谈垃圾焚烧发电厂水池结构设计

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摘要：水池在垃圾焚烧发电项目中应用广泛，这类构筑物常埋置于地面以下，储存介质成分复杂，要求其不仅要具备较强的承载力，还要有良好的抗渗性、抗裂性和耐久性，并在结构构造上采取措施进行加强。文中以事故雨水池为例进行分析，采用PKPM水池有限元计算模块进行分析，研究水池的受力特征，为后续相关设计工作提供借鉴参考。

关键词：垃圾焚烧发电；水池结构；有限元

引言

水池是垃圾焚烧项目中较常见的构筑物，水池的容积、外形尺寸、存储液体等通常由工艺专业条件确定。水池结构按照平面形状可分为单格水池、多格水池、圆形水池、矩形水池；按照使用条件可分为有盖水池和无盖水池；按照结构形式可分为：等壁厚水池、变壁厚水池、加扶壁柱水池；按照安放位置可分为全地下水池、半地下水池和地上水池；按照施工工艺分为现浇混凝土水池、装配整体式水池、预制拼装式水池。现阶段，设计院进行水池设计时，仍以《给水排水工程结构设计手册》（第二版）［1］为主，将水池构件分解为二维弹性板件，假定为单向板或者双向板，采用查表或者理正等辅助计算软件进行工程设计。虽然此方法可解决大部分工程问题，但这种将顶板、壁板、底板等作为独立结构单元进行设计的方法，无法考虑各板块的整体相互作用，不能准确反映水池结构的实际受力状态。本文结合实际工程案例，对钢筋混凝土全地下单格水池结构进行研究，采用PKPM水池设计模块QY-POOLS计算，总结经验规律，供设计人员参考借鉴。

1工程概况

本文以南充南部县生活垃圾焚烧发电项目中的事故雨水池为研究对象。该水池总长度21.1m，宽度9.8m，室外地坪标高为355.0m，水池顶板顶标高为353.0m，即池顶覆土2m厚，水池底板底标高为348.0m，属于全地下水池，设计水深4m，抗浮设防水位取室外地坪下1m。底板厚度取500mm，侧壁厚度取400mm，顶板厚度取250mm，池内立柱截面取450mm×450mm，顶板框架梁分别取300mm×500mm、350mm×750mm，结构构件采用C40防渗混凝土浇筑，抗渗等级P6，控制裂缝限值为0.2mm。根据勘察报告，基础持力层为强风化砂岩，地基承载力特征值为300kPa。水池平面布置如图1所示。

2水池结构设计要点分析

水池结构设计时需要采用合理有效的计算假定，对不同工况下的荷载组合进行分析，使水池各板块既要满足正常使用状态下的裂缝、挠度等要求，又要满足承载能力极限状态下的强度等要求。水池结构计算分析主要包括水池各构件的内力、配筋、裂缝计算、地基承载力计算以及水池抗浮验算等方面。

2.1水池荷载

2.1.1顶板荷载顶板荷载包括顶板恒荷载及活荷载，其中顶板恒荷载包括覆土荷载、建筑防水做法重量以及顶板自重；由于该水池埋置于厂区绿地之下，活荷载不需要考虑汽车荷载，计算时活荷载按地面堆积荷载10kN/m2取值。

2.1.2壁板荷载壁板上作用的荷载主要包括池壁自重、池内侧的流体压力、池外侧的地下水压力、池外土体的主动土压力以及温、湿度作用。水池荷载主要体现在水压力和土压力，设计时考虑最不利情况，池内水深按照满水情况进行计算。由于本项目事故雨水池为全地下水池，可不考虑温度、湿度变化对结构的影响。

2.1.3底板荷载水池底板上作用的荷主要有池内水的自重，水池顶板和底板的重力荷载，覆土荷载以及顶板活荷载。地基土在上部结构荷载的作用下会发生变形，同时给底板提供一个反作用力，地基反力主要由顶板活荷载、顶板覆土荷载、顶板自重、壁板自重以及池内立柱自重引起。

2.2荷载组合

水池结构设计时，主要有以下三种荷载工况：（1）池内有水、池外无土（结构在做闭水试验时的工况）；（2）池内无水、池外有土（结构建成，试水期结束，土体回填完成时的工况）；（3）池内满水、池外有土（水池在正常使用时，满水的工况）。一般情况下，前两种工况下的荷载组合会引起最大内力，可只对前两种工况进行验算，取最不利荷载组合用于结构设计。对于多格水池，QY-POOLS可以自动考虑各池体盛水荷载的不利布置。

2.3抗浮验算

当地下水池在承受地下水浮力时，应进行水池结构的整体抗浮计算，满足抗浮安全系数不小于1.05，保证水池结构不发生整体上浮。同时，对于有中间立柱作为支承的结构时，还需验算支承区域内的局部抗浮，防止底板在水浮力作用下向上发生变形，产生裂缝。

