全厂性大型事故应急池的合理化设计分析.pdf

36STONE2023No.8STONE建筑设计石材全厂性大型事故应急池的合理化设计分析王玉松，沈洋，吴芳（浙江省天正设计工程有限公司，浙江杭州3 10 0 0 5）1前言近年来，由于工业园区和生产企业缺乏完善的事故水拦蓄、导排系统和事故应急设施，导致多起重大的水土污染事件，对环境造成了严重的污染，社会影响巨大。事故应急池的提法最早是由于吉林石化污染事故引起的。2 0 0 5年11月13 日，中国石油吉林石化公司双苯厂苯胺二车间发生爆炸事故，导致含有大量苯、硝基苯等有毒有害物质的消防废水进人松花江，造成松花江水体严重污染。之后，国家安全生产监督管理总局、国家环境保护总局、中国石化集团、中国石油集团等陆续发布了多项防控措施和技术规范，明确了各重点污染行业的事故应急池建设要求。2设置事故应急池的必要性事故应急池是事故废水收集和应急储存设施的俗称，又称事故缓冲池或应急事故池，是为了在发生事故时，能有效的接纳装置排水、消防水等污染水，避免事故污染水进人外环境造成污染的污水收集设施。在实际事故处置过程中，通过事故应急池收集泄漏物料、消防冷却用水、泡沫及其它灭火剂、以及受污染的雨水和冲洗水等，可最大程度降低由事故引发次生水环境污染事件的发生概率，保障环境安全。因此，在新建、扩建、改建和技术改造的化工企业、危险废物处置单位、涉重金属企业、纺织染整、污水处理厂等环境风险建设项目中，应急事故处理系统的设计是十分必要的，甚至是强制执行的，在工程建设过程中必须严格落实。3事故应急设施的类型事故应急池作为事故水的临时储存设施，实际事故后应及时进行清运处理。平时（非应急）处于空池容状态，不能用做存放消防用水、雨水、其他废水等。由于在事故状态下，能源供应往往有问题，难以将事故水通过泵输人进事故池。因此，事故应急池应设置在地下，便于事故废水依靠重力流进人应急池事故应急池一般布置在全厂地势较低处，靠近厂内污水处理站或总雨水口的末端，周边应无敏感目标、人员密集区。事故应急设施的分类如图1所示，人工渠、人工河道建筑物地下事故应急措施事故水池理地水池有盖水池钢制、塑料、玻地上水池口水池璃、钢埋地水箱图1事故应急设施分类在实际工程项目中，人工渠、人工河道占地大且不易管理，较少被采用；受生产类别限制，事故水池与建筑物结合设置的难度也比较大；因此，工程中更多采用事故应急池独立设置。小容积的事故应急水池可采用钢制、塑料或玻璃钢材质的水箱埋地做法；大型事故应急池则采用钢筋混凝土有盖全埋形式，少数采用钢筋混凝土口形式。水池容量根据发生事故的设备容量、事故时消防用水量及可能进人事故应急池的降水量等因素综合确定。4事故应急池工程实例结构设计分析本工程由某化工生产企业投资建设，位于上虞经济开发区，主要生产产品为聚苯硫醚。根据环境评价和安全评价要求，需要设置容积不小于12 0 0 m的事故应急池。上游专业设计条件确定池体尺寸：2 0 m长，15m宽，4.5m深；抗浮设计水位为室外地坪；池内事故水腐蚀等级为弱；池体污染防治区类别为一般。4.1事故应急池的主要设计内容事故应急池在满足容积的前提下，应进行承载能力设计、抗浮稳定验算。同时根据行业特点不同、所在区域不同，需采取相应的防渗、防腐、防冻、以及防洪措施。由于事故应急池通常独立埋地建设，上部无建筑物，且平时为空池状态，因此正如抗震设计是地上建筑结构设计的核心一样，抗浮设计是事故应急37石材2023年8 期SHICAI建筑设计材池结构设计的核心问题，包括池体的整体抗浮和局部抗浮。4.2整体抗浮设计事故应急池的抗浮采用“压”和“拉”两种受力方式，运用较多的抗浮技术措施有以下几种：4.2.1以“压”为主的抗浮技术措施（1）增加板顶覆土。有盖全埋水池可尽量降低板顶标高，增大板顶覆土厚度来解决抗浮问题。此办法在解决整体抗浮问题的同时，可最大程度上解决局部抗浮问题。但受水池容积和最高水位限制，顶板标高往往不能降得太深，一般在地下0.6 m左右，很难满足抗浮要求。