对水工构筑物土建设计的几点看法

程正义
化学工业部第三设计院（东华工程公司）

　　随着我国对环境保护的重视，各地污水处理工程近年来逐年增多，作为我院（东华工程公司）业务强项的污水处理工程，这几年就先后承接了省内外近处10个城市污水处理工程的设计或工程总承包。如何提高水工艺设计，提供先进的污水处理方法？作为配套的土建结构专业如何优化设计，在满足水工艺要求的前提下，既保证水工构筑物今后的正常生产使用，又降低工程造价？这是新的形势对设计人员提出的新的要求，也是工程公司总承包工作对设计人员提出的要求。下面对土建结构专业在设计中经常遇到的一些问题，提出本人的一些看法，以供同行讨论、参考。

1 地下水位的确定

　　水池类构筑物的设计与地下水位的确定有着直接夫系。根据现行国家标准《给水排水工程结构设计规范》（GBJ69－84），地下水位应根据地方水文资料、考虑可能出现的最高地下水位。具体设计中，在壁板的承载能力极限状态及正常使用极限状态计算时，一般均取用水文资料查得的最高地下水位进行设计计算。在50年设计基准期内，一般水工构筑物地下水的可变作用的取用系按“工程结构可靠度设计统一标准”规定原则确定，对罕遇洪水的偶然作用不考虑。但具体设计在正常使用阶段池内有水，仅在检修等特殊时段才需排干池内水的水池，在设计该池池壁、池底板及抗浮验算的，就应当根据实际情况，结合地方水文资料，确定一个合适的地下水位标高，做到既能满足生产维修要求又能降低造价，节省工程投资的双赢目的。总之，设计人员应根据具体的工程条件，认真研究当地水文资料会同水工艺设计人员共同讨论，正确取用设计考虑的地下水位标高，并采取一系列设计及操作措施来确保安全生产及设计意图的实现。例如我院设计的安徽毫州市污水处理厂工程，在结构设计中，结合不同构筑物使用要求，采用了3个不同的地下水位标高。该地区水文资料显示，最高地下水位为绝对标高36.86m，每年冬春季枯水期水位均在35.50m以下。我们在设计二沉池时，设计考虑的地下水位为36.50m，这样在二沉池使用阶段可能超过该水位的年份概率约10%左右，而目持续时间不超过2个月。针对二沉池工艺特点，二沉池一般均蓄水，正常检修每年一次。该厂共4个二沉池，遇到紧急事故4个池子均同时需排干维修的可能概率基本为零。设计己考虑每年检修安排在冬季枯水位时，这样设计所采用的地下水位标高一般均能保证正常生产、检修。为防不测，设计还安排布置若干水位观察井（利用井点降水施工的管井），在紧急事故需排干某个池内水维修前，观察实际水位是否超过警戒水位，如未超过则批准进行维修，否则暂不批准。对氧化沟工号，由于氧化沟基本常年有水，每年检修一次，一般个别曝气头损坏不会给氧化沟的处理产生影响，而且工艺设计考虑曝气头支架可提升更换。基于此条件，土建设计采用35.60m地下水位标高以保证每年枯水期检修的需要。对地下泵房等则设计采用最高水位36.86m。

