大型AAO生物反应池的结构设计

大型AAO生物反应池的结构设计

摘要：通过某生物反应池的结构设计实例, 提出了生物反应池结构设计的主要问题, 以及解决这些问题的技术措施，并针对生物反应池提出了构造要点。

关键词：生物反应池；抗浮设计；伸缩缝；结构布置；混凝土裂缝；

Abstract: By introducing the structure design of large biological reaction tank,major problems are put forward ,technical steps are suggested to resolve them and

considerations in design of structure are outlined.

Keywords: biological reaction tank; anti-floating design; expansion joints; Structural layout ；Concrete crack

一、 生物反应池简介及工程概况

活性污泥法是目前城市生活污水以及有机性工业废水处理中常用的工艺。将生物脱氮技术和生物除磷技术融入了传统的活性污泥工艺，此工艺称为脱氮除磷活性污泥法，它主要包括AAO、MSBR、UNITANK等工艺，其中AAO工艺主要用于城市生活污水处理。AAO生物反应池是该污水处理工艺的核心处理单元，其结构特点是平面尺寸较大，内部布置简单，污水处理运行工况单一，设计水深多在6m左右。

本工程为沿海地区某污水处理厂内的生物反应池(下称反应池)。反应池为敞口，其平面总尺寸约为80m×110m，大小相当于一个标准足球场；中央渠道将反应池分为对称布置的两个处理单元；池体埋深3.75m；池壁净高6.8m，工艺设计正常运行水深5.85m。

二、 主要设计问题

1 抗浮设计

城市污水处理厂选址多靠近受纳水体，地下水埋深较浅；而大型生物反应池占地面积大且内部空旷，自重较轻，因此在地下水位较高时，一般难以满足抗浮要求。对于反应池抗浮设计可遵循以下三个步骤：

1.1 确定抗浮设计水位 该水位的选取对于结构安全和工程投资意义重大，因此应从多个方面进行综合判断。首先，抗浮水位主要根据拟建场地的地质勘察报告所提供的水位数据进行确定，但不能局限于勘察报告中的数据。目前部分勘察报告仅提供场地勘察期间的地下水位与水位变化幅度，未明确提出场地的抗浮水位，也未明确场地地下水的变化趋势，属不合格的勘察报告。因此，不可直接引用此类报告的地下水位数据。而应与勘察单位沟通以获取科学依据，或者对拟建场地进行现场调查，以获取参考数据。对于重大工程，勘察部门还应根据《岩土工程勘察规范》7．1. 4 条的要求，进行专门的水文地质勘察。其次，对于填垫场地上的抗浮设计，应对地下水位随填土升高的情况予以充分考虑。这种情况多出现在新区建设的过程中。此时先期建设污水处理厂，厂区设计地坪大多高于周边现状地坪，排水良好。随着周边其他厂区垫高场地，从长期看，此片区域的地下水位受大气降水与周边排水体系的影响逐步增强，地下水位会有一定幅度的升高。对此应根据新区的控制性详细规划对周边排水系统或水系的控制，结合工程投资，选取合理抗浮设计水位。另外，城市规划中对地下水的开采量或回灌量变化，以及近年来生态系统的恢复对区域地下水位的影响同样较大，在设计中也应予以重视。

本工程中，总图专业根据周边路网及相关规划资料，确定厂区设计地坪高于现状场地地坪约1.0m，需进行回填。根据地质勘察报告，本工程场地属江河冲积平原，地下水常年最高水位为地面下0.50m。结合上述关于填垫区水位的阐述，确定本工程抗浮设计水位为设计地面下0.50m。

1.2 选取抗浮措施 当池体所受浮力较大，采用结构自重及压重作为抗浮措施变得不经

济时，常采用抗浮锚杆或抗浮桩来解决抗浮问题。对于抗浮桩基的设计，《建筑桩基技术规范》在条文说明3.4.8中指出，首要问题是根据场地勘察报告关于环境类别，水、土腐蚀性，参照现行《混凝土结构设计规范》确定桩身的裂缝控制等级，对于不同裂缝控制等级采取相应设计原则。对于抗浮荷载较大的情况宜采用桩侧后注浆、扩底灌注桩，当裂缝控制等级较高时，可采用预应力桩；以岩层为主的地基宜采用岩石锚杆抗浮。应注意的是，抗浮措施的选取需结合其它地基处理措施如处理液化、沉降超限、地基承载力不足等，以及工程进度、投资等因素进行综合比选。

