塑料模塊組合水池

余雪松 徐志通

一、引言

水池是常用的貯水設(shè)施，其主要的功能是水的儲(chǔ)存與調(diào)節(jié)。近年來，出現(xiàn)了一種雨水滲透池，池體的側(cè)壁有滲透孔，儲(chǔ)水能滲入地下，這類水池常用于雨水利用系統(tǒng)，收集降雨徑流入滲地下，涵養(yǎng)地下水。通常，水池由鋼筋混凝土預(yù)制或磚砌而成，耗費(fèi)能源和土地資源；施工周期長、工序繁多；在因故拆除時(shí)建筑垃圾會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染；同時(shí)，受建材特性和施工方式的限制，建成滲透水池側(cè)壁的大量開孔也有較大的難度。

塑料模塊組合水池的開發(fā)成功，是給水排水領(lǐng)域的一項(xiàng)重大革新，它與鋼筋混凝土儲(chǔ)水池的最大區(qū)別是：使用了一種用于搭建儲(chǔ)水池的塑料模塊，塑料模塊通過連接件組裝在一起，構(gòu)成水池骨架，周邊采用不同的土工材料包覆，分別做成普通儲(chǔ)水池或滲透式儲(chǔ)水池。

二、塑料模塊組合水池構(gòu)成與運(yùn)行

1.水池構(gòu)成

塑料模塊組合水池由水池池體和附件組成，附件主要包括進(jìn)水井、出水井、鼓風(fēng)通氣系統(tǒng)。

圖1 塑料模塊組合水池構(gòu)成示意圖

塑料模塊通過連接卡連接在一起，組成水池骨架。在水池骨架的外圍包覆不透水的土工膜構(gòu)成儲(chǔ)水池，包覆透水土工布構(gòu)成入滲池。

進(jìn)水井做成沉沙井型，水池進(jìn)水管從水池進(jìn)入池體，管口設(shè)截污罩。

鼓風(fēng)通氣系統(tǒng)用于水質(zhì)保潔，進(jìn)氣管從水池側(cè)面下部進(jìn)入。

透氣帽設(shè)于水池頂部。

水池的構(gòu)成詳見圖1。

2.工藝流程

在圖1中，收集的雨水，用雨水管送入水池進(jìn)水沉沙井，在沉沙井中，雨水中大顆粒的泥沙沉積下來。進(jìn)水沉沙井用水池進(jìn)水管與塑料模塊組合水池池體相連，水池進(jìn)水管裝有進(jìn)水三通，水池充滿后多余的雨水從溢流管溢出。儲(chǔ)水用塑料模塊組合水池向用戶供水時(shí)，啟動(dòng)設(shè)于水池出水井內(nèi)的供水泵打開壓力供水管上的閥門，此時(shí)，水池排污管上的排污閥關(guān)閉。當(dāng)塑料模塊組合水池裝配成滲透水池使用時(shí)，一場降雨過后，流入水池內(nèi)的雨水，透過包裹在水池側(cè)面的透水土工布及水池側(cè)面填砂層向土壤中滲透，涵養(yǎng)地下水。水池出水管在水池出水井內(nèi)的閥門平時(shí)打開，檢修供水泵或清理出水井時(shí)關(guān)閉，防止水池內(nèi)的雨水涌入井內(nèi)。水池內(nèi)部清洗時(shí)，開啟空氣壓縮機(jī)向壓縮空氣管曝氣系統(tǒng)供氣，沖起池底的沉泥，泥渣水由水池出水管匯入出水井內(nèi)，開啟水池出水井內(nèi)的供水泵，打開水池排污管上的排污閥將泥渣水排出，此時(shí)水池供水管關(guān)閉。低位通氣帽、高位通氣帽有利于水池水面上部空間的空氣流動(dòng)，防止水池水質(zhì)惡化。水池頂板的鋪砂層用于維持土工布的土工性能，水池底面的找平砂層用于保證水池池體均勻受力。水池基礎(chǔ)層土壤素土夯實(shí)是按工程需要而定的通用措施。

