程正義
化學(xué)工業(yè)部第三設(shè)計院（東華工程公司）

　　隨著我國對環(huán)境保護(hù)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(yè)務(wù)強(qiáng)項的污水處理工程，這幾年就先后承接了省內(nèi)外近處10個城市污水處理工程的設(shè)計或工程總承包。如何提高水工藝設(shè)計，提供先進(jìn)的污水處理方法？作為配套的土建結(jié)構(gòu)專業(yè)如何優(yōu)化設(shè)計，在滿足水工藝要求的前提下，既保證水工構(gòu)筑物今后的正常生產(chǎn)使用，又降低工程造價？這是新的形勢對設(shè)計人員提出的新的要求，也是工程公司總承包工作對設(shè)計人員提出的要求。下面對土建結(jié)構(gòu)專業(yè)在設(shè)計中經(jīng)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(gòu)筑物的設(shè)計與地下水位的確定有著直接夫系。根據(jù)現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》（GBJ69－84），地下水位應(yīng)根據(jù)地方水文資料、考慮可能出現(xiàn)的最高地下水位。具體設(shè)計中，在壁板的承載能力極限狀態(tài)及正常使用極限狀態(tài)計算時，一般均取用水文資料查得的最高地下水位進(jìn)行設(shè)計計算。在50年設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)，一般水工構(gòu)筑物地下水的可變作用的取用系按“工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)”規(guī)定原則確定，對罕遇洪水的偶然作用不考慮。但具體設(shè)計在正常使用階段池內(nèi)有水，僅在檢修等特殊時段才需排干池內(nèi)水的水池，在設(shè)計該池池壁、池底板及抗浮驗算的，就應(yīng)當(dāng)根據(jù)實際情況，結(jié)合地方水文資料，確定一個合適的地下水位標(biāo)高，做到既能滿足生產(chǎn)維修要求又能降低造價，節(jié)省工程投資的雙贏目的。總之，設(shè)計人員應(yīng)根據(jù)具體的工程條件，認(rèn)真研究當(dāng)?shù)厮馁Y料會同水工藝設(shè)計人員共同討論，正確取用設(shè)計考慮的地下水位標(biāo)高，并采取一系列設(shè)計及操作措施來確保安全生產(chǎn)及設(shè)計意圖的實現(xiàn)。例如我院設(shè)計的安徽毫州市污水處理廠工程，在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，結(jié)合不同構(gòu)筑物使用要求，采用了3個不同的地下水位標(biāo)高。該地區(qū)水文資料顯示，最高地下水位為絕對標(biāo)高36.86m，每年冬春季枯水期水位均在35.50m以下。我們在設(shè)計二沉池時，設(shè)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(xù)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(shè)計己考慮每年檢修安排在冬季枯水位時，這樣設(shè)計所采用的地下水位標(biāo)高一般均能保證正常生產(chǎn)、檢修。為防不測，設(shè)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(nèi)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(zhǔn)進(jìn)行維修，否則暫不批準(zhǔn)。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(chǎn)生影響，而且工藝設(shè)計考慮曝氣頭支架可提升更換?；诖藯l件，土建設(shè)計采用35.60m地下水位標(biāo)高以保證每年枯水期檢修的需要。對地下泵房等則設(shè)計采用最高水位36.86m。

