超常水池不设缝设计的探讨

南京市桥北污水处理厂超常水池不设缝设计研究

周晨等

（南京市市政设计研究院有限责任公司210008）

（Nanjing municipal design & research institute Ltd 210018）摘要本文讨论了

关键词

ABSTRACT In this paper

KEYWORDS

一、超长混凝土结构设计的必要性

水环境问题已经成为可持续发展的重要问题之一，随着国家对污水处理能力和处理深度要求的不断提高，污水处理池的平面尺寸不断加大，按照给水排水结构规范要求，大型水池长度大于30m时应设置伸缩缝，目前伸缩缝主要采用橡胶止水带，作为连接和止水结构。

根据以往经验，大型水池设置伸缩缝存在如下问题：首先，大型水池伸缩缝抵抗水压大，分布复杂，施工及维修极为复杂。其次，伸缩缝主要材料为橡胶止水带，其抗老化和耐久性均难以达到设计使用期，今后更换困难。第三，伸缩缝可以协调温度和干缩产生的变形，但对于较大的不均匀沉降引起的变形适应能力不强。其主要原因一方面是不均匀沉降发生的位置难以预料，在某些情况下，设缝破坏了结构整体性，反而降低了结构对不均匀沉降的适应能力，另一方面，止水带在变形后处于一定的受力状态工作，对橡胶止水带本身质量以及锚固性能要求均较高，容易产生破损，从而坡环结构防渗体系。第四，橡胶止水带处固定橡胶止水带的钢筋较密，给施工带来一定难度，混凝土容易产生蜂窝和孔洞具有一定的隐患。

目前解决水池伸缩缝已经成为大型水池结构设计的主要病害。以往给排水行业曾经进行的多种尝试，首先是改进伸缩缝形式，比如采用外贴式止水带，采用后期安装的止水带。其次是在缝位置连通或部分连通池壁钢筋，设置引发缝避免过分依赖橡胶止水带。或改变伸缩缝构造，设置限位避免不均沉降影响橡胶止水带正常工作。

另外就是改善混凝土性质，采用一预应力混凝土或采用微膨胀混凝土在混凝

土中建立一定的预压应力，从而避免设置伸缩缝。因此能够不设或少设橡胶止水带伸缩缝可以避免渗漏隐患，减少施工难度，增加结构刚度，提高结构抗震性能，协调结构不均匀沉降，提高结构布置的自由度。

目前房屋建筑的地下室一般避免设置橡胶止水带伸缩缝。

二、桥北污水生化池结构方案设计

南京市桥北污水处理系统一期工程污水处理厂位于南京市浦口区苏宁威尼斯水城的北侧，拟建浦泗路南侧，工程设计规模20万立方米/日，一期工程规模10万立方米/日污水排

放标准达到一级A。该

工程是南京市重点工程。

生化池为污水处理厂关

键构筑物，。本工程生化

池为矩形，其结构平面

布置图如图1所示。生

化池几何尺寸为77.1 m

（长）×72.5 m（宽）

×7.0m（高），池壁净高

7.0m，设计水深6m。埋

深3.3m。池内部设多道

钢筋混凝土导流墙，在壁板顶端设有多处水渠、管沟及电缆沟。半地下式现浇钢筋混凝土结构。根据《给排水工程结构设计规范》（GB50069-2002）第6.2.1条要求，地面以上水池设缝间距一般为30m。

本工程建设单位南京地区已兴建多个类似的大型钢筋混凝土污水处理池，由于多方面的原因，近年来实施的几个污水池橡胶止水带伸缩缝均出现破坏、渗漏等问题。因此建设单位要求尽量不设或少设施工缝。

