季枯水期水位均在35.50m以下。我們在設計二沉池時，設計考慮的地下水位為36.50m，這樣在二沉池使用階段可能超過該水位的年份概率約10%左右，而目持續時間不超過2個月。針對二沉池工藝特點，二沉池一般均蓄水，正常檢修每年一次。該廠共4個二沉池，遇到緊急事故4個池子均同時需排干維修的可能概率基本為零。設計己考慮每年檢修安排在冬季枯水位時，這樣設計所采用的地下水位標高一般均能保證正常生產、檢修。為防不測，設計還安排布置若干水位觀察井（利用井點降水施工的管井），在緊急事故需排干某個池內水維修前，觀察實際水位是否超過警戒水位，如未超過則批準進行維修，否則暫不批準。對氧化溝工號，由于氧化溝基本常年有水，每年檢修一次，一般個別曝氣頭損壞不會給氧化溝的處理產生影響，而且工藝設計考慮曝氣頭支架可提升更換。基于此條件，土建設計采用35.60m地下水位標高以保證每年枯水期檢修的需要。對地下泵房等則設計采用最高水位36.86m。

2 構筑物設置伸縮縫的考慮以及后澆縫做法對設計的影響

　　根據設計規范一般構造要求，矩形構筑物伸縮縫間距對于現澆鋼筋砼結構、巖基、露天結構為15m，地下結構或有保溫措施時為20m；土基露天結構為20m，地下或有保溫措施為30。但隨著國家對環保的重視，近幾年我院設計的污水處理工程其水池長度均大大超過規范限制，因此設計上或采用橡膠止水帶設計或采用后澆縫（類似有跳倉打）施工方法，以及采用UEA加強帶等施工措施成功地建成了一批超過規范長度建構筑物。
　　在通常水池構筑物設計中，對各種不利外荷載組合引起的結構強度及裂縫開展寬度計算，一般均按規范要求考慮較好。但由于溫度、變形以及不均勻沉降引起的開裂，卻在工程實際中常遇到。據調查，其主要原因是對溫度、砼收縮變形等因素影響考慮欠缺。在這里筆者結合自己在設計工作中的體會談談以下三個方面自己的認識，供大家共同探討。
　　2.1 水池類構筑物并非必須保證不開裂，對設計人員來講重要的是做好裂縫的控制。一方面設計人員要精心設計，事先在設計中對可能不利因素及其影響予以預防，另一方面在施工過程中萬一發生較大裂縫也要有處理方法及技術措施，確保工程交付驗收及投產后的安全生產及運行需要。一般說來，影響裂縫的主要因素是溫差及砼的收縮，其數值越大越易開裂，裂縫的數量及寬度也越大；砼收縮及溫差變化越快也帶來同樣后果。為此，設計人員要從設計與施工兩個方面來加強控制。
　　2.2 水池類構筑物除按規范進行必要的強度、抗裂度或裂縫寬度計算之外，設計尚應加強對允許伸縮縫間距的計算，做到心中有數。在設計過程中，設計人員要詳盡收集有關資料，針對地基軟硬情況，從寬或從嚴選擇伸縮縫的間距。一般水池壁厚＜500mm時，設計不考慮水池熱的影響，主要考慮施工階段的最不利溫差砼收縮產生的當量溫差，保證由于綜合溫差對砼產生的拉應力與砼相應令期的極限抗拉強度之比值符合安全要求，按此條件復核設計假定的伸縮縫間距是否滿足。最不利溫差一般可采用砼入模溫度或澆筑時氣溫與砼達穩定的溫度之差。當構筑物及時回填土時，由于地下溫度一般常年變化不大，砼達穩定時溫度可近似取當地年平均溫度；但如果工程施工周期較長，由于水池必須試水后方可回填而要經歷冬季時，砼達穩定時溫度應取當地月平均最低溫度。對超規范允許伸縮縫距離的超長構筑物，設計考慮設置伸縮縫，筆者建議伸縮縫從基礎墊層就斷開，這樣計算底板伸縮縫間距時取用基底上對砼底板的約束系數Cx值才能切合實際。
　　外部約束限制構筑物砼的變形產生了溫度收縮應力，其中最不利溫差產生的應力在設計階段必須予以仔細考慮。為保證設計意圖的貫徹落實，設計有必要在圖紙上說明對施工的要求，盡量避免炎夏施工拖延越冬后復土這種不利情況。這樣才能做到較長距離的伸縮縫間距要求。
　　當設計較長矩形水池時，設計可采用后澆縫或UEA加強帶等施工方法來減少砼收縮產生的當量溫差T₁及不利溫差T₂。如設計對后澆縫不要求，至少應保留28天以上，否則設計應注明后澆縫時間以便與計算假定一致。后澆縫的設置可以避免部分不利的施工前階段溫差及砼前期收縮產生的當量溫差（至少30%砼收縮已完成成），從而增大了構筑物伸縮縫的允許間距，已有不少工程設計與施工都成功地采用后澆縫技術增大溫度伸縮縫的間距，包括框排架及混合結構。在水池類溝筑物采用后澆縫的設計中，首先對設計采用的后澆縫間距按正常結構計算，確保構筑物在后澆縫封閉前不發生開裂等問題，再考慮后澆縫削減溫度收縮應力后，整體構筑物伸縮縫間距是否滿足計算。當設計采用UEA加強帶做法時，依靠加強帶砼較大的膨脹應變補償兩側砼的溫差應變，設計通過對UEA摻量的調配，補償砼的收縮，使T1≤0并并按 T1＝0進行計算。
　　下面以我院承擔的某污水處理廠工程為例做一介紹：（剖面示意如下圖）