三、塑料模塊組合水池受力分析計(jì)算

應(yīng)用于工程中的塑料模塊組合水池應(yīng)能承受可能遇到的受力情況，安全可靠。僅示一例。

1.水池頂部豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算

圖2 水池的動(dòng)荷載示意圖

（1）計(jì)算條件：

按汽10重車后排雙輪綜合影響傳遞到水池頂部考慮：

水池覆土深度 2.5m

汽10外形尺寸 7×2.5m

汽10主車 總壓力 100kN，前軸壓力 30kN，后軸壓力70kN

汽10重車 總壓力 150kN，前軸壓力 50kN，后軸壓力100kN

汽10軸距 4m，輪距 1.8m

汽10前輪著地分布寬度 0.25m，后輪著地分布長度0.2m

汽10后輪著地分布寬度 0.50m，后輪著地分布長度0.2m

（2）水池頂部輪壓標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算：

式中:P1——輪壓傳遞到水池頂部的豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值（KN/m2）；

n——車輪的數(shù)量；

Q——車輛后軸單個(gè)車輪輪壓的標(biāo)準(zhǔn)值，kN；

a——車輪的著地分布長度，m；

b——車輪的著地分布寬度，m；

H——行車地面至水池地面的距離，m；

d——沿車輪的著地分布寬度方向，相鄰兩個(gè)車輪間的凈距，m。

將相應(yīng)的參數(shù)代入公式有：

（3）水池頂部土壓力按下式計(jì)算：

式中：P2——水池頂部的豎向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m2）；

γ——回填土的重力密度20kN/m3。

將相應(yīng)的參數(shù)代入公式有：

（4）水池頂部豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算：

2.作用在水池上的側(cè)向土壓力的計(jì)算

（1）埋設(shè)在地下水位以上的水池，作用在水池上的側(cè)向土壓力按下式的計(jì)算：

式中：P3——作用在水池上的側(cè)向土壓力KN/m2；

K2——主動(dòng)土壓力系數(shù)，與土的抗剪強(qiáng)度有關(guān)，按0.33選用；

γ——水池側(cè)向土的重力密度，kN/m3。取18kN/m3。

Z——地面與計(jì)算截面的深度，m，取4.5m。

代入已知值：

（2）埋設(shè)在地下水位以下的水池，作用在水池上的側(cè)向土壓力為主動(dòng)土壓力與地下水靜水壓力之和，此時(shí)，作用在水池上的側(cè)向土壓力按下式的計(jì)算：

式中：P4——作用在水池上的側(cè)向土壓力kN/m2；

K2——主動(dòng)土壓力系數(shù)，與土的抗剪強(qiáng)度有關(guān)，按0.33選用；

γs——地下水位以下水池側(cè)向土的有效重度kN/m3，取10kN/m3；

zw——自地面至地下水位的距離，取3.5m。

代入已知值：

四、塑料模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.塑料模塊的基本結(jié)構(gòu)

根據(jù)塑料模塊水池的受力分析及實(shí)際應(yīng)用情況，將儲(chǔ)水池用塑料模塊設(shè)計(jì)為長方體形，外形尺寸1000×500×400（mm），模塊的兩端留有DN150、 DN125D的進(jìn)水管接口各一個(gè)。考慮到塑料模塊制作方便，將塑料模塊設(shè)計(jì)成結(jié)構(gòu)相同的上、下兩個(gè)單體，塑料模塊是由這兩個(gè)單體對(duì)扣而成，內(nèi)部為鏤空形狀，空隙率達(dá)到95%。模塊四周留有透水條縫，從而保證了水在模塊之間可以自由流動(dòng)。模塊豎向設(shè)置25個(gè)圓形承力柱和25個(gè)方形承力柱，材質(zhì)為聚丙烯 （PP）。塑料模塊結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 塑料模塊結(jié)構(gòu)示意圖

