無梁板式水池的局部抗浮分析與設計方法

孫金勇

(福建省電力勘測設計院 福建福州 350003)

無梁板式水池的局部抗浮分析與設計方法

孫金勇

(福建省電力勘測設計院 福建福州 350003)

凈水站水池是發電廠重要的水處理構筑物，水池的安全可靠對于保證發電廠正常運行具有重要的意義。在地下水位較高區域，水池的抗浮穩定是十分重要的。文章根據福建省某熱電廠工程，分析了無梁板式水池的局部抗浮原理，并提出了解決局部抗浮不足的多種措施。

無梁板式水池;局部抗浮;抗浮原理;抗浮方案

1 工程概況

在燃煤或燃氣電廠中，凈水站水池是全廠重要的水處理構筑物，而對海濱電廠或者位于江、河、湖旁的電廠來說，地下水位往往較高，水池的抗浮穩定就顯得尤為重要。在許多工程事故中，如水池浮起或傾斜、與支柱相連的水池頂板或底板被拉壞、與水池連接的工藝管道被拉壞等，都是由于水池的整體抗浮或局部抗浮不夠引起的[1]。因此，水池的抗浮穩定是水池結構設計的重要內容，必須引起高度重視。

該工程為福建福鼎熱電廠工程，廠址臨近沙埕灣，根據水文氣象報告、場地地形地貌特征、地區的氣候特點及設計地坪，并結合巖土工程勘察報告，抗浮設計最高地下水位按-2.2m(相對場坪零米標高，以下均同)考慮。其中，凈水站無梁板式水池包括原水池、化學水池、工業消防水池、復用水池、回收水池等。

以該工程的原水池為例，分析水池的抗浮穩定。該原水池見圖1和圖2，平面尺寸為26.5m×31.0m，底板底標高-4.8m，頂板頂標高1.3m，頂板上無覆土，抗浮水位-2.2m，水池內支柱間距為3.7m×3.8m。原水池頂板厚0.2m，底板厚0.4m，池壁厚0.4m，支柱截面0.4m×0.4m，橫向支柱之間設240mm厚5.3m高的燒結實心磚砌體導流墻。

2 水池局部抗浮原理分析

根據《給水排水工程構筑物結構設計規范》(GB 50069-2002)[2]，當水池承受地下水(含上層滯水)浮力時，應進行抗浮穩定驗算。驗算時作用均取標準值，抵抗力只計算不包括池內盛水的永久作用，可變作用和側壁上的摩擦力不應計入，抗浮抗力系數不應小于1.05[3]。水池內設有支承結構時，還須驗算支承區域內局部抗浮。

圖1 1#原水池平面布置圖

無梁板式水池的抗浮穩定驗算包括整體抗浮和局部抗浮。整體抗浮是為了保證水池在地下水(含上層滯水)作用下水池不發生整體上浮或傾斜現象；局部抗浮是為了保證水池結構構件在地下水(含上層滯水)作用下不產生超過規定允許的位移，以免頂板、底板或支柱被拉壞。無梁板式水池的整體抗浮一般可通過自重抗浮、配重抗浮、嵌固抗浮、錨固抗浮等方法解決，較容易滿足；而局部抗浮則較難滿足要求。

根據規范[2]相關規定，局部抗浮驗算應滿足式(1)：

(1)

式中：

q1—頂板自重及頂板上覆土單位面積重標準值(kPa)

q2—底板單位面積重標準值(kPa)

Lx—x向柱間距或柱心到池壁中心距離(m)

Ly—y向柱間距或柱心到池壁中心距離(m)

G—單根柱重及單位區格內導流墻重(kN)

ηfw—浮托力折減系數

γn—地下水重度(取10kN/m3)

Hw—底板在地下水位下的埋深(m)

K—抗浮安全系數

以該原水池為例，

q1=25×0.2=5kPa，

q2=25×0.4=10kPa，

Lx=3.7m，

Lv=3.8m，

G=25×0.4×0.4×5.5+19×0.24×5.3×3.4=104kPa，

ηfw=1.0，

Hw=2.6，

K=1.05，

則抗浮系數:

故該水池局部抗浮不滿足要求，需采取相應措施才能保證結構的抗浮穩定。

3 水池局部抗浮方案

根據局部抗浮驗算公式，若需要提高局部抗浮系數以滿足局部抗浮穩定要求，可通過提高抵抗力或減小上浮力來解決。具體來說，主要包括以下幾種解決措施。

(1)結構自重抗浮

主要方法為增加水池頂板、底板厚度，這種方式適用于抗浮地下水位較低或水池自重與浮力相差不大的情況。工程實例統計結果與技術經濟比較可知，在水池自重與浮力相差小于15%的情況下，可以通過增加結構自重來滿足水池局部抗浮要求；否則，需要增加頂板、底板厚度較大，增加的結構荷載較大，混凝土工程量與用鋼量增加較多，將造成工程方案的經濟性較差。自重抗浮較其他抗浮方式安全可靠。

(2)增加配重抗浮

主要方法為池頂覆土、底板上部設置毛石混凝土或其他低強度等級混凝土配重、底板下部設置素混凝土配重平衡層。

池頂覆土方式適用于地下式或半地下式水池，池頂覆土后可用于廠區綠化區、活動場地、停車場等；但這種方式也會增大水池頂板承受的荷載，在結構設計時應充分考慮因覆土增加的永久荷載和可變荷載的作用，保證結構的安全。底板上部設置配重層的方式適用于豎井等結構，通過封底混凝土的自重來抵抗上浮力的作用；但該方式會使水池池壁的計算高度增大，影響水池結構的計算，若要解決該問題，可在底板上部配重層頂面按照構造要求增設剛性地坪作為池壁的水平約束。底板下部設置配重平衡層的方式適用范圍較廣，通過底板下吊的混凝土重量來平衡上浮力的作用；該方式需要在底板和配重平衡層之間設置拉結鋼筋，保證兩者之間傳力可靠。

(3)錨固抗浮

主要方法為在局部抗浮計算區域內設置抗拔錨桿或抗拔樁。抗拔錨桿包括巖石地基和土基兩種情況。當水池坐落于巖石地基時，要求基巖堅固完整，具有施工條件。錨桿應根據水池內支柱的位置直接布置在支柱底下，或者在整個水池底板下均勻設置；前者不改變底板受力情況，但需要驗算底板在揚壓力作用下的結構安全，后者則使底板內力分析復雜[4]。錨桿一般采用圓柱形，人工成孔時，宜做成錐臺形，下口略大。錨孔直徑(d1)一般為3d(d為錨桿直徑)，但不小于d+50mm。風鎬成孔時，孔徑約為50mm～80mm。錨桿中心距不應小于6d1。錨桿宜采用螺紋鋼筋，伸入底板的一端帶彎鉤，直徑一般大于22mm。錨固深度一般采用1m～2m，但不宜小于1m，也不得少于40d，伸入底板的長度不小于35d。將錨孔清理干凈后，濕潤表面，插入錨桿，灌入M30號以上砂漿或C30細石混凝土搗實。當水池坐落于土基時，其錨固抗浮可參考《錨桿噴射混凝土支護技術規范》(GB50086)執行[5]。

抗拔樁對水池的局部抗浮作用與抗拔錨桿類似，即通過樁與土體之間產生的摩擦力來平衡浮力作用。樁一般采用預制樁或灌注樁，基樁的抗拔承載力可按照《建筑樁基技術規范》(JGJ94)計算。

(4)減小或消除浮力措施

該方法通過地基處理將水池底板下一定深度范圍內的土體處理成不透水層或弱透水層。一般情況下，滲透系數大于1m/晝夜的巖層可認為透水，呈層狀稱透水層；呈帶狀稱透水帶，而滲透系數小于0.001m/晝夜的巖層，稱為不透水層。

滲透系數介于1～0.001m/晝夜者為半透水或弱透水層。該方法采用灌漿法或高壓旋噴注漿技術等地基處理方法將水泥類硬化劑注入到土層當中使其形成水泥加強土體，達到不透水層或弱透水層的要求；此外，在不透水層和水池墊層中間的縫隙處，通過在水池墊層中埋設注漿管后注入硬化劑以達到封堵避免水滲漏的目的。因此，處理后水池位于隔水層中，不透水層下的承壓水無法沖破隔水層，故水池底板將不受浮力作用；若地基處理后為弱透水層，則由于地下水滲流的作用，水池仍受到浮力作用，但可進行適當折減。