水池避免设置伸缩缝首先可以减小单座水池的尺寸，或在大型水池需要设置伸缩缝的部位设置双墙，本工程占地紧张，污水处理工艺也不允许过多设置双墙。

单纯采用设置后浇带难较大幅度的突破伸缩缝间距的限制。因此对于长度超过70米的大型水池要做到不设伸缩缝必须有可靠的工程措施。

采用后浇带突破伸缩缝间距限制是可行的，目前许多民用建筑的地下室采用后浇带的方式避免设置伸缩缝，最长的地下结构做到200米只设后浇带，不设伸缩缝。但本工程为地面结构，本身为污水池，结构受温度变化影响较大，产生渗漏后对结构耐久性影响较大，地下结构在使用期外土外水压力作用在壁板结构上为纵向压力，而本工程水池为半地下式结构，正常使用状态下，外荷载使池壁受拉力。因此大型水池难以完全采用后浇方案突破规范对伸缩缝限制。一般伸缩缝主要作用一是抵抗温度变化时变形二是抵消混凝土的干缩裂缝。在后浇带闭合之前部分混凝土干缩应力可以自然抵消，但一般给水排水结构工期要求较高难以完全满足混凝土自然干缩的要求，在混凝土中掺入膨胀剂配置补偿收缩混凝土可以在混凝土硬化后的初期在混凝土中形成一定的受限制膨胀，从而抵消一部分的早期干缩效应，然而在混凝土强度增长阶段，普通补偿收缩混凝土仍然会发生一定的收缩，按照《混凝土外加剂应用技术规范》补偿收缩混凝土在空气中28天限制干缩率限值为3.0×10-4，完全依靠后浇带难以抵消全部干缩应力，而后浇带本身也存在长期干缩问题。

采用预应力混凝土水池可以增大伸缩缝间距，目前圆形水池采用预应力较为普遍，50m左右的沉淀池一般设计为整体结构，该种沉淀池壁板一般采用无粘结预应力混凝土，底板普通混凝土，底板设后浇带，壁板为无粘结预应力混凝土结构，只配置环向预应力纲筋，对于直径相对较大的圆形无粘结水池池壁与底板之间设滑动层，带预应力形成后再灌注杯口形成固结，大型圆形水池壁板不设伸缩缝，主要靠混凝土达到强度之前小吨位的初步涨拉解决混凝土早期开裂问题，壁板预应力施工完毕后可以在混凝土池壁纵向中形成2~3Mpa的预压应力，可以在不设知伸缩缝的情况下保证结构的纵向性能。

实践证明超长水池采用预应力结构可以避免设置伸缩缝。以往曾经有大型预应力矩形水池成功不设置伸缩缝的先例。大型矩形水池设置伸缩缝具有很多制约因素，除计算复杂，施工困难外主要是在结构形式上存在一定的缺陷。首先污水工程往往是大型敞口水池，内部相对比较空旷，主要受力的外壁总的来说是悬臂结构。而竖向悬臂结构在主要受力方向的恒载为零，起控制作用的外荷载一般为

内水压力及池外覆土压力，往往控制荷载具有双向性，现在污水池往往施工有防水防腐土层，使得池壁的湿迁移效应不明显，从而使双向板的避免温差产生的弯矩也具有双向性。半地下水池池壁内外均为较恶劣的环境，对结构的抗裂度都有要求。在此情况下池壁采用预应力结构预应力筋配置很困难，预应力的作用中心只能布置在截面的核心区，对于双向受力的悬臂结构预应力作用中心基本只能布置在截面中心。使得在正常使用期截面受压区压应力较大，受力状况不合理，截面尺寸大，预应力钢筋使用效率低结构不尽合理。如果水深较深采用池内设置闭合框架时顶梁为小偏心受拉结构时采用采用预应力梁较为合理，但在池内设置闭合框架对污水处理工艺影响较大，一般难以实施。大型水池地板在地下水位较低时类似于半无限空间地基，底板板受力同样具有双向性。采用预应力结构抵抗地基荷载也不尽合理。

因此对一类似本工程的大型敞口水池采用采用预应力平衡结构静载没有优势，壁面温差和结构静力荷载采用非预应力纲筋抵抗比较合理。但是对于超常预应力水池除上述荷载外由温度变化和混凝土干缩引起的中面拉力，是控制结构纵向防裂可靠度的主要因素。采用预应力平衡结构的中面拉应力类似受力情况类似于圆形水池，如果在壁板中向建立一定数量的拉应力可以有效地防止结构纵向裂缝开展，达到超常水池不设缝的目的。

在降温及混凝土干缩效应对于水池外壁及底板均有作用。但是底板的工作性能要好于壁板。主要原因为首先底板受温度影响较小，对于水池结构底板完全在水土之间在夏热冬暖地区其温度变化远小于壁板。其次底板的浇注、养护条件较好，便于加强养护。从已建工程的调查中发现，底板出现裂缝概率较低，大底板上池壁裂缝概率很高约占85%，以往分离式底板水池、圆形水池、民用建筑地下室等工程经验也正明，对于本工程长度70左右的纲筋混凝土底板完全可以通过改善混凝土质量、设置后浇带加强配筋等措施避免设置伸缩缝。因此本工程底板采用普通混凝土结构。

然而对于壁板以往经验表明壁板在壁板中单纯采用外加剂加后浇带方案难以保证结构使用阶段纵向安全。

壁板纵向采用预应力结构可以在壁板纵向形成一定的预应力，其壁板纵向受力情况类似于圆形。本工程池壁高度为7米，壁板最长24米无垂直隔墙，在静