某平流沉淀池變形問題長期病害分析與處理

王勇

中國市政工程中南設計研究總院有限公司 武漢430010

引言

折板絮凝及平流沉淀池是凈水廠中常見的水處理構筑物。其中的平流沉淀池一般為平面尺寸較大的矩形敞口水池，池頂運行刮泥機。當地基條件較好時，一般可將其側壁做成擋水墻型式，其結構型式簡單，技術成熟，應用廣泛。在平流沉淀池的使用過程中，刮泥機的卡軌或脫軌現象是較為常見的問題。但其背后的原因可能不盡相同，有些只是設備或安裝方面的問題，解決之后即不再困擾；而有的可能存在于構筑物結構方面或者地基方面，在未找到根本原因或者未完全處理到位的情況下，問題可能會持續困擾。

本文中的工程案例刮泥機脫軌問題長期得不到根治，排除設備及安裝方面的問題后，將原因鎖定在結構與地基的范疇，通過計算分析，找到有針對性的處理措施。

1 工程概況

1.1 結構概況

某凈水廠工程（工程規模10 萬m3／d）中的折板絮凝及平流沉淀池共兩座，為現澆鋼筋混凝土結構。單座折板絮凝及平流沉淀池平面總長寬尺寸約94m ×17.7m，其中折板絮凝池部位長約19m，剩余約75m長為平流沉淀池。平流沉淀池部位凈寬17.1m，凈深4m，側壁厚0.3m，正常使用時池內水深3.7m。平流沉淀池側壁及底板采用擋水墻型式，即底板邊緣一定寬度與側壁板形成懸臂式擋水墻，底板中央區域則為構造底板。擋水墻部位底板厚0.4m、寬2.6m，其余中央區域構造底板厚0.3m。

折板絮凝及平流沉淀池長度方向為南北向，折板絮凝池位于南端，平流沉淀池在其北側。平流沉淀池兩側壁板頂部設有縱向鋼軌，供池頂的刮泥機沿池體縱向行走作業。兩座池之間有一條中間排泥渠，兩座池外側還各有一條排泥渠。

由于折板絮凝及平流沉淀池池體長度超長，按相關規范沿池體縱向每隔約25m設置了橫向變形縫將池底板及壁板整體斷開［1］，每池共三道橫向變形縫將池體分為了4 段。為方便表述，以下將兩座平流沉淀池分別稱為“西側池”和“東側池”，將兩池各自與中間排泥渠相鄰的縱向側壁板稱為內側壁板，遠離中間排泥渠的縱向側壁板稱為外側壁板；將兩座池的三道變形縫按水流方向（自南向北，從折板絮凝池到平流沉淀池再到末端）為序依次稱為第一道、第二道、第三道變形縫。折板絮凝及平流沉淀池三維立體模型如圖1 所示，平流沉淀池橫斷面如圖2 所示，平流沉淀池側壁及底板形成的懸臂式擋水墻斷面如圖3 所示。

圖1 折板絮凝及平流沉淀池三維示意（單位：m）Fig.1 Vertical view of folded plate flocculation and horizontal flow sedimentation tank（unit：m）

1.2 地基概況

折板絮凝及平流沉淀池的平面和立面布置都較為規則，荷載分布較為均勻而且對地基的附加壓力并不大，使用階段的基底壓力值為50kPa～75kPa。

《巖土工程勘察報告》所揭露的土層自上而下大致分布情況：第①層粉質黏土層，地基承載力特征值fak＝120kPa，壓縮模量ES＝7MPa，層厚約2m；第②層粉質黏土層，地基承載力特征值fak＝80kPa，壓縮模量ES＝4.5MPa，層厚約16m；再往下依次為壓縮模量ES＝9MPa、厚度約3m的粉質黏土層，壓縮模量ES＝6MPa、厚度約12m的粉質黏土層以及卵石層和強風化砂巖。

原場地地勢平坦且自然地面與廠區設計地面高程相差不大，地質剖面圖反映各土層厚度變化不大，土層分界線較為平坦。整體來說，場地和地基情況較為簡單［2，3］。

根據此地質條件，結合折板絮凝及平流沉淀池的結構形式和荷載分布情況，設計時采用天然地基作為基礎持力層，原地面清表后高程不足時采取回填級配砂石處理。

2 工程問題表現

2.1 問題初顯及臨時措施

本構筑物于2013 年8 月初建成后開始通水。通水后不久（約半月），便發現西側池內側壁板頂部在第二道變形縫附近區段開始發生較大水平位移變形，初始水平位移值為20mm～30mm。此后此處壁板頂部水平位移變形持續發展，到當年9月底便達到60mm～65mm，且變形縫兩旁壁板頂部水平位移變形存在差異而呈現出水平錯動，如圖4 所示。當年12 月下旬將池放空，數日之后，觀測到壁板頂部水平位移稍有回彈，但并未完全恢復。

