水池结构设计中的要点分析

【摘 要】水池是给水、排水水处理工程中最重要的土建工程，水池结构设计的合理性对水池的结构安全及造价有重要的影响，而在一座水处理厂中，水池构筑物在工艺环节及总造价中占有较大比例。鉴于此，本文对水池结构设计中的要点进行了分析。

【关键词】水池；结构设计；要点

一、前言

水池结构属于市政给、排水工程中的特种结构， 水池是给、排水工程中的重要构筑物，它既不同于一般的建筑结构，也有别于一般的水工结构，结构型式和荷载条件比较复杂，大部分都是采用钢筋混凝土结构体系，其承受的荷载主要有水压力、土压力和温度应力等。水池结构的设计应符合相关的设计规范，每座水池的结构方案都要进行相应的荷载分析、强度分析、耐久性分析并应按照工程的地质条件、荷载条件以及水文地质条件来考虑结构的稳定性。水池的设计有其特定的要求，如抗渗、抗裂、抗冻等，本文针对水池结构设计中涉及到的这些重要问题行了简单的分析探讨。

二、水池结构设计中的要点

1、地下水位对水池设计的影响

水池的设计与地下水位的标高密切相关。由于地下水位未掌握好而引起结构选型错误及抗浮不够等工程事故时有发生。根据现行国家设计规范，地下水位应根据地方水文资料，考虑可能出现的最高地下水位，一般设计均取用水文资料的最高地下水位。在50年设计基准期内，一般水工构筑物地下水可变作用的取用按“工程结构可靠度设计统一标准”原则确定，不考虑罕遇洪水的偶然作用。但值得注意的是，有些工程地质勘察报告所提供的地下水位未能从地方水文资料分析得出，而仅反映勘测期间的地下水位情况。如果详勘在当地枯水期进行，所提供的地下水位标高将无法被设计取用，或导致结构计算的失误。所以结构设计人员应当详细了解当地的水文情况，对未满足设计要求的地质勘察报告要求予以补充。要求考虑当地有无暴雨、台风的影响，是否会出现由于地表水不能及时排除而引起的地下水位提高。土建专业设计人员应该对地下水位和地质勘探的情况进行综合考虑，与水工艺专业设计人员一起决定水池的基底标高，综合工艺流程、运营成本、土建造价等多方面因素制定方案。例如当地质情况不太理想或地下水位较高时，设计人员应该考虑是否可以适当提高基底标高，减少浮力对水池的影响及避开软弱地基层。

2、强度设计

水池强度设计关键在于安全系数的取值，①水池顶板强度设计的附加安全系数：水池顶板所承受的荷载有自重荷载、覆土荷载、室外地面荷载等，其中自重和覆土重所占比例最大。由于土的容重随密度和含水量而变，其变化很大，因此，附加安全系数取1.0是合适的。②池壁强度设计的附加安全系数：池壁主要承受土压力和水压力，水深一般取满池计算，水的容重差别极小。土压力强度一般用朗肯主动土压力理论，是略偏大的。从而说明池壁荷载的取值一般是高限，且变化很小，因此，附加安全系数取0.9，即能满足结构设计要求。③底板强度设计的附加系数：池底实际上是与地基共同工作的，一般情况下计算水压力及均布荷载均偏大，因此底板强度设计的附加安全系数取0.9，即能满足结构设计要求。

3、水池抗冻设计

改良持力层地基土是水池抗冻设计的主要措施，改变水池结构基底的土质量，主要有换土垫层和强夯两种方法。改变地基土基本结构的办法是进行水池持力层地基土换填，就是将原有的细颗粒土体挖走，用大颗粒的土体填入水池的基底。这种换填工程量较大，换填厚度一般要大于等于冻土深度。如果在冻土深度小的地区使用尚可，若在冻土深度较大的地区使用，往往工程量是很大的。通常的地基土换填主要是针对冻胀敏感的地基土，如淤泥质粘土，其排水性能差，毛细作用旺盛，一旦地下水位较高，地基土冻胀破坏加剧，此时，除采用排水设施降低地下水位外，可用小于0.05mm粒径的砂砾料或者风积砂置换地基土层。置换层的厚度随土质条件变化，一般不宜小于30cm。经过砂砾置换之后，可阻断毛细水分联系，起到了减轻冻胀危害程度的作用。地基土夯实是通过对水池结构基底持力层夯击，从而提高地基土的干密度，防止水池外部地下水渗入地基土，是控制地下水位的最直接措施。在水池施工过程中，将地基土翻松20～30cm后夯实，使干容度达1.6～1.7t/m3以上，就能降低水池外地下水对水池结构的侵袭，从而达到预防冻胀破坏的作用。