2 构筑物设置伸缩缝的考虑以及后浇缝做法对设计的影响

　　根据设计规范一般构造要求，矩形构筑物伸缩缝间距对于现浇钢筋砼结构、岩基、露天结构为15m，地下结构或有保温措施时为20m；土基露天结构为20m，地下或有保温措施为30。但随着国家对环保的重视，近几年我院设计的污水处理工程其水池长度均大大超过规范限制，因此设计上或采用橡胶止水带设计或采用后浇缝（类似有跳仓打）施工方法，以及采用UEA加强带等施工措施成功地建成了一批超过规范长度建构筑物。
　　在通常水池构筑物设计中，对各种不利外荷载组合引起的结构强度及裂缝开展宽度计算，一般均按规范要求考虑较好。但由于温度、变形以及不均匀沉降引起的开裂，却在工程实际中常遇到。据调查，其主要原因是对温度、砼收缩变形等因素影响考虑欠缺。在这里笔者结合自己在设计工作中的体会谈谈以下三个方面自己的认识，供大家共同探讨。
　　2.1 水池类构筑物并非必须保证不开裂，对设计人员来讲重要的是做好裂缝的控制。一方面设计人员要精心设计，事先在设计中对可能不利因素及其影响予以预防，另一方面在施工过程中万一发生较大裂缝也要有处理方法及技术措施，确保工程交付验收及投产后的安全生产及运行需要。一般说来，影响裂缝的主要因素是温差及砼的收缩，其数值越大越易开裂，裂缝的数量及宽度也越大；砼收缩及温差变化越快也带来同样后果。为此，设计人员要从设计与施工两个方面来加强控制。
　　2.2 水池类构筑物除按规范进行必要的强度、抗裂度或裂缝宽度计算之外，设计尚应加强对允许伸缩缝间距的计算，做到心中有数。在设计过程中，设计人员要详尽收集有关资料，针对地基软硬情况，从宽或从严选择伸缩缝的间距。一般水池壁厚＜500mm时，设计不考虑水池热的影响，主要考虑施工阶段的最不利温差砼收缩产生的当量温差，保证由于综合温差对砼产生的拉应力与砼相应令期的极限抗拉强度之比值符合安全要求，按此条件复核设计假定的伸缩缝间距是否满足。最不利温差一般可采用砼入模温度或浇筑时气温与砼达稳定的温度之差。当构筑物及时回填土时，由于地下温度一般常年变化不大，砼达稳定时温度可近似取当地年平均温度；但如果工程施工周期较长，由于水池必须试水后方可回填而要经历冬季时，砼达稳定时温度应取当地月平均最低温度。对超规范允许伸缩缝距离的超长构筑物，设计考虑设置伸缩缝，笔者建议伸缩缝从基础垫层就断开，这样计算底板伸缩缝间距时取用基底上对砼底板的约束系数Cx值才能切合实际。
　　外部约束限制构筑物砼的变形产生了温度收缩应力，其中最不利温差产生的应力在设计阶段必须予以仔细考虑。为保证设计意图的贯彻落实，设计有必要在图纸上说明对施工的要求，尽量避免炎夏施工拖延越冬后复土这种不利情况。这样才能做到较长距离的伸缩缝间距要求。
　　当设计较长矩形水池时，设计可采用后浇缝或UEA加强带等施工方法来减少砼收缩产生的当量温差T₁及不利温差T₂。如设计对后浇缝不要求，至少应保留28天以上，否则设计应注明后浇缝时间以便与计算假定一致。后浇缝的设置可以避免部分不利的施工前阶段温差及砼前期收缩产生的当量温差（至少30%砼收缩已完成成），从而增大了构筑物伸缩缝的允许间距，已有不少工程设计与施工都成功地采用后浇缝技术增大温度伸缩缝的间距，包括框排架及混合结构。在水池类沟筑物采用后浇缝的设计中，首先对设计采用的后浇缝间距按正常结构计算，确保构筑物在后浇缝封闭前不发生开裂等问题，再考虑后浇缝削减温度收缩应力后，整体构筑物伸缩缝间距是否满足计算。当设计采用UEA加强带做法时，依靠加强带砼较大的膨胀应变补偿两侧砼的温差应变，设计通过对UEA掺量的调配，补偿砼的收缩，使T1≤0并并按 T1＝0进行计算。
　　下面以我院承担的某污水处理厂工程为例做一介绍：（剖面示意如下图）

　　超长水池设计：该水池平面形状为二端半圆的矩形长池，属半地下式水池，地下部分4.2m，地上2.1m，半园部分砼的收缩及温差影响按圆柱壳作用在计算部分考虑；长度88m，砼C25，水灰比0.55，底板纵向配筋Φ16＠200，双层，壁板纵向配筋Φ16＠125，双层；（剖面示意图如图）：气象资料：平均气温15.7℃，月平均温度最高28℃（最高38℃），最低-5℃。池体结构分三段，设两道后浇缝，后浇缝间距28m，间隔时间40天，后浇缝施工完后28天试水，合格后及时回填上。要求保温、保湿养护时间14天以上。池底为一般粉质粘土，Fk=150kpa，取=0.05N/mm²，底板对池壁约束系数Cx=1N/mm²。
　　计算设计是否满足温度伸缩缝间距要求。
2.2.1 复核后浇缝间距
　　28m间距符合规范要求，一般情况该间距可不复核。
　　该池符合HL＜0.2条件，不考虑水化热影响
　　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）砼收缩当量温差计算
　　公式：εy=3.24(1-e^-0.01t)×10^-4×M₁......M₁₀
　　T₁=-（εy(t)/α）
　　式中：α=1.0×10^-5　 砼的线胀系数
　　　　　M₁——M₁₀——为施工条件修改的系数，对本例M4=1.3 M6=0.93 ω≥80 M₇=0.7
　　　　　T——砼令期天数，要求后浇缝之前不发生开裂现象，t取60。
　　　　　εy(60)=-12.37℃
　 （2）最不利温差计算：设计考虑60天后温度降为10℃，所以综合温差T=T₁+T₂=22.37℃。
　 （3）砼极限拉伸：（考虑砼除变砼极限拉伸取弹性极限拉伸的一倍）
　　公式：εp=2εpc=2×0.5×ftk(1+10p/d)×10^-4
　　式中：p——截面配筋μ×100
　　　　　d——受力钢筋直径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)伸缩缝允许间距：
　　　　计算公式：L=1.5×(H.E/Cx.arcch│αT│/│αT│-εp
　　　　式中：H——板墙的计算厚度或高度
　　　　　　　Ｃx——地基对砼的约束系数（N/mm²）
　　　　　　　E——砼的弹性模量（N/mm²)
　　　　　　　T——综合温差（℃）
　　　　　　　εp——砼的极限拉伸
　　　　　　　α——砼的线胀系数