當時，施工方等認為是地基方面的問題，遂對此處壁板變形較大部位對應的底板下方地基進行注漿加固。注入水泥漿20 多噸之后，壁板頂部水平位移又恢復約20mm，變形縫兩旁壁板頂部水平錯動仍然存在。施工方自行用鋼板及對拉螺栓在變形縫處將兩旁壁板夾緊以消除錯動。東側池外側壁板壁板頂部在第二道變形縫附近區段也存在類似問題，但水平位移變形稍小約17mm左右，但存在繼續發展趨勢。施工方也采取了與西側池內側壁板頂部在第二道變形縫處相同的做法，采用鋼板在變形縫處將兩旁壁板夾緊以消除錯動。

2.2 長期病害表現

此后數年，平流沉淀池在使用過程中持續出現各種影響正常使用的問題。問題主要表現在如下幾個方面：變形縫滲漏，側壁板變形位移明顯且長期不能穩定，個別變形縫兩旁壁板錯動，刮泥機脫軌。其中，側壁板變形縫共12 處，陸續有6 處以上發生過較為明顯的滲漏問題。側壁板變形明顯且長期不能穩定的問題也較為普遍。除了前述兩處變形縫附近側壁板之外，后續有幾段側壁板陸續發生明顯變形且長期不能穩定，主要集中在第一道變形縫至第三道變形縫之間的西側池內側壁、東側池內側壁及東側池外側壁。幾處變形縫兩旁壁板錯動則主要因為兩段壁板位移變形不一致造成。

由于側壁板發生較大位移變形且數年一直未能達到穩定，導致池頂兩根縱向鋼軌間距持續緩慢增大，刮泥機每隔一段時間便發生脫軌現象，從而需要重新調整軌道位置。

2.3 運營監測及驗算

該凈水廠自2013 年8 月建成以來，由于服務片區供水一直緊張，水廠一直處于滿負荷運行狀態，折板絮凝池、平流沉淀池一直無暇放空檢修（變形縫發生滲漏問題時，會不停水對滲漏處進行防滲修補）。2017 年～2019 年期間，數次委托第三方對平流沉淀池進行變形監測。監測結果表現為壁板在監測期間沉降位移微小且穩定，壁板頂部水平位移變形（壁板傾斜）明顯且呈增大趨勢。

由于壁板頂部水平位移過大，推測壁板內側根部已有縱向貫通裂縫。2017 年11 月，曾將東側平流沉淀池短時間放空后，到池內查看情況。由于供水緊張，僅允許放空數小時，池壁內側表面未能沖洗干凈，肉眼未能發現池壁表面裂縫。

壁板位移變形過大，究其可能的根本原因無非在兩個方面：地基方面和池體結構自身方面。

按施工圖對擋水墻側壁板的承載能力及裂縫寬度進行驗算，均滿足規范要求［1，4］；將側壁板按底部嵌固的懸臂構件按鋼筋混凝土結構相關理論用結構力學的方法計算壁板頂部長期撓度（水平位移）［5，6］，結果不超過25mm。

3 變形分析

為找出平流沉淀池側壁板頂部朝池外水平位移變形是否因地基問題引起，取平流沉淀池東側池第二段（即第一道與第二道變形縫之間池體）或第三段作為分析對象，荷載僅池體自重及池內盛水壓力兩種。為方便分析，將池內盛水壓力再次細分為底板上均布水壓力（正常使用水深3.7m，即底板上均布水壓力為37kPa）與側壁板內側沿豎向呈三角形分布的水壓力（最大值37kPa）兩種，將池體自重、底板上均布水壓力、側壁板內側水壓力三者分別單獨計算分析。