2 構(gòu)筑物設(shè)置伸縮縫的考慮以及后澆縫做法對設(shè)計的影響

　　根據(jù)設(shè)計規(guī)范一般構(gòu)造要求，矩形構(gòu)筑物伸縮縫間距對于現(xiàn)澆鋼筋砼結(jié)構(gòu)、巖基、露天結(jié)構(gòu)為15m，地下結(jié)構(gòu)或有保溫措施時為20m；土基露天結(jié)構(gòu)為20m，地下或有保溫措施為30。但隨著國家對環(huán)保的重視，近幾年我院設(shè)計的污水處理工程其水池長度均大大超過規(guī)范限制，因此設(shè)計上或采用橡膠止水帶設(shè)計或采用后澆縫（類似有跳倉打）施工方法，以及采用UEA加強(qiáng)帶等施工措施成功地建成了一批超過規(guī)范長度建構(gòu)筑物。
　　在通常水池構(gòu)筑物設(shè)計中，對各種不利外荷載組合引起的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及裂縫開展寬度計算，一般均按規(guī)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(jù)調(diào)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(jié)合自己在設(shè)計工作中的體會談?wù)勔韵氯齻€方面自己的認(rèn)識，供大家共同探討。
　　2.1 水池類構(gòu)筑物并非必須保證不開裂，對設(shè)計人員來講重要的是做好裂縫的控制。一方面設(shè)計人員要精心設(shè)計，事先在設(shè)計中對可能不利因素及其影響予以預(yù)防，另一方面在施工過程中萬一發(fā)生較大裂縫也要有處理方法及技術(shù)措施，確保工程交付驗收及投產(chǎn)后的安全生產(chǎn)及運(yùn)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(shù)值越大越易開裂，裂縫的數(shù)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(shè)計人員要從設(shè)計與施工兩個方面來加強(qiáng)控制。
　　2.2 水池類構(gòu)筑物除按規(guī)范進(jìn)行必要的強(qiáng)度、抗裂度或裂縫寬度計算之外，設(shè)計尚應(yīng)加強(qiáng)對允許伸縮縫間距的計算，做到心中有數(shù)。在設(shè)計過程中，設(shè)計人員要詳盡收集有關(guān)資料，針對地基軟硬情況，從寬或從嚴(yán)選擇伸縮縫的間距。一般水池壁厚＜500mm時，設(shè)計不考慮水池?zé)岬挠绊?，主要考慮施工階段的最不利溫差砼收縮產(chǎn)生的當(dāng)量溫差，保證由于綜合溫差對砼產(chǎn)生的拉應(yīng)力與砼相應(yīng)令期的極限抗拉強(qiáng)度之比值符合安全要求，按此條件復(fù)核設(shè)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(dá)穩(wěn)定的溫度之差。當(dāng)構(gòu)筑物及時回填土?xí)r，由于地下溫度一般常年變化不大，砼達(dá)穩(wěn)定時溫度可近似取當(dāng)?shù)啬昶骄鶞囟?；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(jīng)歷冬季時，砼達(dá)穩(wěn)定時溫度應(yīng)取當(dāng)?shù)卦缕骄畹蜏囟?。對超?guī)范允許伸縮縫距離的超長構(gòu)筑物，設(shè)計考慮設(shè)置伸縮縫，筆者建議伸縮縫從基礎(chǔ)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(shù)Cx值才能切合實際。
　　外部約束限制構(gòu)筑物砼的變形產(chǎn)生了溫度收縮應(yīng)力，其中最不利溫差產(chǎn)生的應(yīng)力在設(shè)計階段必須予以仔細(xì)考慮。為保證設(shè)計意圖的貫徹落實，設(shè)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(fù)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(dāng)設(shè)計較長矩形水池時，設(shè)計可采用后澆縫或UEA加強(qiáng)帶等施工方法來減少砼收縮產(chǎn)生的當(dāng)量溫差T₁及不利溫差T₂。如設(shè)計對后澆縫不要求，至少應(yīng)保留28天以上，否則設(shè)計應(yīng)注明后澆縫時間以便與計算假定一致。后澆縫的設(shè)置可以避免部分不利的施工前階段溫差及砼前期收縮產(chǎn)生的當(dāng)量溫差（至少30%砼收縮已完成成），從而增大了構(gòu)筑物伸縮縫的允許間距，已有不少工程設(shè)計與施工都成功地采用后澆縫技術(shù)增大溫度伸縮縫的間距，包括框排架及混合結(jié)構(gòu)。在水池類溝筑物采用后澆縫的設(shè)計中，首先對設(shè)計采用的后澆縫間距按正常結(jié)構(gòu)計算，確保構(gòu)筑物在后澆縫封閉前不發(fā)生開裂等問題，再考慮后澆縫削減溫度收縮應(yīng)力后，整體構(gòu)筑物伸縮縫間距是否滿足計算。當(dāng)設(shè)計采用UEA加強(qiáng)帶做法時，依靠加強(qiáng)帶砼較大的膨脹應(yīng)變補(bǔ)償兩側(cè)砼的溫差應(yīng)變，設(shè)計通過對UEA摻量的調(diào)配，補(bǔ)償砼的收縮，使T1≤0并并按 T1＝0進(jìn)行計算。
　　下面以我院承擔(dān)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(shè)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(jié)構(gòu)分三段，設(shè)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(yǎng)護(hù)時間14天以上。池底為一般粉質(zhì)粘土，F(xiàn)k=150kpa，取=0.05N/mm²，底板對池壁約束系數(shù)Cx=1N/mm²。
　　計算設(shè)計是否滿足溫度伸縮縫間距要求。
2.2.1 復(fù)核后澆縫間距
　　28m間距符合規(guī)范要求，一般情況該間距可不復(fù)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(dāng)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(shù)
　　　　　M₁——M₁₀——為施工條件修改的系數(shù)，對本例M4=1.3 M6=0.93 ω≥80 M₇=0.7
　　　　　T——砼令期天數(shù)，要求后澆縫之前不發(fā)生開裂現(xiàn)象，t取60。
　　　　　εy(60)=-12.37℃
　 （2）最不利溫差計算：設(shè)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
　　　　　　?。脁——地基對砼的約束系數(shù)（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(shù)