因此，在总体平面允许的条件下，可采用覆土高出室外地坪的做法，见图2。覆土与容重不小于16 kN/m3覆土顶标高室外地坪人人池顶标高底板标高图2 池顶敷土做法（2）底板外挑散口水池可将底板挑出池壁以外，在上面压土或块石以增大抗浮力（此方法同样适用有盖水池）。水池体量较小时此方法效果明显。当水池平面尺寸较大时，整体抗浮满足后需解决局部抗浮不足的问题（3）增加结构自重。增加结构自重分为两种，一种是增加顶板、底板和外墙的厚度，此做法简单粗暴，经济性较差，一般用在水池体量较小，抗浮能力相差不多的情况；二是增加内部隔墙，此做法在增加结构自重的同时，可加强整体刚度，对池壁受力和底板局部抗浮有帮助，见图3。覆土与容重不小于16 kN/m室外地坪池顶标高底板外挑底板标高图3 底板外挑做法4.2.2以“拉”为主的抗浮技术措施（1）抗拔锚杆。当底板下有坚硬土层（岩石）且深度不大时，设置锚杆也是一种较简便又经济的抗浮处理措施。即用“外力”将结构“拉住”。当岩层较深时，可采用扩大端锚杆或囊式锚杆，见图4。室外地坪ZKKZK池顶标高底板标高抗拔锚杆中风化岩图4抗拔锚杆做法（2）抗拔桩。当受地形和地质条件限制，上述方法无法满足整体抗浮时，可考虑抗拔桩方案。相比抗拔锚杆，抗拔桩受力原理相似，但经济性较差。我们在实际工程设计中，通常采用多种措施共同作用来满足整体抗浮设计，同时兼顾局部抗浮设计，达到结构构件的优化设计，见图5。室外地坪ZZZK池顶标高底板标高抗拔桩图5抗拔桩做法4.3局部抗浮设计给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程（CECS 13 8：2 0 0 2）中有如下规定：“当水池承受地下水（含上层滞水）浮力时，应进行抗浮稳定验算。验算时作用均取标准值，抵抗力只计算不包括池内盛水的永久作用和水池侧壁上的摩擦力，抗浮抗力38STONE2023 No.8STONE建筑设计石材系数不应小于1.0 5。水池内设有支承结构时，还须验算支承区域内局部抗浮。”通常水池内的支撑结构有柱和隔墙两种。由于隔墙平面内刚度非常大，竖向变形非常有限，可作为底板的不动支点，因此局部抗浮主要验算柱支撑区域内的抗浮能力。本工程首选池内设柱作为支撑结构的布置方案进行试算，如图6。外挑底板柱支撑区域成图日55m室外地坪池顶标高底板外挑底板标高图6 底板局部抗浮示意4.3.1浮力作用下柱支撑结构水池的变形模式当结构整体抗浮满足，且结构内全体竖向构件局部抗浮均满足的前提下，结构内每根柱子均可被相应从属面积内的重量压得住。那么结构底板可用图7 所示的简化变形模式一计算，结构内每根柱都可作为底板的一个支点。此时底板跨度为相邻柱距。相反，当水池平面尺寸较大且内部均为支撑柱时，结构整体抗浮依靠最外圈的竖向构件自重及挑土重量满足，结构在水浮力作用下不会“浮起来”，但支撑柱从属面积内的重量不足以把该柱“压住”。于是该柱会存在向上的刚体位移，剩余的水浮力就要通过底板的剪力平衡。这就导致水池发生图8 所示的变形模式二，此时底板跨度为邻近墙距，简化计算时，各柱对底板而言只能简化为向下的竖向力，不能直接简化为支座。因此，局部抗浮不满足可以理解为中柱压不住底板，导致中柱不能作为底板的支座，从而大大增加了底板的跨度。因此需要更大的底板配筋和底板截面厚度来提供抗力。这种局部抗浮不满足用底板硬刚的做法非常不可取的，设计中应采取措施满足局部抗浮或减小底板支点间距离。本工程水池池顶覆土厚度0.5m，在仅布置支撑柱的前提下，底板外挑1.5m可满足整体抗浮，但整体出现上述模式二变形，底板厚度需1.0 m方可满足承载力和变形需求，经济性极差，需采取合理措施来优化设计。上覆土重挑池壁墙支撑柱图7 变形模式一仁覆土重外挑土重池壁墙支撑柱图8 变形模式二4.3.2局部抗浮措施局部抗浮与整体抗浮相辅相成，采取的措施也类似，可增加板顶覆土厚度、设置抗拔锚杆和抗拔桩、增加结构自重。