徐強 萬玉生
（中國市政工程華北設計研究院）

　　摘　要：本文根據某污水處理廠工程中的卵形消化池的工程實踐，簡要介紹了卵形消化池設計與施工過程。
　　關鍵詞：無粘結預應力 卵形消化池

1　概況

　　隨著國家逐步重視環境保護工作和對污水處理工程的投入力度加大，污泥消化池作為部分污水處理工藝中的必不可少的構筑物隨之出現大型化。卵形消化池適合于建立大容量（10000m³以上）的消化池，為了適應設計市場的這種形勢，提高我院的設計競爭能力，設計卵形消化池是非常必要的。
　　在我院承擔設計的杭州四堡污水處理二期擴建工程中，擬建立三座單池容量為10700m³的卵形消化池。另外，在我院承擔設計的濟寧污水處理廠工程中，擬建立單池容量為12000m³的卵形消化池，因而設計卵形消化池也是工程的需要。
　　在市政給水排水工程設計中，污泥消化池在國內以往多采用柱形消化池，我院設計的某污水處理廠單池容量為6000m³柱形消化池，地面以上高度為25m，池體5／6位于地面以上，如圖1所示。

　　與圖1所示柱形消化池相比較，卵形消化池污泥攪拌沒有死角，保溫效果較好，池體受力性能較好，適合于建立大容量（10000 m³以上）的消化池（見表1），因而杭州市四堡污水處理廠擴建工程中采用三個單池容量107000 m³的卵形消化池。
　　該卵形消化池地面以上高度為31m，地面以下高度位13.6m，采用鉆孔灌注樁樁基基礎，平均樁長45m。正常運行時池內最大水頭高度為42m，池內氣壓為0.5KN／m²，池內溫度保持在35℃左右，池內氣體對鋼筋混凝土結構具有強腐蝕性，池內污泥具有弱腐蝕性。采用雙向無粘結預應力體系，其壁上不設扶壁柱，如圖2所示，池體的剖面圖如圖3所示。

表1 卵形消化池與柱形消化池對比表

序號

內容

柱形消化池

卵形消化池

1

外表

柱形，有環梁突出。

平滑過渡，較美觀。

2

容積

適合建造10000 m³以下

可以達15000 m³及以上

3

內池壁

池內壁有死角

池內壁平滑，沒有死角

4

保溫

表面積較大，耗費較多的保溫材料，保溫效果差。

表面積相對較小，保溫材料耗費少，保溫效果好，更能滿足工藝要求。

5

占地面積

較大

較小

6

預應力體系

環向采用預應力

采用環向、豎向雙向預應力體系

7

工程造價

較大

建造12000 m³以上的池體較柱形的要節省

　　

2　設計回顧

2.1設計要解決的主要問題
　　卵形消化池在國外早已普及，由于其在工藝、結構上的優點，國內早在九十年代初即有設計卵形消化池的設想，但至今建成的為數極少，可借鑒的經驗不多，在我院設計尚屬首次。卵形消化池的結構設計工作遇到的新問題很多，存在的主要問題歸結為以下四點：
　　（1）無卵形池的力學計算模型及力學分析程序；
　　（2）沒有進行卵形池的內力分析；
　　（3）未進行卵形池的預應力工程設計；
　　（4）無卵形池的結構構造方法。
2.2 實施一：針對卵形池的力學計算模型及力學分析程序
　　主要經歷以下步驟：
　　（1）收集資料；
　　（2）計算機程序的選擇；
　　（3）程序的試算；
　　（4）計算模型建立。

　　我們建立起的卵形消化池的力學計算模型，把高達45 m的卵形消化池分為上部殼體部分和下部塊體部分，單元總數約8000個。程序計算誤差在10%以內，結果令人滿意，圖4為所建立空間整體計算模型。
2.3 實施二：針對沒有進行卵形池內力分析
　　（1）單一荷載工況下的應力和內力分析計算（關鍵步驟）。
　　卵形消化池的單一荷載工況細分起來有12種之多，每一種荷載工況分析整理成右圖所示的結果，作為下一道計算的依據，每一個結果所需要處理的數據個數大約為40000個。數據處理完全依靠自行開發的專業程序完成。
　　（2）應力內力組合圖
　　本工程的結構內力計算根據有關的國家規范進行，內力分析必須考慮施工階段、正常使用階段、閉水閉氣實驗階段的各種可能出現的荷載，需要考慮的荷載組合情況分列如下：
　　（1）自重
　　（2）自重＋預應力施工狀態
　　（3）自重＋預應力＋試水壓力
　　（4）自重＋預應力＋試水壓力＋氣壓力
　　（5）自重＋預應力＋試水壓力＋氣壓力＋溫度作用
　　（6）自重＋預應力＋試水壓力＋氣壓力＋溫度作用＋風壓力
　　（7）自重＋預應力＋試水壓力＋氣壓力＋溫度作用＋風壓力＋地震作用
　　（8）施工狀態模擬分析
　　其中氣壓力包括試驗氣壓以及可能產生的負氣壓；溫度作用包括季節溫差作用及壁面溫差作用以及它們在夏季、冬季對池體的不同影響；施工狀態模擬分析應考慮池體分段施工非預應力混凝土以及分批施加預應力施工階段的模擬分析。
　　卵形消化池的內力組合細分起來有16種之多，每一種內力組合分析整理成右圖所示的結果，每一個結果所需要處理的數據個數大約為10000個。數據處理完全依靠自行開發的專業程序完成。手工計算無法完成（如圖5所示）。
2.4 實施三：針對卵形池的預應力工程設計
　　卵形消化池的預應力工程設計對整個工程造價及結構安全度產生極大影響：
　　（1）建造卵形消化池，使池壁表面平滑過渡，既方便施工、外表美觀，又可讓設計建立的模型更加簡單。為此，我們運用無粘結預應力技術，選用扁錨體系（圖6上部）及群錨體系（圖6下部），采用變角張拉技術。
　　（2）采用變角張拉技術（如圖7所示）。
　　（3）配置了雙向預應力鋼筋。