在某些工程当中，人为降低抗浮设计水位，并辅以水位观测井，在运行时，根据观测井内的水位高低来决定水池放空与否。这种做法的优点是能够降低抗浮措施的工程投资，缺点是当地下水位较高时，不能进行放空检修。所以使用这种抗浮措施时应对当地地下水位变化情况及工艺运行工况作充分研究，以免因小失大。

岩石地基上的水池抗浮宜采用岩石锚杆抗浮，计算方法按照《建筑地基基础设计规范》中有关岩石锚杆基础的要求执行。在无地下水作用的岩石场地上，表面看无需抗浮。实际上，此情况下需注意到水池基坑常用无粘性土回填，这样如果降雨或者管道渗漏就会在其中积水，形成“水盆”。如基坑下部无排水条件,则水池有抗浮不足的隐患。此时应从自由水面起进行抗浮验算，若不满足安全要求，可用岩石锚杆抗浮，或设置可靠的排水措施以降低抗浮水位。

在本工程中，反应池底板每平方米所承受水浮托力为32.5kn，反应池在放空工况时，抗浮不足，需进行抗浮设计。场地勘察深度范围内土层除第1层为素填土外，均由第四纪新近沉积土和一般沉积土构成，为中软土，工程性能一般，场地土轻微液化，地下水对混凝土具中等腐蚀性。

根据当地工程经验，抗浮措施在预应力混凝土管桩，钢筋混凝土方桩及钻孔灌注桩三种方案中进行比选。钢筋混凝土方桩可在施工现场预制，预应力混凝土管桩可在工厂预制后运送至施工现场，此两者施工速度较快，且施工质量易于控制。钻孔灌注桩在现场制桩，速度慢，费用高，同时考虑到处理场地大, 钻孔桩的泥浆量大, 处理不当便造成污染，因此排除此方案。对比方桩，管桩可使用开口尖桩, 沉桩过程中内腔可进土,减小挤土效应；管桩为薄壁空腔，可减少用料，在大量使用时，优势尤其明显。因此，最终选择预应力高强混凝土管桩作为抗浮措施，并根据《工业建筑防腐蚀设计规范》的要求采取桩身防腐蚀防护措施。

2 地基变形控制

反应池通常是污水处理厂中平面尺寸较大的构筑物，在相同的附加压应力作用下，其地基压缩土层厚度大，其地基沉降变形也相应的大。当建造在软土地基上时，其沉降历时较长，这点可从《建筑地基基础设计规范》给出的一般多层建筑在施工期间完成的沉降量，“对于中压缩性土可认为已完成20%-50%，对于高压缩性土可认为已完成5%-20%”看出。

反应池的沉降变形控制通常为双控，即控制绝对沉降值与差异沉降值。原因如下： 一，当反应池发生均匀沉降, 其绝对值较大对水池结构本身影响不大, 但会影响污水处理工艺的水力流程。同时，反应池与相邻单体相对沉降过大，会引起进出水管道破坏, 也会引起管道洞口处应力集中使池壁裂缝。

二，反应池的差异沉降值较大时，会造成池体曲线变形,进而产生次应力导致混凝土开裂。另外差异沉降过大，超过变形缝承载能力，会将变形缝拉裂，造成渗漏。

对地基变形的限值可参照《混凝土水池软弱地基处理设计规范》的要求。同时，应结合工程实际确定合适的参数。在本工程中，反应池规模较大，而工艺水力高程余量较小，进出水管道管径大长度短，综合考虑后，取反应池绝对沉降值小于200mm，与相邻水池的差异沉降值小于50mm。