　 　　　

2.2.2 复核水池整体伸缩缝间距：
　　 （1）胜收缩当巨温差计算：
　　 假定硷施工在夏季，60天浇后浇缝（此时实际投收缩己完成20%以上，随着UEA砼后浇缝施工完成，真膨胀率4-6×10^-4，在进中建立0.2Mpa以上予压应力，大致可抵消砼以后的收缩影响。）90天后试水，100天后回填并蓄水。考虑冬季可能开裂，t=180天，考虑后浇缝前砼已完成的收缩及后浇缝的作用，视UEA掺量偏安全地考虑部分砼收缩当量温差。
　　εy(180)=2.667×10-4 T1=-26.67℃×（0.3)=-8℃
　　（2）最不利温差计算：考虑后浇缝以后的温差
　　a．情况一：底板假定浇筑时温度30℃，冬季前己回填土 T₂＝30-15.7=14.3（℃）
　　b．情况二：考虑后浇缝施工为12月，试水回填为1月，浇筑的温度考虑8℃，T2=8-（-5）=-13℃。壁板1/3暴露大气中，底板不利的冬季亦暴露，均考虑T₂＝14.3℃、T=T₁+T₂=14.3+8，取23℃。
　　 （3）.砼拉伸极限同前。
　　（4）.伸缩缝允许间距

　　

2.3 当考虑用UEA砼加强带时伸缩缝间距：
　　（1）砼收缩当量温差：T1＝0同后浇缝考虑T1＝-8℃
　　（2）最不利温差计算：假定砼浇筑时温度30℃
　　正常情况T2=30-15.7=14.3℃，偏安全考虑T2=20℃，壁板底板相同（实际壁板与底板与底板间亦有温差，壁板的温差要小一些）。
　　不考虑水比热升温，所以总温差T=20℃+8℃＝28℃
　　（1）砼拉伸极限计算同前。
　　（2）伸缩缝允许间距计算：

　　　

　　结论：该设计的伸缩缝处理是可行的，可以通过后浇缝或UEA加强带做法（放到该池不设永久性伸缩缝。由上计算可见，只要UEA砼限制膨胀率控制好，施工不出意外，总温差完全可控制在20℃以内，从而保证长度在允许间距之内。因而为方便施工、连续施工，最终设计选用UEA加强带做法。
2.4 设计考虑施工，施工配合设计
　　设计人员在水池类构筑物设计过程中应周密考虑各方面因素的影响，采取一定设计技术措施，并对施工方面明确提出要求以保证设计假定的实现。对设计计算中已考虑诸多施工方面因素，图纸上应注明，比如水灰比限制、水泥用量、养护天数、后浇缝间隔天数等。另在设计中注意构造温度筋的配置，配筋尽可能选小直径、小间距，满足＠≤150mm及构造配筋率0.3%——0.5％的要求，在设计水池纵、横断面的四角，如开口池壁端部以及施工缝上下配置加强钢筋形成暗梁，对后浇缝砼设计采用UEA等适量的添加剂，使其砼膨胀超过砼自身收缩产生一定自应力，为超长伸缩缝间距创造条件。
　　一个工程产品是设计与施工共同努力的结果。设计中个别疏忽也可能通过好的施工得到弥补，施工除满足设计对施工所提的要求外，在施工中严格按施工规范要求来处理每一工序，合理制定施工方案，加强砼早期的养护，特别是浇筑后5天时间内，减小温度、湿度的变化，为砼创造充分松弛及强度增长条件，使εp（t)＞ａT(t)，防止早期砼抗拉强度不够产生的早期砼裂缝，并为砼今后的强度提供保证；在施工计划安排时，尽量避开砼施工赶上炎热的夏季或寒冬，必要时采取施工措施并即时回填土，从而为设计创造一个好的条件，设计施工双方齐心合力使工程保质保量地完成。

3 结束语：

　　对给排水工程的构筑物土建设计，设计人员应结合工程具体情况，了解工艺要求、施工技术，综合考虑设计选用参数，把精心设计落到实处，在努力降低工程造价的同的，与施工配合，尽量防止与控制裂缝的出现与发展。另方面设计人员对施工未按正常工期等施工失误产生的裂缝处理，也应有所了解、准备，克服单纯设计观念，扩展自己在施工方面的知识，对当前常用处理裂缝及堵漏的方法、材料有所了解，更好地完成设计后期服务。