卵形消化池设计与施工

徐强 万玉生
（中国市政工程华北设计研究院）

　　摘　要：本文根据某污水处理厂工程中的卵形消化池的工程实践，简要介绍了卵形消化池设计与施工过程。
　　关键词：无粘结预应力 卵形消化池

1　概况

　　随着国家逐步重视环境保护工作和对污水处理工程的投入力度加大，污泥消化池作为部分污水处理工艺中的必不可少的构筑物随之出现大型化。卵形消化池适合于建立大容量（10000m³以上）的消化池，为了适应设计市场的这种形势，提高我院的设计竞争能力，设计卵形消化池是非常必要的。
　　在我院承担设计的杭州四堡污水处理二期扩建工程中，拟建立三座单池容量为10700m³的卵形消化池。另外，在我院承担设计的济宁污水处理厂工程中，拟建立单池容量为12000m³的卵形消化池，因而设计卵形消化池也是工程的需要。
　　在市政给水排水工程设计中，污泥消化池在国内以往多采用柱形消化池，我院设计的某污水处理厂单池容量为6000m³柱形消化池，地面以上高度为25m，池体5／6位于地面以上，如图1所示。

　　与图1所示柱形消化池相比较，卵形消化池污泥搅拌没有死角，保温效果较好，池体受力性能较好，适合于建立大容量（10000 m³以上）的消化池（见表1），因而杭州市四堡污水处理厂扩建工程中采用三个单池容量107000 m³的卵形消化池。
　　该卵形消化池地面以上高度为31m，地面以下高度位13.6m，采用钻孔灌注桩桩基基础，平均桩长45m。正常运行时池内最大水头高度为42m，池内气压为0.5KN／m²，池内温度保持在35℃左右，池内气体对钢筋混凝土结构具有强腐蚀性，池内污泥具有弱腐蚀性。采用双向无粘结预应力体系，其壁上不设扶壁柱，如图2所示，池体的剖面图如图3所示。

表1 卵形消化池与柱形消化池对比表

序号

内容

柱形消化池

卵形消化池

1

外表

柱形，有环梁突出。

平滑过渡，较美观。

2

容积

适合建造10000 m³以下

可以达15000 m³及以上

3

内池壁

池内壁有死角

池内壁平滑，没有死角

4

保温

表面积较大，耗费较多的保温材料，保温效果差。

表面积相对较小，保温材料耗费少，保温效果好，更能满足工艺要求。

5

占地面积

较大

较小

6

预应力体系

环向采用预应力

采用环向、竖向双向预应力体系

7

工程造价

较大

建造12000 m³以上的池体较柱形的要节省

　　

2　设计回顾

2.1设计要解决的主要问题
　　卵形消化池在国外早已普及，由于其在工艺、结构上的优点，国内早在九十年代初即有设计卵形消化池的设想，但至今建成的为数极少，可借鉴的经验不多，在我院设计尚属首次。卵形消化池的结构设计工作遇到的新问题很多，存在的主要问题归结为以下四点：
　　（1）无卵形池的力学计算模型及力学分析程序；
　　（2）没有进行卵形池的内力分析；
　　（3）未进行卵形池的预应力工程设计；
　　（4）无卵形池的结构构造方法。
2.2 实施一：针对卵形池的力学计算模型及力学分析程序
　　主要经历以下步骤：
　　（1）收集资料；
　　（2）计算机程序的选择；
　　（3）程序的试算；
　　（4）计算模型建立。

　　我们建立起的卵形消化池的力学计算模型，把高达45 m的卵形消化池分为上部壳体部分和下部块体部分，单元总数约8000个。程序计算误差在10%以内，结果令人满意，图4为所建立空间整体计算模型。
2.3 实施二：针对没有进行卵形池内力分析
　　（1）单一荷载工况下的应力和内力分析计算（关键步骤）。
　　卵形消化池的单一荷载工况细分起来有12种之多，每一种荷载工况分析整理成右图所示的结果，作为下一道计算的依据，每一个结果所需要处理的数据个数大约为40000个。数据处理完全依靠自行开发的专业程序完成。
　　（2）应力内力组合图
　　本工程的结构内力计算根据有关的国家规范进行，内力分析必须考虑施工阶段、正常使用阶段、闭水闭气实验阶段的各种可能出现的荷载，需要考虑的荷载组合情况分列如下：
　　（1）自重
　　（2）自重＋预应力施工状态
　　（3）自重＋预应力＋试水压力
　　（4）自重＋预应力＋试水压力＋气压力
　　（5）自重＋预应力＋试水压力＋气压力＋温度作用
　　（6）自重＋预应力＋试水压力＋气压力＋温度作用＋风压力
　　（7）自重＋预应力＋试水压力＋气压力＋温度作用＋风压力＋地震作用
　　（8）施工状态模拟分析
　　其中气压力包括试验气压以及可能产生的负气压；温度作用包括季节温差作用及壁面温差作用以及它们在夏季、冬季对池体的不同影响；施工状态模拟分析应考虑池体分段施工非预应力混凝土以及分批施加预应力施工阶段的模拟分析。
　　卵形消化池的内力组合细分起来有16种之多，每一种内力组合分析整理成右图所示的结果，每一个结果所需要处理的数据个数大约为10000个。数据处理完全依靠自行开发的专业程序完成。手工计算无法完成（如图5所示）。
2.4 实施三：针对卵形池的预应力工程设计
　　卵形消化池的预应力工程设计对整个工程造价及结构安全度产生极大影响：
　　（1）建造卵形消化池，使池壁表面平滑过渡，既方便施工、外表美观，又可让设计建立的模型更加简单。为此，我们运用无粘结预应力技术，选用扁锚体系（图6上部）及群锚体系（图6下部），采用变角张拉技术。
　　（2）采用变角张拉技术（如图7所示）。
　　（3）配置了双向预应力钢筋。

