地下水池抗浮设计方案的探讨

摘要：埋地式水池构筑物抗浮水位的确定和抗浮设计方案的合理选用，直接影响到结构设计的安全性和工程造价的经济性。在对自重抗浮、压重抗浮、基底配重抗浮、打抗拔桩抗浮或打锚杆抗浮等常用方法介绍的同时，分析比较了各种方法的适用条件和经济性，以及对结构的相应影响。结合工程设计实例的讨论，为采用更为合理、经济的抗浮方案，设计时应注意根据工程的具体情况，基于对各种方案的分析比较，综合考虑后判断选择。

关键词：水池抗浮，抗浮水位、抗浮设计，抗浮措施

中图分类号： S611 文献标识码： A 文章编号：

概 述

在市政、环境、水利和工业项目建设中，有大量的埋地式水池构筑物。对于建设在地下水位较高地区的埋地式水池，其抗浮措施是设计中必需解决的重要问题之一。

目前在抗浮设计中常用的方法有自重抗浮、压重抗浮、基底配重抗浮、打抗拔桩抗浮或打锚杆抗浮等多种。这些方法各有特点，针对不同的建设场地和不同结构体型的池子，选用不同的抗浮措施，会对结构受力和工程造价产生较大的影响。

一、确定水池抗浮水位是抗浮设计的关键

水池的抗浮设计与水池抗浮水位密切相关。因水池抗浮水位确定不准确而引起的结构选型错误、抗浮不够及池壁开裂等工程事故时有发生，所以结构设计人员在进行水池结构抗浮设计时，首先需要确定水池抗浮水位。根据现行国家设计规范，水池抗浮水位应根据当地水文资料，考虑可能出现的最高地下水位。

一般水池抗浮水位应采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选用按《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地质勘探报告所提供的水池抗浮水位没有结合当地水文资料分析得出，而仅反映勘探期间的地下水位情况，如果详勘在枯水期进行，所提供的地下水位很可能低于地下抗浮水位，如果采用可能会导致结构计算的失误，造成严重后果。所以结构设计人员应详细了解当地水文情况，对不满足要求的地质勘探报告予以补充。提醒勘探单位考虑当地有无暴雨、台风的影响，是否会出现由于地表水不能及时排出而引起地下水位上升。同时结构设计人员应结合地下水位和地质情况的了解，如当地下水位较高或是否存在地质剖面有流沙层，设计时可考虑适当抬高池底标高，减少结构浮力及避开流沙层。

二、抗浮设计方案的分析与比较

水池的抗浮计算公式为：

G/F≥1.05

式中：G为不含池内盛水的水池自重等永久作用荷载，当构筑物为沉井等侧壁与土体紧密接触的结构，可计入侧壁上的磨擦力；F为地下水浮力。

下图为水池考虑整体抗浮时的抗浮力示意图：

其中：G1为池体自重；

G2为池内压重；

G3为池顶压重；

G4为池壁外挑墙址上压重；

G5为池底板下部配重；

N1为池底抗浮桩或锚杆的抗拔力。

在水池内设置支承结构时，水池还需验算局部抗浮，其抗浮力示意图如下：

此时各抗浮力均为每一支承单元内的值。

1自重抗浮

自重抗浮即通过提高池体结构自重G1来达到抗浮的目的。此种方法一般适用于水池自重与地下水浮力相差不大的情况下。

增加自重一般通过增加水池池壁或加厚底板来实现，这样会增加混凝土用量，但由于结构厚度的增加，可以减小池内配筋，降低配筋率，所以适当的增加结构厚度，其造价的增加幅度并不很大。同时，此方法加大了结构件的截面，提高了结构刚度，对池体结构本身进行了加强。

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，若原水池截面配筋率不大，增大截面后有可能使结构构件为满足最小配筋率而增加钢筋用量，这样池体造价会大幅上升，宜考虑采用其它抗浮措施。

