20000 m3無溫度伸縮縫預應力矩形清水池結構設計與施工
1.前言
目前，由于我國混凝土工程中的鋼筋銹蝕和混凝土腐蝕嚴重，混凝土工程的耐久性設計對當前我國正在進行的大規模工程建設具有的重要戰略意義和相當的緊迫性，如果再不積極采取相應對策并盡快落實具體措施，那么我們每年投入土建工程建設的龐大資金將會蒙受重大損失，資源也將遭受極大浪費，建成后的工程難以發揮長期效益，而使用過程中的頻繁修補乃至事故又必將給今后的生活和生產活動帶來無休止的干擾。
我國《給水排水工程構筑物結構設計規范》GB 50069-2002 規定矩形現澆鋼筋混凝土清水池，當長度、寬度較大時，宜設置適應溫度變化作用的伸縮縫。伸縮縫間距一般為15m 到30m左右。構筑物的伸縮縫或沉降縫應做成貫通式，即在同一剖面上連同基礎或底板斷開。這種縫的構造相對復雜，施工難度較大，設計及施工均需十分仔細，否則就容易造成縫的滲漏。主要表現在：
1.1 整體性差。
1.2 抗震性能差。在地震力作用下分縫處很容易損壞（互相碰撞）。日本大地震調查后，先進的國家都取消了伸縮縫設計而代之為整體結構設計。
1.3 橡膠止水帶處容易漏水（據調查很普遍），因為該處節點復雜不易澆注密實。對于大面積結構，若底板漏水，水不易排走，會造成地基沉陷，導致底板變形，破壞。而底板修復很困難。
1.4 橡膠止水帶有老化問題。
1.5 因用橡膠止水帶接縫，漏水問題的處理將直接帶來生產管理的麻煩。底板漏水不易察覺，直到底板發生破壞，漏水量劇增，才會被發現。
2、工程概況
大連某水廠設計規模為 20 萬噸/日，清水池容積為 20,000 M3。場地坐落在基巖上，且為全風化、強風化凝灰質砂礫巖。
3、大型清水池結構不設縫的處理方法
為了避免進行分縫設計。因此，現在有些工程技術人員也在積極探索新的途徑以無溫度伸縮縫設計取代分縫設計。
主要方法有：3.1 設置混凝土后澆帶或加強帶，3.2 使用混凝土膨脹劑，3.3預應力技術
3.1、 當池體長度超過國家規范規定的要求時，采取不設溫度伸縮縫，而設置1～2m寬的后澆帶或加強帶的做法。后澆帶砼待其兩側混凝土澆筑完畢后2個月左右再進行澆注。而加強帶處鋼筋和混凝土膨脹劑摻量都要適當增加。
無論后澆帶和加強帶都只能解決施工期間混凝土的收縮問題，并不能解決季節溫差（濕差）所產生的溫度應力問題。雖然有些超長水池沒有出現豎向裂縫，那是因為池底板為平面，或地基對水池的摩擦力較小，或池體水平配筋較大，而并不是后澆帶，加強帶或外加劑起了主要作用。目前，有很多靠摻外加劑解決池體超長的水池或構筑物出現不同程度的豎向裂縫，有些已很嚴重。豎向裂縫每10米左右一道，縫表面出現黑色的青苔。
3.2、 摻加混凝土膨脹劑的目的就是在混凝土中產生膨脹應力。其產生的膨脹應力值是有限的，也就是說超過一定的界限就起不到應有的作用。而且，若從工程耐久性方面考慮，水池結構不宜使用含有鈣礬石類的膨脹劑。因為有些膨脹劑中存在延遲鈣礬石生成現象，所謂延遲膨脹就是當混凝土硬化一段時間以后，混凝土中的鈣礬石再開始膨脹，即混凝土中的鈣礬石與混凝土本身的硬化不同步，因此我們對于延遲鈣礬石生成的潛在危險性應有充分的認識。詳見文章：清華大學教授，閻培渝，彭江，陳廣智關于“大體積補償收縮混凝土中的延遲鈣礬石生成現象”一文，《混凝土》雜志，2002年第1期。
3.3、用有粘結或無粘結預應力鋼絞線來解決溫度應力問題。當池體長度和寬度都較長時，不設溫度伸縮縫，而在池壁、底板水平方向均施加預應力來解決溫度應力問題。這是從根本上解決水池裂縫問題的方法。而且，混凝土被施加預應力以后，混凝土本身受壓，水池抗滲性、耐久性將大大提高。
4、關于池體造價與結構耐久性
以長春某污水處理廠的曝氣池為例，考慮到東北地區的寒冷條件，原來傳統曝氣池為4個獨立的池子。4 x 25m=100m。而在長方向（100m）每25m 設一道溫度伸縮縫。池壁厚度為700mm。底板厚度為850mm。 而采用預應力水池后，池壁厚度為400mm，底板厚度為160mm, 抗浮用碎石進行配重。這樣，該曝氣池實際上共節約鋼筋340噸，混凝土2500 m3, 但多用了140噸鋼絞線。因此，該曝氣池共節省：
1.48 × (340 × 2800 + 2500 × 600 - 140×10000 ) = 1556960 元，約為 156 萬元。
因此，用有粘結或無粘結預應力技術來解決水池溫度應力是從根本上解決水池裂縫問題的最好方法。以前，有一種觀點，認為預應力水池造價較高，我分析其主要原因是設計方法的落后，即施加到池壁上的預應力很有限（或者說，所施加的預應力不起什么太大的作用），設計者只能靠增加非預應力鋼筋來平衡外荷載。這就造成國內很多預應力工程的設計，采用雙保險的設計方法進行結構設計（即非預應力鋼筋幾乎能承受全部外荷載，預應力筋幾乎也能承受全部外荷載）。