　　　　

2.5 实施四：针对卵形池的结构构造方法
　　卵形消化池的结构构造方法的特殊方面主要有以下几点：
　　（1）卵形池的上部壳体部分最大水压达260 kN／m²（在污水处理构筑物中最大），池壁上必须开设洞口。简单依靠混凝土的抗渗很难达到闭水、闭气实验以及有关规范对于渗漏范围、渗漏点数要求，因此消化池的防腐涂层必须有防水功能。我们在总结各方面经验的基础上提出几条设计及施工特殊要求，普通的做法难以达到其闭水闭气要求。
　　（2）卵形消化池桩基承台处于三向受力状态，因而三个方向都应配置网状非预应力钢筋（如图8所示）。

3　施工简介

3.1　模板工程
　　卵形消化池池体为双曲面，双曲面定型模板的一次性摊销费用大。在国外，卵形消化池的设计与施工已经有专业化的公司完成，有专门的模板及其支护系统、提升系统，整套模板系统的价格相对较高。在本工程的施工中，中国建筑第八工程局采用了自行开发并已经成功使用的简易模板系统（如图9所示），在精度尽量满足工艺、结构设计与施工要求的情况下，较国外的专业模板系统节省了投资。其缺陷是近似模仿卵形消化池的双曲面特征，对池体的受力性能有一些不良影，影响程度可以根据其模板尺寸作定量分析。

3.2　预应力工程
　　国内已建成的卵形消化池为数不多，设计及施工经验相对较少，根据卵形消化池的受力特征我们采用双向无粘结预应力体系。基于卵形消化池的外形特征，只能采用有粘结预应力方案及无粘结预应力方案。经过初步计算，采用无粘结预应力方案较采用有粘结预应力方案节省预应力钢筋1／5左右。
　　根据卵形消化池的受力特征，在施工现场作了卵形消化池工程预应力张拉试验多项测试工作（如图10所示）。
3.3　闭水闭气试验

　　　

　　该项目于99年6月份完成池体的闭水闭气试验工作，均达到国标标准（如图11所示）。

4　设计优化

　　（1）桩基：济宁污水处理厂工程及漳州污水处理厂工程中的卵形消化池采用多分枝支盘桩，较灌注桩节省桩基工程造价1／3左右（如图12所示）。
　　（2）锚具：济宁污水处理厂工程及漳州污水处理厂工程中的卵形消化池采用游动锚具体系（如图13所示），使得池体的受力更趋合理。

　　　　　

5　存在的问题及下一步打算

　　（1）杭州市四堡污水处理厂扩建工程中采用的卵形消化池至今运行良好，我们将在总结其设计及施工经验的基础上，逐步在其它的卵形消化池工程中进行设计优化，特别是要对池体的细部构造作进一步优化（如图14所示）。
　　（2）在结构内力分析方面，国外专业公司在计算时甚至考虑日照方向不同引起的温度差别对池体的影响，并且对不同曲率的卵形消化池结构形式受力进行分析比较以获得最经济的方案，我们将通过努力，逐步缩小结构内力分析方面与他们的差距（如图15所示）。

　　

（3）卵形消化池池体受力性能较好，理论上可以较柱形消化池降低单位池容的工程造价，国外专业公司在这方面的经济技术比较发现确实如此，我们也将通过进一步分析计算，采取更好的卵形预应力结构方案，使得卵形消化池不仅具有外形美观的优点（如图16所示），更具有经济技术上的优势。

图16 卵形消化池更具有经济技术上的优势