根据工程实践，在自重与地下水浮力相差在10%以内的情况下，通过增加结构自重抗浮具有较好的经济性。若自重与地下水浮力相差达15%，考虑到1.05的抗浮系数及由于结构尺寸加大新增的浮力，结构自重需增加的量一般可表达为：

0.15G1×25/(25-10)×1.05=0.263G1

可见此时池体需加重25%以上才能满足抗浮，此时应考虑结合其它措施抗浮，以达到经济合理的效果。

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。

池内压重即增加G2抗浮，一般需将池体落深，在池内填筑压重混凝土或浆砌块石等其它材料来达到抗浮的目的。此法增加了基坑深度和池壁高度，但一般不会增加池底所受的不均匀荷载反力，对底板的内力影响较小。

池顶压重则增加G3，常用于埋地式水池或半埋地的水池，如自来水厂的清水池、吸水井和一些埋地式污水处理构筑物等等。采用此法，可充分利用池顶覆土种植绿化或作为活动场地。但池顶压重会大大增加池顶板和底板的荷载，使顶底板的结构厚度和配筋都相应增加。

在外挑墙趾上压重增加了G4，它不增加基坑深度，但一般均需将底板外挑较大范围，增加基坑面积，并且对邻近建构筑物或管线等的布置造成一定的影响，另外会增加池底所受的不均匀荷载反力，使池底板的内力增大。此法可直接利用外挑墙趾上的回填土自重或填筑毛石等自重较大的材料抗浮，若直接利用回填土，考虑到回填土的不均匀性及填挖的不确定性，一般应乘0.8~0.9的折减系数。它常用于一般中小型的水池抗浮，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池底配重抗浮

池底配重抗浮即增加G5，是在水池基础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。其典型例子就是在沉井结构设计中，如果井体的自重不足以满足抗浮要求，可在底板与封底混凝土间设置拉结短筋，利用封底混凝土的自重抗浮。此法用于一般水池时，其受力情况近似池内压重抗浮，它不需增加池壁高度，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标号不小于C15的混凝土。

基底配重抗浮一般比池内压重抗浮更为经济，但若池内压重可在工程所在地就地取材采用块石等，则造价可能比基底配重更低。

4打抗拔桩抗浮或打锚杆抗浮

打抗拔桩抗浮或打土层锚杆抗浮对池体的受力情况相似，它们是通过桩或锚杆的抗拔力N1来抗浮。此类方法对大体积埋地水池的抗浮相当有效，它不仅能满足池体的整体抗浮，还能通过合理布桩或锚杆，很好地解决大形水池的局部抗浮问题。

打抗拔桩或打土层锚杆是利用桩或锚杆的锚固力来抗浮，抗拔桩的抗拔力由桩体与土的摩擦力和桩身抗拉强度中取小值，一般情况下由桩体与土的摩擦力控制。为增加桩体摩擦力，桩径越小则同体积桩体的表面积越大，摩擦力也越大。另外，由于大部分水池为平板基础，若单桩抗拔力过大，对底板的集中荷载作用明显，必须进行局部加强或改变底板结构形式才能承受抗拔力，这样使造价进一步増加。所以，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及避免由于接桩不牢固造成抗拔力损失。由于桩端承载力对抗拔力无帮助，所以一般无需打入硬土层。

锚杆抗浮分为岩石锚杆和土层锚杆二种。岩石锚杆适用于基础直接座落于基岩上的情况，由于锚杆直接插入基岩灌浆，岩石锚杆的抗拔力较大。在一般土层中则为土层锚杆，影响土层锚杆抗拔力的因素比较多，对设计和施工的要求也比较高。岩石锚杆和土层锚杆设计适用的规范为“ GB 50330-2002”和“GB50007-2002”中有关内容，山东地区可按山东省标准中有关内容设计。采用锚杆技术造价相对较低，同时锚杆的布置密度相比抗拔桩较密，对池底板的整体作用更接近于均布荷载，有利于底板的防渗裂。但锚杆施工具有一定的专业性，其浆液的配制及施工过程的技术控制对锚杆的抗拔效果有决定性作用，所以应由专业队伍施工。