3.1 側向水壓作用下變形

首先，分析池體在側壁板內側水壓力作用下的變形。利用結構設計有限元分析軟件midas Gen建模分析，將底板下邊界條件按只受壓的面彈性支承考慮。由于此情形下僅有對稱的水平荷載、無任何豎向荷載，故底板下彈性支承基床系數的具體取值對池體變形幾無影響，豎向位移變形僅看相對值即可。計算分析得：兩側壁板頂部均朝池外水平位移42mm，底板中心點處相對兩側壁根部朝上位移46mm，如圖5 所示。

圖5 池體在側壁板內側水壓力作用下變形橫斷面示意（單位：m）Fig.5 Cross sectional view of the deformation of the pool body under the action of water pressure on the inner side of the side wall panel（unit：m）

3.2 豎向水壓作用下沉降變形

第二步再分析池體在底板上均布水壓力作用下的沉降變形。由于midas Gen 不太方便真實反映地基的沉降變形形態（若邊界條件按底板下彈性支承考慮，底板沉降形態與土力學彈性半空間理論等明顯不符），因此未采用midas Gen對池體在底板上均布水壓力作用下的沉降變形進行分析，這也是為什么要將池體在幾種作用下分開單獨進行分析而未采用midas Gen 進行整體分析的原因。平流沉淀底板平面尺寸較大、厚度相對較薄，可視為柔性底板，其上作用均布面荷載，底板下土層層厚分布均勻，將底板下地基按《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007—2011）第5.3.5條的規定，以分層總和法計算底板下地基沉降變形［7-9］。計算時，考慮相鄰一段池體底板上豎向壓力荷載的影響，也即計算第二段池體底板鄰第三段池體底板的中點和角點沉降時，考慮第三段池體底板上豎向壓力荷載的影響（但暫時不考慮相鄰另一座平流沉淀池的影響，以便對比），如圖6 所示。

圖6 地基沉降變形計算點平面示意Fig.6 Plan of calculation points for foundation settlement and deformation

計算結果表明池體底板端邊中點處沉降量計算值為171mm，角點處沉降量計算值為106mm。即中點處相對角點處的相對沉降量為65mm。即底板沿橫向呈中間大、邊緣小的近似鍋底形趨勢沉降變形。在此沉降變形趨勢下，若池體側壁板根部與底板保持垂直夾角不變，則底板將帶動懸臂側壁板朝池內方向偏轉，即側壁板頂部朝池內產生水平位移。

上述地基沉降變形計算時，未考慮相鄰的西側池的影響。由于相鄰的西側池與作為分析對象的東側池之間凈距僅約4m，其影響實際上不可忽略。故將相鄰的西側池第二段及第三段正常使用時基底壓力作為相鄰堆載考慮后，再計算東側池第二段池體底板鄰第三段池體底板的中點和角點沉降，如圖7 所示。

圖7 考慮兩座池相互影響的地基沉降變形計算點平面示意Fig.7 Plan of calculation points for foundation settlement and deformation considering the interaction between two tanks

計算結果表明池體底板端邊中點處沉降量計算值為171mm ＋19mm ＝190mm，角點處沉降量計算值為106mm ＋61mm ＝167mm。即中點處相對角點處的相對沉降量為23mm。由此可見，考慮了相鄰另一座平流沉淀池的影響之后，雖然底板橫向中心點處與內側邊緣點處的沉降差有所減小，但底板沿橫向呈中間大、邊緣小的沉降變形形態并沒有改變。在此沉降變形趨勢下底板將帶動懸臂側壁板朝池內方向偏轉。也就是說，在底板上均布水壓力作用下，地基及底板的沉降變形將帶動側壁板頂部朝池內方向產生水平位移。換而言之，地基及底板的沉降變形并不促使、加劇壁板頂部朝外產生水平位移變形。

3.3 結構自重作用下變形

第三步分析在池體自重作用下的變形。此作用下池體的變形同底板上均布水壓力作用下的變形類似，主要表現為地基沉降，池體隨著地基沉降產生相應位移。池體自重還可以進一步再分成兩部分：底板自重與壁板自重。在底板自重均布荷載作用下，地基及底板沿橫向同樣會呈中間大、邊緣小的鍋底形趨勢沉降變形。但由于相對底板上均布水壓力而言，底板自重產生的均布荷載極小，地基及底板的沉降變形也較小。在壁板自重作用下，壁板下方地基沉降相對底板橫向中點處沉降略大，但相對于底板上均布水壓力而言，產生的地基沉降同樣較小。因此，池體自重作用下的沉降位移變形在兩種重力作用下引起的變形中占比較小，不影響最終池體變形的整體趨勢。