　 　　　

2.2.2 復(fù)核水池整體伸縮縫間距：
　　 （1）勝收縮當(dāng)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(jìn)中建立0.2Mpa以上予壓應(yīng)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?？紤]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(dāng)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。
　?。?）.伸縮縫允許間距

　　

2.3 當(dāng)考慮用UEA砼加強(qiáng)帶時伸縮縫間距：
　　（1）砼收縮當(dāng)量溫差：T1＝0同后澆縫考慮T1＝-8℃
　?。?）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℃
　?。?）砼拉伸極限計算同前。
　?。?）伸縮縫允許間距計算：

　　　

　　結(jié)論：該設(shè)計的伸縮縫處理是可行的，可以通過后澆縫或UEA加強(qiáng)帶做法（放到該池不設(shè)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(nèi)，從而保證長度在允許間距之內(nèi)。因而為方便施工、連續(xù)施工，最終設(shè)計選用UEA加強(qiáng)帶做法。
2.4 設(shè)計考慮施工，施工配合設(shè)計
　　設(shè)計人員在水池類構(gòu)筑物設(shè)計過程中應(yīng)周密考慮各方面因素的影響，采取一定設(shè)計技術(shù)措施，并對施工方面明確提出要求以保證設(shè)計假定的實現(xiàn)。對設(shè)計計算中已考慮諸多施工方面因素，圖紙上應(yīng)注明，比如水灰比限制、水泥用量、養(yǎng)護(hù)天數(shù)、后澆縫間隔天數(shù)等。另在設(shè)計中注意構(gòu)造溫度筋的配置，配筋盡可能選小直徑、小間距，滿足＠≤150mm及構(gòu)造配筋率0.3%——0.5％的要求，在設(shè)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(qiáng)鋼筋形成暗梁，對后澆縫砼設(shè)計采用UEA等適量的添加劑，使其砼膨脹超過砼自身收縮產(chǎn)生一定自應(yīng)力，為超長伸縮縫間距創(chuàng)造條件。
　　一個工程產(chǎn)品是設(shè)計與施工共同努力的結(jié)果。設(shè)計中個別疏忽也可能通過好的施工得到彌補(bǔ)，施工除滿足設(shè)計對施工所提的要求外，在施工中嚴(yán)格按施工規(guī)范要求來處理每一工序，合理制定施工方案，加強(qiáng)砼早期的養(yǎng)護(hù)，特別是澆筑后5天時間內(nèi)，減小溫度、濕度的變化，為砼創(chuàng)造充分松弛及強(qiáng)度增長條件，使εp（t)＞ａT(t)，防止早期砼抗拉強(qiáng)度不夠產(chǎn)生的早期砼裂縫，并為砼今后的強(qiáng)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(shè)計創(chuàng)造一個好的條件，設(shè)計施工雙方齊心合力使工程保質(zhì)保量地完成。

3 結(jié)束語：

　　對給排水工程的構(gòu)筑物土建設(shè)計，設(shè)計人員應(yīng)結(jié)合工程具體情況，了解工藝要求、施工技術(shù)，綜合考慮設(shè)計選用參數(shù)，把精心設(shè)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(xiàn)與發(fā)展。另方面設(shè)計人員對施工未按正常工期等施工失誤產(chǎn)生的裂縫處理，也應(yīng)有所了解、準(zhǔn)備，克服單純設(shè)計觀念，擴(kuò)展自己在施工方面的知識，對當(dāng)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(shè)計后期服務(wù)。