另外，為了更好地發揮國家投資長期效益（我們國家并不富裕，大部分投資都是來自世界銀行、亞洲開發銀行等貸款），我們應充分考慮水池類結構的耐久性設計。以鋼筋混凝土結構為主的基礎設施耐久性問題，是當今世界的大問題。在結構耐久性方面，一些國家吃了大虧，引起政府部門的注意與重視。一些國家率先采取技術對策和進行行政干預，我國也及時發布了國務院第279號令。國內外這些做法，具有長遠的戰略意義。
目前，有粘結或無粘結預應力技術在我國污水處理廠中的初沉池、二沉池結構設計中已得到廣泛地應用。而對于矩形水池，國內應用預應力技術進行設計的則不是很多。
5、傳統水池與預應力清水池滲水量標準的比較
5.1 我國規范規定水池允許滲漏量為：2L/m2d。
舉例說明如下：如一個10,000m3清水池，根據我國規范的規定，每年允許滲漏量為2409 m3。
5.2 美國規范規定的水池允許滲漏量為：
標準A（預應力水池）：一個10,000 m3清水池每年允許滲漏量為456.25m3。
標準B：一個10,000 m3清水池每年允許滲漏量為912.5m3。
標準C：一個10,000 m3清水池每年允許滲漏量為1825m3。
可以看出，預應力清水池允許滲漏量要遠遠低于我國傳統水池的滲漏量（約為19%）。因此，預應力水池不僅滲漏小，耐久性好，而且也可以大量節約水資源。
6、無溫度伸縮縫預應力清水池設計
大連某供水工程清水池平面尺寸為55×65m，深6.3m。為解決溫度應力問題按目前規范，原設計將被分為6塊，每塊之間用30mm寬伸縮縫完全隔離開來。
為了克服傳統水池的缺點，在清水池設計中我們與美國JHCE結構設計公司合作采用了無粘結預應力技術，取消了6個塊體結構，20,000 M3清水池設計為一個整體結構，沒有任何伸縮縫。另外，我們將矩形清水池四角設計成圓角。這樣既考慮了矩形水池占地少、布置靈活的優點，又考慮了圓形水池受力好的優點。盡量使我們設計的清水池趨于完美。
該清水池使用材料均為國產。混凝土為C35，P8。鋼筋為HPB235級及HRB335級，1860Mpa低松弛鋼絞線。錨具使用北京建研院B&S I類錨具。清水池柱網尺寸為6.3m, 頂板厚度為200 mm, 每個柱間鋼絞線數量為20束 （15.24 mm）。 根據《無粘結預應力混凝土結構技術規程》 JGJ/T 92-93的規定，頂板鋼絞線在一個方向集中布置，而在另一個方向分散布置。
底板在兩個方向上被施加預應力，底板厚度為160mm， 為保證底板有效預應力的施加，我們在底板與墊層之間設置了3層0.3mm厚的塑料板滑動層。池壁水平方向及豎向均施加預應力，池壁厚度為300mm。 混凝土裂縫控制在0~0.1mm之間。（我國傳統水池一般控制在0.2mm左右，雖然也可控制在0.1mm，但其用鋼量將成倍增加。因此，采用預應力無縫整體水池設計，建造出來的水池結構耐久性更強）。
方 案 比 較 表
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經過工程經濟比較及技術分析我們可以得出下列結論：采用后張預應力技術進行清水池結構設計，預應力整體水池比傳統分縫水池節約造價為22.2%左右。
7、清水池施工
水池混凝土施工是由大連市金州第二建筑公司來完成的，預應力施工是由鞍山市北方預應力公司來完成的。在施工以前，設計單位給施工單位做了詳細的技術交底工作，使施工技術人員明白設計者的意圖，以確保水池的施工質量。在具體施工中，施工單位主要應從以下幾個方面著手：混凝土配合比，混凝土外加劑，混凝土底板、池壁連續澆注，混凝土振搗，養護，無粘結預應力鋼絞線、錨具、塑料板等關鍵材料的選購、布筋方式，以及預應力張拉控制等等。大連市20,000M3清水池于2002年完成土建施工，其中清水池底板澆注用時為24小時，池壁澆注用時為18小時，池頂板用時26小時。并于2002年冬季通過了試水驗收，達到了美國A級標準，目前，該水池運行良好。
8、結語
無縫預應力水池的整體性、抗震性、耐久性等比傳統分縫水池有很多優點。采用預應力技術可以從根本上解決水池滲漏問題，徹底解決分縫設計給水池管理帶來的麻煩。根據國家十五規劃2010年污水處理率達60%以上的標準，建設投資為4500億元，若采用整體設計、施工技術，可節約土建建設資金200億元左右。更主要的是無縫水池結構的質量更好，耐久性更強。可以確信，隨著我國企業改革的深入、私有化進程的加快以及人們對結構耐久性認識的深入，預應力無縫水池結構設計施工技術會給我國的工程建設做出更大的貢獻。
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