(5)導滲自流降水抗浮

主要方法為在水池底板下部設置反濾層、導滲盲溝等[6]，通過專用排水管道將水排至地勢較低的集水井或溪流中，以釋放部分水浮力作用。

該方法為永久降水措施，適用于各類有抗浮要求的地下構筑物，但要求廠區或附近有穩定的排水出路。在設計過程中，應采取相應措施防止專用排水管道倒灌，同時應考慮水位監測措施，如在水池基坑里布置地下水位監測井。

(6)集滲強排降水抗浮

集滲強排降水抗浮稱為管理抗浮。由于許多水池在正常運行時內部水位都處于較高水位，此時考慮水池內盛水壓力的作用，水池抗浮能滿足要求；僅僅在水池結構施工、設備安裝、水池清理或檢修等短時間內需要考慮抗浮。因此，該方法為短期降水措施，可在水池底板下部設置集滲盲溝，在廠區合適位置設置集水井，在前述需要抗浮的時間內將集水井內的水抽排出去，使水池處的地下水位降至抗浮安全水位以下，以滿足水池抗浮要求。

該方法要求考慮水位監測措施；并在設計圖紙中明確結構施工、設備安裝期的抗浮管理要求，同時應將水池清理或檢修等水池內水位較低期間的抗浮管理要求納入到水池的日常運行管理中。

(7)在整體抗浮滿足但局部抗浮不滿足要求時，應采取構造措施增大結構本體剛度，以抵抗向下支承點處出現的向上位移，避免水池支柱和頂板、底板被破壞。而要保證浮力的有效傳遞，就需要保證板剛度，板厚應滿足受沖切承載力和受剪承載力的要求，板剛度的具體控制計算可以參考《建筑地基基礎設計規范》(GB50007-2011)對于筏形基礎的要求。

綜上各種水池局部抗浮方法，結合該工程的原水池案例，經計算，水池的整體抗浮不滿足要求，另由于建設單位出于廠區的整體布置考慮，要求原水池頂面超出地面的高度不超過1.3m，經技術經濟比較，最終選定在底板下部設置700mm厚素混凝土配重平衡層(圖2)的方法，滿足水池的整體抗浮和局部抗浮要求。

4 結語

凈水站水池是燃煤或燃氣電廠重要的水處理構筑物，也是電廠水工結構設計的重要內容，準確地分析和設計水池的抗浮尤其是局部抗浮措施，對于保證發電廠安全可靠運行具有重要的意義。

本文根據局部抗浮的計算原理，總結歸納了解決局部抗浮不足的多種措施，包括增大結構自重、增加配重、錨固抗浮、通過地基處理設置不透水層、導滲自流降水、集滲強排降水、增大結構本體剛度等，切實解決了工程實際中遇到的問題，可供地下水位較高的構筑物抗浮設計作為參考。

在具體的工程實際中，應根據各工程的實際情況，進行多方案的技術、經濟比選，選用安全可靠、經濟合理的抗浮方案。

[1] 馬霖.采用頂部覆土滿足水池局部抗浮要求的設計方法[J].科技信息, 2014 (8):216-216.

[2]GB50069-2002 給水排水工程構筑物結構設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社, 2002.

[3]CECS138:2002 給水排水工程鋼筋混凝土水池結構設計規程[S].北京:中國建筑工業出版社, 2002.

[4] 沈世杰.給水排水工程結構設計手冊(第二版)[M].北京:中國建筑工業出版社, 2007.

[5]GB50086-2001 錨桿噴射混凝土支護技術規范[S].北京:中國計劃出版社, 2001.

[6] 陳小剛,馬忠武.埋置式矩形結構局部抗浮在抗浮計算中重要性的探討[J].工程建設與設計,2016(5):19-21.

Local Anti-floating Analysis and Design Method of Flat-slab Water Pool

SUNJinyong

(Fujian Electric Power Survey & Design Institute, Fuzhou 350003)

Water pools in water purification station are important water treatment structures of fossil fuel power plants.Safety and reliability of water pools are very significant for normal operation of power plants.In high groundwater level area, the anti-floating stability of water pools is very important.In this paper, according to a thermal power plant in Fujian Province, the local anti-floating principle of flat-slab water pool was analyzed and various measures of solving local anti-floating have been proposed.

Flat-slab water pool; Local anti-floating; Anti-floating principle; Anti-floating program

圖2 原水池A-A剖面圖

孫金勇(1985.10- )，男，工程師。

E-mail:282371137@qq.com

2016-08-26

TU991

A

1004-6135(2016)12-0070-04