4、水池抗裂设计

根据对已建成水池所作的调查，水池裂缝一般为竖向裂缝。这些裂缝有两种：一是贯穿性裂缝，由混凝土收缩引起的；二是出现于池壁外侧的表面裂缝，其逐步扩伸至全截面。另外在工程实践中发现，所有的外挑现浇走道板都产生严重裂缝，并随之扩展到池壁，因此，有必要考虑到预制装配式走道板，或作现浇走道板，每隔3 m～4 m设伸缩缝一道。很多钢筋混凝土结构的破坏都是由裂缝开始的，对裂缝形成的原因、预防以及处理必须重视，特别是要避免和控制有害贯穿性裂缝的出现。在我国现在的施工技术水平条件下，水池是不可能一次浇筑完成的，必须要设置水平施工缝，分段进行施工。如果施工过程中施工缝处理得不好，很容易导致水池表面凹凸不平，麻面多、上下段池壁错开甚至渗漏水等现象，严重影响到以后使用。水池裂缝计算时，由于潮湿环境下混凝土干缩性较小，其裂缝增大系数取值可以适当减小，取1.8较为合适。在选用钢筋强度等级时，虽然受裂缝宽度的限制，不能充分发挥其强度作用，但由于Ⅲ级钢筋比Ⅱ级钢用量可减少20%，所以采用Ⅲ级钢筋在技术上和经济上都比较合理。

5、水池抗浮设计

目前在抗浮设计中常用方法有自重抗浮、压重抗浮、基底配重抗浮、抗拔桩抗浮或锚杆抗浮等。①自重抗浮：自重抗浮即通过提高池体结构自重来达到抗浮的目的。一般可以通过增加水池池壁或底板来实现自重增加，这样做虽然增加了混凝土的用量，但是由于结构厚度增加可以降低结构配筋率，减少钢筋用量，因此对造价影响不大。采用自重抗浮对于原设计水池截面配筋率相对较大的水池最为经济适用。②压重抗浮：压重抗浮是通过在池内、池顶或池底外挑墙趾上压重来抗浮。池内压重增加了底板宽度和基坑宽度，但一般不会增加池底所受的不均匀地基反力，故对底板的内力影响较小。此法常用于一般中小型水池的抗浮，但不宜用在平面尺寸较大的水池，对需考虑局部抗浮的水池也不适用。③基底配重抗浮：池底配重抗浮是在水池底板以下设配重混凝土，通过底板与配重混凝土的可靠连接来满足抗浮要求。此法用于一般水池时，其受力情况近似池内压重抗浮，不需增加池壁高度，但要保证底板与配重混凝土的可靠连接，并且其配重材料一般应采用强度等级不小于C15的混凝土。④抗拔桩或锚杆抗浮：此类方法对大体积埋地水池的抗浮相当有效，不仅能满足池体的整体抗浮，还能通过桩或锚杆的合理布置，很好地解决大型水池的局部抗浮问题。抗拔桩一般宜选用桩径较小、单桩抗拔力相应较小的桩进行密布。抗拔桩的桩长宜尽量控制在单节桩的长度范围内，这样可以减少接桩费用以及避免由于接桩不牢固造成的抗拔力损失。

三、结语

随着城市的发展，对水池建造需求也越来越大，水池设计中涉及若干问题，如抗渗、抗浮抗冻、抗裂设计等，本文根据给水排水结构设计规范和已建工程较成熟的经验，对此进行了简单的分析探讨并提出一些建议，供相关设计借鉴和参考。实际工程设计中，要根据实际情况，多尝试、多比较，一定会找到更优更经济的设计方案。

参考文献：

[1]张靖静.水池结构设计概要分析[J].山西建筑，2005，31（22）：67-68.

[2] GB50069-2002，给排水工程构筑物结构设计规范[S]

[3] GB50330-2002，建筑边坡工程技术规范[S]