水池技术改造工程中池壁洞口改造加固设计与分析
时间：2023-06-30 22:40:01 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
马梓涵，王强
（中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300074）
伴随城乡污水排放标准愈发严格，越来越多的水处理构筑物因工艺设计规模限制，已无法满足现有水处理要求。为有效利用已有水处理构筑物，减少重建带来的浪费，针对水处理构筑物的技术改造工程被广泛实施[1]。此类技术改造工程旨在通过对现状水处理构筑物采取开洞、加高及增加隔墙等措施，以满足改造后工艺设计要求。其中，在水池池壁不同位置设置洞口以满足水处理单元工艺设计要求最为常见。结构专业须在相应位置，根据开洞尺寸、形状及位置制订不同的加固方案，以求满足池壁强度要求的同时对原池壁产生较小影响。本文结合的工程实例，研究不同类型池壁开洞加固设计方案。
本文以天津某厂内现状RH 循环供水提升泵池作为案例进行研究。该泵池改造后将作为中间泵站将厂区废水加压提升至新建调蓄池，改造内容主要包括：（1）对现状内部隔墙做底部增设过水洞；
（2）对现状池壁增设DN800 mm 工艺管道。
现有泵池（见图1）分为水池及泵坑两部分，单个内径为27.7 m×5.75 m，水池净高5.8 m，原状池壁厚350 mm，底板厚700 mm；
水池底板顶标高为-2.00 m，工艺最高液位为0.1 m，室外地坪标高2.670 m，设计抗浮水位按室外地坪标高考虑。本改造工程未增加任何荷载，经复核，改造后水池满足承载力要求。
图1 天津某厂内现状RH循环供水提升泵池
水土侧向压力下，池壁根部及跨中会处产生控制弯矩，池壁洞口周边对应产生应力集中。洞口处若无相应的加固措施满足承载力要求，会因承载力或耐久性不满足要求而产生相应破坏。
规范[2]中6.4 节规定，钢筋混凝土构筑物开孔处应采取加强措施：（1）当开孔的净距介于300～1 000 mm 时，孔口的每侧沿受力钢筋方向应配置不小于开孔切断的受力钢筋截面积的75%加强钢筋，对矩形洞口四周加设斜筋；
对圆形洞口加设环筋；
（2）当开孔的净距大于1 000 mm 时，对孔口四周加设肋梁；
（3）当开孔直径或宽度大于构筑物壁、板计算跨度的1/4时，宜对孔口设置边梁。就水池改造工程而言，现状池壁已经浇筑成型，通常没有条件按上述要求设置附加钢筋并满足锚固长度要求。
另外，传统计算池壁洞口处内力是将池壁按照双向/ 单向板取手册[4]系数进行计算，再对洞口截断钢筋面积以附加钢筋的形式进行补强。但按照此方法计算的内力往往较大，计算所需附加钢筋面积较大，加固洞口时将剔除更多池壁部分，对原有结构造成不必要的破坏。
本着尽量减少对于原结构构件的破坏与影响，并使构件受力明确合理的原则[3]。本文利用Midas 有限元模型对开洞处受力情况进行分析，制订有针对性的洞口加固方案。
3.1 Mi das 有限元分析软件
本工程采用Midas Gen 有限元软件进行拟改造水池模型计算，通过有限元模型计算，能够更好地考虑池壁间弯矩分配等效应，对池壁开洞处应力集中、应力重分配所产生的弯矩予以准确计算，实际工程中结合有限元分析结果，对洞口加固设计做出更合理的方案。
3.2 拟改造水池有限元模型
拟改造计算模型采用薄板单元与梁单元进行建模计算，有限元网格划分最大单位长度为0.5 m，顶板、池壁及底板有限元单元网格划分选用四边形，圆形洞口部分考虑到计算准确性与圆形洞口传力途径，网格划分时选取三角形及四边形单元放射状环洞口布置（见图2）。
图2 拟改造水池有限元模型
板单元厚度根据现状水池设计数据确定，分别为150 mm（顶板）、400 mm/500 mm（池壁）及700 mm（底板）；
根据原水池布置梁系，梁采用线单元模拟，截面为宽250 mm×高500 mm。拟改造水池模型边界条件选取面弹性支承，角点处限制水平方向位移，弹簧刚度选取10 000 kN/m3。水池池壁及底板分满水试验/空池检修两种工况进行计算，其中内水重度取10.5 kN/m3，地下水位土的有效重度取10 kN/m3，地下水重度取10 kN/m3。
3.3 有限元模型内力分析
利用Midas Gen 有限元软件，考虑水池结构整体刚度的影响，对上小节所建立模型进行有限元计算分析。图3 为满水试验工况下，DN400 mm 拟开洞处池壁水平向、竖向内力值。此池壁为拟改造水池内池壁，内力弯矩值仅受池壁内侧水压力控制。拟开洞中心标高为-0.030 m，最高水位为-0.100 m。从有限元分析结果可见，拟改造DN400 mm 洞口周边水平向/ 竖向弯矩值仅为1～3 kN·m。因此，在此工艺改造条件下，洞口处所受弯矩值很小，对池壁强度及裂缝影响可忽略不计。