　　超長水池設計：該水池平面形狀為二端半圓的矩形長池，屬半地下式水池，地下部分4.2m，地上2.1m，半園部分砼的收縮及溫差影響按圓柱殼作用在計算部分考慮；長度88m，砼C25，水灰比0.55，底板縱向配筋Φ16＠200，雙層，壁板縱向配筋Φ16＠125，雙層；（剖面示意圖如圖）：氣象資料：平均氣溫15.7℃，月平均溫度最高28℃（最高38℃），最低-5℃。池體結構分三段，設兩道后澆縫，后澆縫間距28m，間隔時間40天，后澆縫施工完后28天試水，合格后及時回填上。要求保溫、保濕養護時間14天以上。池底為一般粉質粘土，Fk=150kpa，取=0.05N/mm²，底板對池壁約束系數Cx=1N/mm²。
　　計算設計是否滿足溫度伸縮縫間距要求。
2.2.1 復核后澆縫間距
　　28m間距符合規范要求，一般情況該間距可不復核。
　　該池符合HL＜0.2條件，不考慮水化熱影響
　　底板配筋率u1=（1005×2/1000×600）×100%＝0.34%
　　壁板配筋率u2＝（1608×2/1000×450）×100%＝0.715%
　　（1）砼收縮當量溫差計算
　　公式：εy=3.24(1-e^-0.01t)×10^-4×M₁......M₁₀
　　T₁=-（εy(t)/α）
　　式中：α=1.0×10^-5　 砼的線脹系數
　　　　　M₁——M₁₀——為施工條件修改的系數，對本例M4=1.3 M6=0.93 ω≥80 M₇=0.7
　　　　　T——砼令期天數，要求后澆縫之前不發生開裂現象，t取60。
　　　　　εy(60)=-12.37℃
　 （2）最不利溫差計算：設計考慮60天后溫度降為10℃，所以綜合溫差T=T₁+T₂=22.37℃。
　 （3）砼極限拉伸：（考慮砼除變砼極限拉伸取彈性極限拉伸的一倍）
　　公式：εp=2εpc=2×0.5×ftk(1+10p/d)×10^-4
　　式中：p——截面配筋μ×100
　　　　　d——受力鋼筋直徑mm
　　　　　εp底=2×0.5×1.75(1+0.34×10/16)×10-4=2.122×10^-4
　　　　　εp壁=2.532×10^-4
　 (4)伸縮縫允許間距：
　　　　計算公式：L=1.5×(H.E/Cx.arcch│αT│/│αT│-εp
　　　　式中：H——板墻的計算厚度或高度
　　　　　　　Ｃx——地基對砼的約束系數（N/mm²）
　　　　　　　E——砼的彈性模量（N/mm²)
　　　　　　　T——綜合溫差（℃）
　　　　　　　εp——砼的極限拉伸
　　　　　　　α——砼的線脹系數

　 　　　