3模型分析

3.1建立有限元模型

PKPM水池计算模块采用有限元方法对水池进行计算分析，可自动对水池进行网格划分以及荷载组合。由于混凝土材料的特殊性，长期受荷状态下会有软化和应变集中的现象，如果单元网格划分过细，可能造成计算结果不收敛,本工程将单元格尺寸划分为0.5m×0.5m。在计算时水池主体构件如顶板、壁板和底板均采用板单元模拟，梁、柱以及扶壁柱等采用梁单元模拟。根据规程［2］将池壁底部作为固定约束，但按照固接无法体现实际受力特征，池壁与顶板连接假定为完全简支，但实际受力时，侧壁与顶板并不是绝对的简支支撑，顶板四周是具备抗弯刚度的，有限元软件计算时，可以考虑侧壁顶板的刚度相对大小。因此，本软件在考虑相连壁板之间、壁板与顶板之间、壁板与底板之间连接时均采用弹性固定模型。基础计算采用温克尔地基模型，底板下假定为弹簧支座，本工程取20000kN/m3。

3.2模型分析

（1）侧壁内力分析：长向池壁水平弯矩和竖向弯矩云图如图2、图3所示。短向侧壁水平弯矩和竖向弯矩云图如图4、图5所示，水平弯矩的最大值出现在角隅处，角隅负弯矩达到47kN•m，且跨中部位弯矩较小，因此在设计时应采取构造措施对侧壁连接处进行加强。长向侧壁竖向弯矩最大值为43kN•m，短向侧壁竖向弯矩最大值为37kN•m，均出现在板块中下部，且侧壁顶部弯矩并不为0，也说明侧壁与顶板并非简单的简支关系，反映了实际的受力状态。（2）顶板内力分析顶板弯矩云图如图6所示。顶板弯矩呈现两头及中间有立柱位置弯矩大的趋势，在左右两侧负弯矩达到最大值12kN•m，靠近端部的两根立柱附近正弯矩最大为22kN•m，主要是因为有立柱位置存在应力集中，内力发生突变。（3）底板内力分析底板弯矩云图如图7所示。水池底板弯矩呈现两头大中间小的特点，在设立柱位置弯矩达到最大值，说明设置了立柱之后，改变了荷载的传递路径，传至底板的内力会引起底板内力重分布。

3.3构造措施及注意事项

（1）在水池池壁与顶板、底板交界处以及池壁与池壁交界处应设置加腋。设置加腋目的是为避免应力集中，其中池壁与顶板、底板的腋角高宽比为1:2，池壁与池壁之间的腋角为45°，腋角边长应大于150mm，通常取壁厚的0.8~1.2倍，并应构造配筋，所配钢筋应不少与池壁或顶板、底板截面受力钢筋的50%。（2）在水池顶板及侧壁较大开洞处，设置暗梁、暗柱，弥补开洞对结构构件刚度的削弱，加强结构的抗裂性能。在侧壁与侧壁交界处，设置暗柱，增强水池整体性，避免产生超过规范要求的裂缝。适当增加水平钢筋配筋率，根据对已建成电厂水池结构的回访调研，水池产生的裂缝大多为竖向裂缝，加大水平钢筋配筋率，保证不小于2%，对减少裂缝可产生重要作用。（3）为了避免钢筋混凝土水池出现裂缝，并确保抗渗等级，施工时应采取下列措施：1)池子施工时，应振捣密实，混凝土浇筑后应立即养护，养护时间不少于14昼夜;2)水泥宜选用普通硅酸盐水泥；水胶比不得大于0.40，塌落度总损失值不宜大于4cm，胶凝材料用量不得少于340kg/m3，含砂率宜为35%~40%，灰砂比宜为1：1.5~1：2.5,最大氯离子含量为0.08%。砂、石应致密，骨料应采用石灰石、石英石或花岗石，但不得采用有碱骨料反应的活性骨料；3）混凝土中应掺抗裂防水剂，掺量为胶凝材料用量的9%~11%（具体以厂家为准）；4)夏季施工时，应尽量降低砂石进入搅拌机温度，必要时可采用遮阳淋水措施。（4）用于固定侧壁模板的对拉螺栓端头应进行特殊处理，处理方案如下：1）将侧壁内外两侧的对拉螺栓端头切除，切除深度应进入混凝土面内1~1.5cm；2）用环氧胶泥将切除部位补平加强；3）按照建筑图要求进行防水层、防腐层施工。

4结论

本工程改变了以往只是单纯采用二维设计的方法，通过PKPM水池模块的有限元方法进行三维建模，对事故水池内力进行分析，更准确反映水池结构实际受力情况，计算结果可靠准确。同时，相比传统有限元设计软件如Midas/Gen、SAP2000以及ANSYS，PKPM水池设计模块更为方便快捷，工程师可以查看包括所有工况组合计算结果、各板块构件配筋、变形、裂缝、地基承载力及抗浮设计等结果，而且可以生成模板图以及水池配筋图，非常适合日常结构设计，可以大幅提高工程人员的准确率和设计效率。

参考文献

［1］给水排水工程结构设计手册编委会.给水排水工程结构设计手册（第二版）［M］.北京：中国建筑工业出版社.2007

［2］CECS1382002：给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程［S］.北京：中国建筑工业出版社，2002.

作者：王群 单位：中国航空规划设计研究总院有限公司