板顶覆土厚度通常受池内设计水位和场地标高限制，无法加厚到满足局部抗浮的要求，并且过厚的覆土会导致池顶梁板构件过大、整体抗浮余量过大的问题，因此仅通过增加覆土来满足局部抗浮在工程中较少采用。工程中更多采用顶板覆土与合理设置内隔墙，或顶板覆土与局部设置抗拔锚杆（抗拔桩）相结合的处理方式。4.3.3池内部隔墙的合理布置当池顶覆土较薄，地质条件不适宜设置抗拔桩和抗拔锚杆或经济性较差时，增加部分内隔墙配合外挑底板来满足整体抗浮和构件内力设计是一种较为经济合理的方法，如图9 所示。内隔墙作为底板局部抗浮的支座，可减小底板的厚度和配筋，同时可增加结构自重，比加大顶板和底板厚度有效得多。内隔墙的间距需根据板底平均净反力的大小确定，经验值常取值8 12 m。通常板顶覆土越厚、柱底压力越大、平均净反力越小、底板跨度可越大、隔39石材2023年8 期SHICAI建筑设计墙间距可越大。隔墙厚度宜薄，由于不受外力，配筋满足构造即可。同时，相邻隔墙范围内柱间距不宜过大，兼顾池顶梁板布置，宜取46 m。如前水池，增设一道内隔墙后，隔墙可作为底板的支座。在整体抗浮满足局部抗浮不满足时，水池发生变形模式三，见图10，底板计算跨度减小一半，底板厚度可减小至0.5m。外挑底板柱支撑区域成图墙支撑口区域范围口口口室外地坪池顶标高底板外挑底板标高图9 加隔墙后底板局部抗浮示意上覆土重外挑土重池壁墙支撑柱支撑柱图10 变形模式三4.3.4抗拔构件合理布置本工程水池所在区域勘察深度范围内未见坚硬土层（岩石），相比抗拔锚杆或抗拔桩，内部加隔墙方案更经济合理。当地质条件适合采取抗拔锚杆或抗拔桩时，锚杆和抗拔桩优先布置在抗浮能力薄弱的部位，整体抗浮的同时兼顾局部抗浮，使底板受力均匀。5事故应急池的防渗和防腐蚀石油化工钢筋混凝土水池结构设计规范（S H/T 3 13 2-2 0 13）2 中明确，事故应急池的防水等级为三级。水池应采用防渗混凝土，抗渗等级不应低于P8，最大允许裂缝宽度应控制在0.2 mm内。石油化工工程防渗技术规范GB/T50934-2013(3)严格要求,防渗层渗透系数不应大于10 10 cm/s。因此，水池外侧加做PVC、S BS 防水卷材或涂刷聚氨酯等渗透系数高的人造材料防渗层；也可采用水池内侧涂刷水泥基渗透结晶型防水涂料的做法。工业建筑防腐蚀设计标准GB/T50046-201814规定：污水处理池的池体应采用现浇钢筋混凝土结构，池体不宜设置伸缩缝，池侧壁和底板的厚度不应小于2 50 mm。事故水池的防腐蚀等级应根据工艺和给排水条件确定。可参照工业建筑防腐蚀设计标准中污水处理池相关要求采取防腐蚀措施，包括混凝土等级选取、保护层厚度、裂缝宽度，以及建筑面层防护措施。为保证槽体与内衬的良好粘结，混凝土构件内表面应平整，池内表面不采用水泥砂浆层找平6结语综上所述，事故应急池功能明确单一，在满足容积的条件下，池内可做分隔，可布置竖向构件。池体常处在埋地空池状态，上部无建筑物，因此合理采取抗浮措施是影响经济性的关键因素。根据工程经验，大型事故水池通常考虑平面尺寸、整体刚度、池体抗浮、顶板承载、外墙支撑方向等因素，采用墙柱结合的布置方式。计算满足时，尽量减少墙体布置。水池深度不宜太深，尤其在深厚淤泥地区，尽量避免深基坑工程；在山地地区，尽量避免大量开挖岩石。池体抗浮优选压重法，顶板标高尽可能降低至设计水位，上部覆土至地坪；条件允许时覆土可高出地坪。顶板宜采用大板结构，不宜布置密肋次梁，通常板厚不小于2 0 0 mm。以便减少模板工程，降低综合造价。参考文献1给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程：CECS138：2002S.北京：中国建筑工业出版社,2 0 0 2.2石油化工钢筋混凝土水池结构设计规范：SH/T3132-2013S.北京：中国建筑工业出版社,2 0 13.3石油化工工程防渗技术规范：GB/T50934-2013S.北京：中国建筑工业出版社，2 0 13.4工业建筑防腐蚀设计标准：GB/T50046-2018S.北京：中国建筑工业出版社,2 0 18.