在側壁板內側水壓力作用下，壁板頂部水平位移為朝池外方向呈擴張趨勢；在底板上水壓力及池體自重作用下，地基產生不均勻沉降將引起側壁板頂部朝池內方向產生水平位移，將部分抵消內水壓力作用引起的壁板頂部朝池外方向的水平位移。因此，壁板頂部水平位移過大及水平位移過大導致的刮泥機脫軌等長期病害究其根本原因不在于地基沉降或地基不均勻沉降，而應在于側壁板自身結構方面。

3.4 實測驗證及分析

2019 年9 月，該水廠的二期擴建工程建成，隨即投入運行。此時，長期病害的一期平流沉淀池才得以放空檢修。此時委托專業檢測單位對底板面高程進行了測量并繪制了等高線，對池壁鋼筋的分布情況進行了探測，對混凝土質量進行了檢測。其中，底板沉降后底板面等高線如圖8 所示，明顯可見底板沉降變形后沿橫向、沿縱向均呈現出中央低、邊緣高的形態。

圖8 沉降后實測底板面等高線示意Fig.8 Measured Contour line plan of bottom plate surface after settlement

池壁鋼筋的分布經探測基本與施工圖相符。池體混凝土強度采用回彈法進行檢測并輔以抽芯法進行輔助對比，結論是混凝土強度能達到設計強度等級。但在幾段變形較嚴重的側壁板內側靠近根部位置，肉眼發現了長達數米乃至數十米的縱向裂縫，裂寬在壁板表面處為0.26mm～3.4mm。在裂寬較大處以鉛絲探裂縫深度，一般可達20mm，最深處近50mm。

由此，基本上可以認定為壁板頂部水平位移過大系壁板自身變形、根部裂縫造成。因壁板鋼筋并未缺漏，所抽檢的混凝土強度符合設計要求，而壁板結構自身的承載能力計算、裂縫寬度及撓度驗算均滿足規范要求，推測壁板靠近根部部位在混凝土澆筑及養護時可能留下了缺陷。

4 加固處理方案

首先對側壁板根部的縱向裂縫采用改性環氧樹脂進行修補。之后在平流沉淀池內底板上、側壁板內側均施工0.15m厚鋼筋混凝土疊合層［10］，典型的橫斷面如圖9 所示。

圖9 平流沉淀池疊合層加固橫斷面示意Fig.9 Cross section view of composite members for horizontal sedimentation tank

底板疊合層與壁板疊合層在原池體變形縫處斷開設變形縫并增設一道埋入式橡膠止水帶，保留了池體原變形縫的功能且加強了變形縫的止水防滲。

為保證疊合層與既有結構共同受力（主要發揮抗彎性能），除了將新舊混凝土接觸面打毛處理之外，還在既有底板、壁板與疊合層的接觸面上縱橫布置植入短鋼筋作為抗剪鍵。壁板內側疊合層的豎向鋼筋在下端植入既有底板深0.3m，此鋼筋根部的錨固問題是本工程加固的關鍵之處，因為它直接關系到壁板加固后的抗彎能力。為此，在壁板疊合層與底板疊合層相交轉角處設置了豎向腋角并設置了斜筋，如圖10 所示，讓斜筋兩端充分錨固在底板疊合層和壁板疊合層中，進一步增強壁板疊合層根部的抗拉能力及可靠性。

圖10 壁板疊合層根部做法詳圖Fig.10 Detailed drawing of the construction method for the root of the composite member of the wall panel

折板絮凝及平流沉淀池于2020 年第一季度完成加固施工并再次投入運行，截至2023 年7月已運行三年多，狀況良好。

5 結語

1.本工程中平流沉淀池側壁板頂部水平位移變形過大導致刮泥機不能正常運行，系壁板結構自身變形過大且長期不能穩定所導致，其具體因素可能是多方面的，而與地基問題基本無關。

2.鑒于本工程案例，平流沉淀池懸臂式側壁板的變形問題從設計及施工角度均應予以重視，可在如下方面考慮：（1）設計時應特別注意壁板的剛度問題；（2）在壁板根部設豎向腋角可改善壁板根部受力狀態；（3）安裝刮泥機軌道時可考慮將兩側壁頂部水平相對位移值預留（或部分預留）在軌距中；（4）可使用一段時間且變形基本穩定后再根據需要調整刮泥機軌距；（5）保證混凝土澆筑和養護質量。