2.2.2 復核水池整體伸縮縫間距：
　　 （1）勝收縮當巨溫差計算：
　　 假定鹼施工在夏季，60天澆后澆縫（此時實際投收縮己完成20%以上，隨著UEA砼后澆縫施工完成，真膨脹率4-6×10^-4，在進中建立0.2Mpa以上予壓應力，大致可抵消砼以后的收縮影響。）90天后試水，100天后回填并蓄水。考慮冬季可能開裂，t=180天，考慮后澆縫前砼已完成的收縮及后澆縫的作用，視UEA摻量偏安全地考慮部分砼收縮當量溫差。
　　εy(180)=2.667×10-4 T1=-26.67℃×（0.3)=-8℃
　　（2）最不利溫差計算：考慮后澆縫以后的溫差
　　a．情況一：底板假定澆筑時溫度30℃，冬季前己回填土 T₂＝30-15.7=14.3（℃）
　　b．情況二：考慮后澆縫施工為12月，試水回填為1月，澆筑的溫度考慮8℃，T2=8-（-5）=-13℃。壁板1/3暴露大氣中，底板不利的冬季亦暴露，均考慮T₂＝14.3℃、T=T₁+T₂=14.3+8，取23℃。
　　 （3）.砼拉伸極限同前。
　　（4）.伸縮縫允許間距

　　

2.3 當考慮用UEA砼加強帶時伸縮縫間距：
　　（1）砼收縮當量溫差：T1＝0同后澆縫考慮T1＝-8℃
　　（2）最不利溫差計算：假定砼澆筑時溫度30℃
　　正常情況T2=30-15.7=14.3℃，偏安全考慮T2=20℃，壁板底板相同（實際壁板與底板與底板間亦有溫差，壁板的溫差要小一些）。
　　不考慮水比熱升溫，所以總溫差T=20℃+8℃＝28℃
　　（1）砼拉伸極限計算同前。
　　（2）伸縮縫允許間距計算：

　　　

　　結論：該設計的伸縮縫處理是可行的，可以通過后澆縫或UEA加強帶做法（放到該池不設永久性伸縮縫。由上計算可見，只要UEA砼限制膨脹率控制好，施工不出意外，總溫差完全可控制在20℃以內，從而保證長度在允許間距之內。因而為方便施工、連續施工，最終設計選用UEA加強帶做法。
2.4 設計考慮施工，施工配合設計
　　設計人員在水池類構筑物設計過程中應周密考慮各方面因素的影響，采取一定設計技術措施，并對施工方面明確提出要求以保證設計假定的實現。對設計計算中已考慮諸多施工方面因素，圖紙上應注明，比如水灰比限制、水泥用量、養護天數、后澆縫間隔天數等。另在設計中注意構造溫度筋的配置，配筋盡可能選小直徑、小間距，滿足＠≤150mm及構造配筋率0.3%——0.5％的要求，在設計水池縱、橫斷面的四角，如開口池壁端部以及施工縫上下配置加強鋼筋形成暗梁，對后澆縫砼設計采用UEA等適量的添加劑，使其砼膨脹超過砼自身收縮產生一定自應力，為超長伸縮縫間距創造條件。
　　一個工程產品是設計與施工共同努力的結果。設計中個別疏忽也可能通過好的施工得到彌補，施工除滿足設計對施工所提的要求外，在施工中嚴格按施工規范要求來處理每一工序，合理制定施工方案，加強砼早期的養護，特別是澆筑后5天時間內，減小溫度、濕度的變化，為砼創造充分松弛及強度增長條件，使εp（t)＞ａT(t)，防止早期砼抗拉強度不夠產生的早期砼裂縫，并為砼今后的強度提供保證；在施工計劃安排時，盡量避開砼施工趕上炎熱的夏季或寒冬，必要時采取施工措施并即時回填土，從而為設計創造一個好的條件，設計施工雙方齊心合力使工程保質保量地完成。

3 結束語：

　　對給排水工程的構筑物土建設計，設計人員應結合工程具體情況，了解工藝要求、施工技術，綜合考慮設計選用參數，把精心設計落到實處，在努力降低工程造價的同的，與施工配合，盡量防止與控制裂縫的出現與發展。另方面設計人員對施工未按正常工期等施工失誤產生的裂縫處理，也應有所了解、準備，克服單純設計觀念，擴展自己在施工方面的知識，對當前常用處理裂縫及堵漏的方法、材料有所了解，更好地完成設計后期服務。