3 混凝土裂缝控制

混凝土结构裂缝成因复杂，《工程结构裂缝控制》对此作了详尽分析，并从不同方面给出了多种裂缝控制的方法。在大型水池的设计中，主要通过设置变形缝或后浇带，在混凝土中施加外加剂的措施来进行裂缝控制。本工程的生物反应池属现浇钢筋混凝土地下式水池，地基类别为土基，土质均匀。由于伸缩缝处施工困难，且易成为漏点而又难以修补，布置伸缩缝时，尽量放大伸缩缝间距。而反应池设有抗浮桩，对水池底板有部分约束作用，并且在混凝土中施加微膨胀剂，在考虑了这两项有利因素后，本工程共设置了沿长向2道伸缩缝，沿短向4道伸缩缝，最大缝间距为27.5m，满足《给水排水工程构筑物结构设计规范》的要求。

目前，外加剂产品种类多，质量参差不齐，施加不合格产品后，会带来不利作用。所以，减少外加剂的使用，按照规范要求设置伸缩缝，是解决水池裂缝的主要方法。在工程中，根据实际情况施加如玻璃纤维或聚丙烯纤维，减少混凝土早期裂缝，并严控施工质量，是可以有效控制裂缝的。

三、 计算要点

1 设计水位的选取

由于受场地及曝气装置的限制，反应池的工艺设计水深度h一般为5m~6m左右。在考虑了1m的保护高度hb后，池壁总高度H=h+hb。当进行承载力极限状态计算时，按反应池满水计算，计算水位应取至H；在正常运行过程中，由于曝气设备以及风力作用，反应池内的水位会有一定幅度的波动，为考虑此种不利作用，在进行正常使用极限状态验算时，计算水位可取（h+hc）, 式中hc为超高水位，一般在采用底部曝气工艺时，hc可取0.3m左右，在采用表面曝气工艺时，hc的取值与设备选型关系密切，应根据实际情况确定。

设计水位的选取对池壁厚度及配筋影响较大，应合理选取设计水位。本工程中，池壁总高度H=6.8m，若将裂缝验算水位取至池顶，则池壁内及底板上层侧配筋将增加超过30吨。另外，在具体工程的设计中，当与工艺专业协商明确，并有可靠的超越或溢流措施时，设计水位还可适当降低。

2 外池壁与隔墙计算

2.1 外池壁计算

外池壁一般按悬臂板计算，池壁根部厚度可取1/10~1/15池壁高度。当壁厚超过400mm时，为节约用料，池壁应设计成变截面。壁板角隅区局部弯矩按照《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》(CECS138：2002)进行计算。对于地面式水池，池壁应考虑温（湿）度作用。本工程反应池外池壁为变截面，顶部厚度为400mm，根部厚度为650mm。

2.2 隔墙计算

隔墙一般为导流墙，通过在隔墙上设置过水洞口，使水流沿设计路线通过。因此，在正常运行工况下，隔墙两侧均受到水压力作用。隔墙计算时，应考虑其两侧水头差值作用。正常运行时，水头差值有以下两个来源：一，由于反应池平面尺寸较大，水力流程较长，使得水流有一定的水头损失而在隔墙两侧形成水头差。根据反应池平面尺寸的大小，水头差变化范围在150mm~300mm；二，好氧段需对污水进行曝气，而厌氧段无需曝气，因此由曝气工艺引起隔墙两侧水头差。根据曝气工艺的不同，如为底部曝气，水头差可取300mm左右。如为表面曝气，水头差应与工艺专业协商确定。

在初次进水工况下，部分隔墙两侧也会形成水头差。原因在于，厌氧段的每道内隔墙上洞口的底标高不同，在初次进水时，水流至此隔墙处，水位需升高至洞口处才能溢流过去。反应池放空检修后再次进水时，相当于初次进水。为解决隔墙受力问题，有两种措施：一，取洞口底标高为计算水位，进行隔墙受力计算，并按结果配筋；二，由工艺专业根据进水流量计算，在隔墙底部布置一定数量泄压过流洞口，降低隔墙所受水压，并要求初次进水时均匀缓慢，避免在隔墙两侧形成水头差。