与锚杆技术相比，抗拔桩较为常用，且施工方法属于常规技术，易于控制质量。当水池座落于软弱土层上时，抗拔桩结合承重桩和沉降控制桩一起设计，可具有很好的经济性。

5其它抗浮方式

除上述抗浮方案外，还有降水抗浮和设观察井抗浮等方式，它们是通过降低地下水位或通过观察地下水在低水位时才允许排空水池的方法抗浮。此类方法由于易造成生产运行和管理方面的不便，在市政给排水工程设计中应用很少。

三、工程设计实例

以“山东省沂水县第二污水处理厂工程”中二沉池为例，选择几种不同的抗浮方案进行比较。

本工程地质土层情况为：

1层 粉质粘土层

fak=160Kpa厚1.2m

2层 粘土混姜石层

fak=180Kpa厚2m

3层 粘土层

fak=200Kpafrb=28Kpa厚度>10m

地下水抗浮设计水位为场地设计地面下1.3m。

二沉池为内径42m圆形锥底水池，内底面埋深3.4~4.5m，地上部分高1.6m。

池体自重G1=27508KN；浮力F=39285KN

其截面简图如下：

分别采用压重抗浮、打抗拔桩抗浮和打土层锚杆抗浮的方案进行计算比较。

（1）压重抗浮：采用池内压重与池周外挑墙址上压重结合的方式。将原锥形池底做成平底后在池内填筑毛石混凝土形成锥底，另外底板外挑墙址上填土分层压实。

其截面简图如下：

此法增加工程量如下：

池壁增加钢筋混凝土重G1’=1096KN

池内填筑毛石混凝土重G2=25386KN

池壁外挑墙址上土重G4=2436×0.8=1949KN

总浮力变为F’=53048KN

总抗浮力为∑G =G1+G1’+G2+G4=55939

∑G/F’=55939/53048=1.054>1.05满足

（2）打抗拔桩抗浮：采用D400预应力混凝土管桩，壁厚95mm，桩长10m。

单桩抗拔力设计值N1=200KN

共需桩数=(1.05F-G)/200

=(39285×1.05-27508)÷200

=69根

经布桩后取72根

总抗浮力为∑G =G1+72N1=41908

∑G/F=41908/39285=1.07>1.05满足

（3）打土层锚杆抗浮：采用锚杆长8m，直径150，锚固体为M30水泥砂浆，杆体采用1Ф25螺纹钢筋。

锚杆抗拔力设计值

N1=πd frb /1.3

=(28×π×0.15×8)÷1.3

=81KN

共需锚杆数=(1.05F-G)/81

=(39285×1.05-27508)÷81

=170根

总抗浮力为∑G =G1+170N1=41278

∑G/F=41278/39285=1.051>1.05满足

抗浮设计技术经济比较

根据以上对比可见，本池由于平面尺寸及浮力较大，自重较轻，其自重与地下水浮力相差达30%，所以采用压重抗浮的造价大大增加，明显不经济。采用打抗拔桩或土层锚杆抗浮较为合适，其中尤以土层锚杆更为经济，但土层锚杆对施工队伍的要求较高。本工程考虑到做土层锚杆抗浮在当地缺乏经验，所以未采用锚杆抗浮；另外，整个工程仅此池子下打桩对施工管理和工期有所影响。最后经工艺调整后将水池整体抬高0.4米后采用压重抗浮。

四、结语

水池抗浮水位的确定和抗浮设计方案选用的合理性，直接影响到水池结构的安全性和工程造价。因此需要结构设计人员应首先根据勘探部门及当地水文资料准确确定抗浮水位，再结合工程的具体地质情况及当地常用施工技术方法对各种抗浮方案的可行性和经济合理性，进行综合对比分析，在保证工程质量的前提下，选择既安全又经济合理的抗浮方案。

参考文献

[1] 给水排水工程构筑物结构设计规范(GB50069-2002).

[2] 给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程(CECS138：2002).

[3] 建筑边坡工程技术规范(GB 50330-2002).

[4] 《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）