2.塑料模塊的受力計(jì)算

取一個(gè)單體來進(jìn)行受力分析，考慮到單體的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，為了簡化計(jì)算，取25個(gè)支撐柱來做受力分析，將約束放在25個(gè)支撐柱的端面，載荷56000N/m2加在25個(gè)支撐柱的另一端面平面上。受力如圖4。

使用SolidWorks SimulationXpress對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，經(jīng)計(jì)算各部分的應(yīng)力和合位移詳見圖5、圖6。SolidWorks SimulationXpress設(shè)計(jì)分析結(jié)果基于線性靜態(tài)分析，且材料設(shè)想為同象性。 線性靜態(tài)分析設(shè)想：（1）材料行為為線性，與Hooke定律相符。（2）誘導(dǎo)位移很小以致由于載荷可忽略剛性變化。（3）載荷緩慢應(yīng)用以便忽略動(dòng)態(tài)效果。

圖4 單體受力圖

圖5 應(yīng)力分布圖

圖6 合位移分布圖

由于塑料材料沒有定義屈服強(qiáng)度，從圖5中得出最小應(yīng)力為16026.5N/m2，最大應(yīng)力為2.19787e+007N/m2。

在圖6中，最小合位移為0mm，最大合位移為6.94508mm。25個(gè)支撐柱的合位移為0mm，說明25個(gè)支撐柱能夠承受56000N/m2的載荷。最大合位移發(fā)生在支持柱的連接部分，在具體的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中需要考慮。

通過塑料模塊的受力分析和充分考慮產(chǎn)品的使用功能，塑料模塊的具體結(jié)構(gòu)祥見圖7。

圖7 塑料模塊圖

五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)國家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢測，塑料模塊抗壓承載強(qiáng)度為542kN/m2，約為水池頂部豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值的10倍；塑料模塊側(cè)向抗壓承載強(qiáng)度128kN/m2，約為作用在水池上的側(cè)向土壓力的5倍。

六、小結(jié)與討論

1.塑料模塊組合水池，水池材質(zhì)與結(jié)構(gòu)的革命性變革，使水池的功能和施工方式有了根本改變，形成了普通儲(chǔ)水池及滲透式儲(chǔ)水池兩種基本池型，表明水池已從單一的貯水功能擴(kuò)展到帶有了雨水利用入滲功能。水池骨架的基本單元塑料模塊，在工廠開模批量生產(chǎn)，摒棄了水泥、粘土磚大量耗能的生產(chǎn)工藝，符合國家節(jié)能、低碳、環(huán)保的理念，節(jié)省了大量的土地資源；塑料模塊拼裝方便，組合水池的施工工序大為簡化，施工周期約比鋼筋混凝土水池縮短半月以上；塑料模塊表面光滑，不易結(jié)垢，儲(chǔ)水環(huán)境良好；特別是在水池拆除塑料模塊可以回收利用或異地再建，避免建筑垃圾污染環(huán)境。

2.塑料模塊組合水池沉泥的清理是業(yè)界關(guān)注的問題。本文所述的塑料模塊組合水池，采用箱筐式模塊，在模塊組成的骨架層與水池底板間留有10cm的集泥區(qū)，集泥區(qū)設(shè)壓縮空氣管及吸泥管系。吸泥時(shí)水池宜在低水位，用壓縮空氣把積泥翻起，開泵將泥水從水池排出。

3.塑料模塊的承力計(jì)算與實(shí)測結(jié)果的分析：塑料模塊抗壓承載強(qiáng)度為542000N/m2，約為水池頂部豎向壓力標(biāo)準(zhǔn)值的9.7倍。由于考慮到聚丙烯塑料低溫時(shí)變脆，耐老化性差等一些特性以及塑料模塊在長時(shí)間荷重下的變形蠕變特性，取比較大的安全系數(shù)是必要的。

4.建議的塑料模塊組合水池安裝要求：水池的平面外形宜為I、L、F等形式；單體水池最大容積在500m3以內(nèi)；水池池頂覆土為1.0～1.5m，池底最大深度為4.5m（含覆土）；水池的地基應(yīng)按工程所在地的地質(zhì)情況決定。