本工程中，曝气工艺为底部曝气。在隔墙设计时，首先分析了隔墙两侧形成水头差的不

同原因，对于开洞隔墙按水头取至洞底标高进行验算，对于曝气段与非曝气段之间的隔墙按300mm水头差进行验算。同时在设计说明中，对闭水试验以及初次进水的水位与水量做相应要求。

3 底板计算

由于污水处理工艺的需要，反应池的底板有平面尺寸大，内隔墙间距大的特点。反应池底板的常用计算方法因为地基特性，地下水位情况，以及有无桩基等条件不同，可分为文克尔假定，半无限弹性体假定，无梁楼盖假定。由于各种假定均与实际情况有出入，计算结果有时相差较大。考虑到底板的重要性，在进行底板设计时，应持谨慎态度。

本工程中，将反应池外池壁与底板按照悬臂挡水墙进行设计。由于底板下布置有管桩，在计算中，底板按照无梁楼盖假定进行计算。考虑到池壁两侧桩基对底板的约束作用，将底板设计为变截面（700mm~400mm），变截面起始位置为距离外池壁6m处。在实际布桩中，为保证桩基对挡水墙底板的约束作用，同时也考虑到外池壁两侧桩基受力较大的情况，对此范围的桩基进行了适当加密处理。

四、 结构构造设计要点

1 悬挑渠道的处理

根据工艺设计，反应池的部分隔墙与外池壁通常需设置悬挑渠道，用于进水或回流。当污水处理规模较大时，悬挑渠道截面尺寸也相应较大。此时除进行悬挑渠道的受力计算，尚应进行池壁或隔墙的变形验算。若挠度超限，应在悬挑渠道下设柱，避免引起池壁或隔墙的倾斜。同时，还应进行悬挑渠道背侧池壁或隔墙根部的受力验算。对于隔墙，其不利工况为渠道内满水，隔墙两侧300mm水头差作用。对于外池壁，其不利工况为渠道内满水，池内放空，外为水土荷载作用。

2 中间渠道

当污水处理规模较大时，为节省用地，反应池的工艺设计通常为两处理单元拼接，将多条渠道合并成中间渠道集中进水或回流。外悬挑中间渠道与两侧处理单元为整体结构，渠道锚固于两侧水池的外池壁。当渠道短向跨度较大时，应在渠道下设柱，将渠道荷载传递至水池底梁或底板。当渠道短向跨度较小时，渠道下可不设柱，但应验算渠道两侧池壁的受力情况。此时的不利工况为，渠道内满水，池内满水，池外无水土。

中间渠道为架空结构，渠道底板以下至反应池底板之间为空旷的地下空间。此处如无特别用处，施工中应回填至设计地坪附近。此处回填主要为两方面原因：一是增加一些抗浮用的配重；二是避免此处形成暗塘，形成隐患，继而造成池周边道路塌陷。施工中，此处回填一般采用小车倒运，人工夯实，考虑到施工的难度，对回填料及压实的要求可适当降低。

3 防腐蚀设计

构筑物的防腐蚀设计需遵循《工业建筑防腐蚀设计规范》的相关要求，本文仅对设计中常用的表面防护措施加以总结分析。

对于反应池内防腐，原则上对与污水接触的内表面，及水面以上1m的范围内进行防腐处理；对有跌水的位置需进行防腐处理，并适当提高防腐等级。选用的防腐涂料宜具有张拉力，且能渗入混凝土。近年来厚浆型防腐蚀涂料发展较快，品种较多，其涂膜厚，抗渗性能较好，价格相对便宜，常用于腐蚀性较弱的污水处理池。

池壁外防腐需结合地质报告中对于场地土壤及地下水的腐蚀性评价，按照《工业建筑防腐蚀设计规范》的腐蚀作用分类与等级，选用相应的防腐蚀措施。

五、 结束语

生物反应池平面尺寸大，结构形式简单，在设计中需从结构布置、计算模型、构造设计入手，正确选取计算参数，采用合适的抗浮、防腐、抗裂措施，力求达到安全与经济的统一。

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