　　　　

2.5 實施四：針對卵形池的結構構造方法
　　卵形消化池的結構構造方法的特殊方面主要有以下幾點：
　　（1）卵形池的上部殼體部分最大水壓達260 kN／m²（在污水處理構筑物中最大），池壁上必須開設洞口。簡單依靠混凝土的抗滲很難達到閉水、閉氣實驗以及有關規范對于滲漏范圍、滲漏點數要求，因此消化池的防腐涂層必須有防水功能。我們在總結各方面經驗的基礎上提出幾條設計及施工特殊要求，普通的做法難以達到其閉水閉氣要求。
　　（2）卵形消化池樁基承臺處于三向受力狀態，因而三個方向都應配置網狀非預應力鋼筋（如圖8所示）。

3　施工簡介

3.1　模板工程
　　卵形消化池池體為雙曲面，雙曲面定型模板的一次性攤銷費用大。在國外，卵形消化池的設計與施工已經有專業化的公司完成，有專門的模板及其支護系統、提升系統，整套模板系統的價格相對較高。在本工程的施工中，中國建筑第八工程局采用了自行開發并已經成功使用的簡易模板系統（如圖9所示），在精度盡量滿足工藝、結構設計與施工要求的情況下，較國外的專業模板系統節省了投資。其缺陷是近似模仿卵形消化池的雙曲面特征，對池體的受力性能有一些不良影，影響程度可以根據其模板尺寸作定量分析。

3.2　預應力工程
　　國內已建成的卵形消化池為數不多，設計及施工經驗相對較少，根據卵形消化池的受力特征我們采用雙向無粘結預應力體系。基于卵形消化池的外形特征，只能采用有粘結預應力方案及無粘結預應力方案。經過初步計算，采用無粘結預應力方案較采用有粘結預應力方案節省預應力鋼筋1／5左右。
　　根據卵形消化池的受力特征，在施工現場作了卵形消化池工程預應力張拉試驗多項測試工作（如圖10所示）。
3.3　閉水閉氣試驗

　　　

　　該項目于99年6月份完成池體的閉水閉氣試驗工作，均達到國標標準（如圖11所示）。

4　設計優化

　　（1）樁基：濟寧污水處理廠工程及漳州污水處理廠工程中的卵形消化池采用多分枝支盤樁，較灌注樁節省樁基工程造價1／3左右（如圖12所示）。
　　（2）錨具：濟寧污水處理廠工程及漳州污水處理廠工程中的卵形消化池采用游動錨具體系（如圖13所示），使得池體的受力更趨合理。

　　　　　

5　存在的問題及下一步打算

　　（1）杭州市四堡污水處理廠擴建工程中采用的卵形消化池至今運行良好，我們將在總結其設計及施工經驗的基礎上，逐步在其它的卵形消化池工程中進行設計優化，特別是要對池體的細部構造作進一步優化（如圖14所示）。
　　（2）在結構內力分析方面，國外專業公司在計算時甚至考慮日照方向不同引起的溫度差別對池體的影響，并且對不同曲率的卵形消化池結構形式受力進行分析比較以獲得最經濟的方案，我們將通過努力，逐步縮小結構內力分析方面與他們的差距（如圖15所示）。

　　

（3）卵形消化池池體受力性能較好，理論上可以較柱形消化池降低單位池容的工程造價，國外專業公司在這方面的經濟技術比較發現確實如此，我們也將通過進一步分析計算，采取更好的卵形預應力結構方案，使得卵形消化池不僅具有外形美觀的優點（如圖16所示），更具有經濟技術上的優勢。

圖16 卵形消化池更具有經濟技術上的優勢