图3 满水试验工况下内水压力作用下DN400 mm洞口内力（单位：kN·m/m）
对于DN800 mm 拟开洞口池壁，洞口中心标高为-1.200 m，工艺最高水位-0.100 m。在满水试验工况下，由图4 可见，工艺水位较低，拟开洞口周边池壁水平弯矩最大值为10 kN·m；
竖向弯矩最大值近似为20 kN·m。
图4 满水试验工况下内水压力作用下DN800 mm洞口弯矩（单位：kN·m）
空池检修工况下，拟改造水池池体埋深较深（约5.050 m），受到外部水土侧向压力影响较大。池壁外侧在外部水土及堆积荷载侧向作用产生的压力下，水平向及竖向池壁弯矩值如图5 所示，最大值约为100 kN·m。在外部水土压力作用下，因应力集中及洞口处应力重分配，洞口周围所受弯矩值较大，需采取有效的加固措施对洞口进行处理。
图5 空池检修工况下外土压力作用下DN800 mm洞口弯矩（单位：kN·m/m）
根据上述拟改造水池有限元计算结果，不难发现，利用有限元软件对拟改造水池进行整体计算，可以使设计者更精准地掌握不同工艺改造条件下的拟改造池壁洞口处的实际内力大小。利用此结果，可优化传统加固方案，同时可使加固方案对于池壁的影响降到最低。
本文中所研究拟改造水池共涉及3 种不同类型开洞（内池壁方形过水洞、多洞口并排布置及池壁较深处开洞）。本小节结合有限元分析结果就3 种不同类型开洞的加固设计措施加以讨论研究。
4.1 位于内部池壁的方形过水洞
此类型改造洞口为两个内池壁底部过水方形洞，该池壁两侧工艺改造水位相同，池壁两侧水压力平衡，无内力产生。此类构件仅需简单剔除，切断后的混凝土表面做凿毛处理后，做素水泥浆（内掺建筑胶）一道，并抹聚合物水泥砂浆面层。
4.2 多洞口并排布置
图1 中，拟改造DN400 mm 池壁开洞共3 处，距离较近，洞口净距仅1 500 mm。如按照传统加固方案设置环梁，需开凿直径远大于400 mm 的洞口，施工过程易对洞口间薄弱部位造成破坏，影响整个池壁。根据上一节中有限元分析计算结果（见图3），该处拟改造洞口在内水压力作用下，洞口周围内力可忽略不计。因此，本侧改造措施主要以防漏封堵为主。具体方案如图6 所示，池壁处开凿直径500 mm 洞口，对洞口混凝土表面做凿毛处理，加做素水泥浆（内掺建筑胶）一道，并抹聚合物水泥砂浆面层后，穿入DN400 mm 钢管。钢管与池壁开孔表面按照02S404《防水套管》图集密封防水做法（打石棉水泥后，封嵌密封膏）做防水处理。
4.3 较深处池壁开洞
拟改造水池中，改造DN800 mm 洞口位于水池较深位置，虽水池内部工艺最高水位较低，但水池埋深较深，池壁内力主要受外部水土作用影响。拟改造水池有限元计算结果（见图4和图5）显示，此处洞口周边应力集中较明显，弯矩较大。本工程中拟采用环梁（见图7），根据有限元模型分析结果计算环梁所需配筋面积，从而对此处拟改造洞口进行开凿加固设计。
图7 DN800 池壁开洞处加固做法（单位：mm）
值得一提的是，传统双向板池壁内力将近似取为池壁底部弯矩，弯矩取值较大，计算配筋面积（所用钢筋）及环梁截面大小均会偏大。而有限元模型分析结果，能给出洞口处较为精确的内力值，可以对环梁加固方案进行配筋优化。既能保证结构构件安全，又能节省改造成本。
本文针对实际工程实例，对拟改造水池不同类型洞口加固措施加以研究。通过Midas Gen 有限元软件分析计算，得出较精确的洞口处内力值。根据不同位置分析结果，提出相对应的设计加固方案。在满足结构安全性要求的情况下，做出更为优化的加固设计方案。
针对本文研究内容，得出以下结论，供今后水池构筑物技术改造工程洞口加固设计参考。
1）水池技术改造工程中，构筑物水池开洞应尽量选择圆形洞口，减少应力集中影响，同时对开凿洞口所在池壁影响较小。
2）水池技术改造工程中，构筑物水池开洞应尽量避免洞口设置过密。洞口间净距过小，在开凿洞口过程中将形成薄弱部位，易对池壁造成破坏。
3）水池构筑物改造开凿洞口，如洞口所在池壁在外侧压力作用下，由应力集中产生的洞口处内力值可忽略时，加固设计可考虑取消环梁，仅设置防漏防水措施，减小开凿洞口尺寸。
4）利用有限元分析软件对拟改造池壁开洞水池进行整体建模计算，可精准算出洞口处由应力集中产生的内力，从而优化洞口环梁设计，减少钢筋用量，降低改造成本。
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