某超大型全地下式雨水調蓄池底板設計

肖山喜

(深圳市水務規劃設計院有限公司，廣東 深圳 518000)

隨著深圳市河道水環境綜合治理、雨污管網改造及海綿城市建設的加快，雨水調蓄池逐漸增多，目前深圳已建成觀瀾河[2]、排澇河[3]、鹿丹村等多座超大型地下雨水調蓄池。水利工程中調蓄池大多建設在河道或河口附近，周邊地下水位較高，調蓄池底板受浮力較大，調蓄池往往需要設置抗浮樁或抗浮錨桿。對于地下調蓄池結構，底板同時受到地下水浮力、內水壓力、頂板填土等荷載，調蓄池完建后，枯水期池外地下水位較低，池內滿水極端工況時，底板受到正向壓力大于水浮力，底板受力狀態為正向受壓；洪水期池外地下水位較高，池內無水極端工況時，底板受到正向壓力小于水浮力，底板受力狀態為反向受壓[4]。故調蓄池運行期，底板既正向受壓又反向受壓，底板受力狀態較為復雜。

根據建筑結構地下室底板設計工程經驗，調蓄池底板一般設計成剛度較大的筏板基礎。工程設計中常用的筏板基礎可分為平板式和梁板式，根據調蓄池底板雙向受力的復雜狀態，且考慮到底板施工方便，調蓄池底板一般設計為平板式筏基。為滿足調蓄池底板受壓及抗浮要求，底板一般設計較厚重，底板占整個調蓄池工程投資也較大，故底板設計的優劣直接關系到工程投資及工程安全問題。

目前大型地下結構筏板基礎常用的計算方法有剛性板法、無梁樓蓋法、彈性地基梁模型法，但大部分計算方法主要適用于非樁筏板正向受壓計算，在樁筏基礎中正、反雙向受力時需要在原計算方法基礎上進行優化計算。為此，文章以深圳市的一座超大型全地下式雨水調蓄池為工程背景，介紹了三種計算方法在調蓄池底板設計中的運用，對比分析了各自的優缺點以及適用條件。

1 工程概況

工程位于深圳市光明新區東坑水滯洪區內，是一座超大型全地下式初雨調蓄池，調蓄池內部調蓄茅洲河截污箱涵初小雨，調蓄容積13.5萬m3，調蓄池頂部為休閑公園及運動廣場。調蓄池內部集成布置了進水格柵、沉砂池、雨水提升泵站、螺旋型檢修車道及沖洗通風等設施。調蓄池基坑采用樁錨式支護開挖，調蓄池結構采用全封閉框架式梁板柱結構型式，底板采用平板式樁筏基礎，調蓄池長281.6m、寬108m，底板頂面高程為2.5～3.5m，頂板結構高程為10.2m，洪水期最高水位12.5m，調蓄池池內設計水位9.0m。

調蓄池結構尺寸如下：柱網間距為7500mm×6000mm，主梁500mm×1000mm，次梁400mm×800mm，框架柱800mm×800mm。底板厚1000mm，底板采用框架柱下布樁，采用DN1000鋼筋混凝土灌注樁。側墻頂部厚1000mm，底部厚1500mm。頂板覆土厚度300mm，最大洪水高度2.0m，結構抗浮設計水位取10.5m。調蓄池結構典型剖面如圖1所示。

調蓄池現狀地面高程為16.0～22.5m，底板設計底高程為1.5～2.5m，底板下地層巖性由上至下依次為：2.0～8.6m厚殘積土層、3.0～15.5m厚全風化花崗巖層、2.3～5.0m厚強風化花崗巖層，底板坐落于殘積土層。

圖1 調蓄池結構典型剖面圖

2 荷載分析

根據調蓄池實際運行工況，底板正向受壓、極限工況時，調蓄池取設計水位9.0m，地下水位為常水位8.0m。底板反向受壓、極限工況時，調蓄池內無水，池外地下水位為10.5m。將調蓄池頂部荷載輸入結構空間有限元軟件PKPM(V3.1)SATWE模塊和盈建科建筑結構YJKS(1.8.1)無梁樓蓋模塊，結構頂部荷載詳見表1。

表1 調蓄池結構頂部荷載表

3 計算方法分析

3.1 剛性板法

對于常規剛性板法，將調蓄池底板考慮為剛性板，采用“截板成梁”按多跨連續梁計算底板內力，以結構框架柱為連續梁支座，這種計算方法適用于調蓄池上部結構剛度較大，結構柱網變化不大和荷載分布均勻的非樁基礎調蓄池底板正向受壓時。

對于調蓄池底板反向受壓時，也可將底板簡化成以結構柱為支座，以凈水浮力作為上部荷載，按多跨連續梁計算底板反向受壓時的內力。

調蓄池底板正向受壓工況時，上部荷載通過底板傳遞到樁基礎上，由樁基承擔全部荷載，樁間土不承擔荷載，此時沒有形成地基反力，故提出采用優化后的剛性板法。該方法是一種結構力學靜力分析法，采用“截板成梁”按多跨連續梁計算底板內力，這種簡化方法假設上部荷載全部由樁承擔，不考慮板底地基反力、樁基沉降變形等因素，且忽略了各板帶之間的變形協調、底板整體彎曲變形、上部結構剛度等因素影響。將縱、橫兩個方向分成柱下板帶和跨中板帶，將柱下板帶簡化為以樁基為支承的多跨連續梁，將樁基考慮成無豎向變形支座，將底板及上部受荷載作為連續梁的荷載計算。同時根據柱下板帶支座彎矩分配系數0.65～0.67[5]，計算出各柱下板帶支座彎矩。計算方法簡單，在特定的條件下能夠滿足結構設計要求。但對于大型復雜結構底板，這種簡化計算的假設條件與實際情況差別較大。

3.2 無梁樓蓋法

無梁樓蓋分為正向無梁樓蓋和倒無梁樓蓋，常規調蓄池底板多采用倒無梁樓蓋計算，將底板簡化成倒置在結構柱上的無梁樓蓋，以基底凈反力作為上部荷載，這種計算方法適用于調蓄池上部結構剛度較大、結構柱網變化不大和荷載分布均勻的非樁基礎調蓄池底板正向受壓時。

對于調蓄池底板反向受壓時，也可將底板簡化成倒置在結構柱上的無梁樓蓋，以凈水浮力作為上部荷載，計算筏板反向受壓時的內力。

調蓄池底板正向受壓工況時，上部荷載通過底板傳遞到樁基礎上，由樁基承擔全部荷載，樁間土不承擔荷載，此時倒無梁樓蓋模型與底板實際受力情況差別較大，故提出正向無梁樓蓋法。將底板簡化成以樁基為支承的無梁樓蓋，上部結構力作為無梁樓蓋荷載。該方法也不考慮板底地基反力，同時也不考慮樁基豎向變形、上部結構剛度等因素。但考慮了板帶之間的變形協調、底板整體彎曲變形的因素影響，在特定的條件下這種計算方法比剛性板更接近實際受力情況。

3.3 彈性地基梁板模型法

彈性地基梁板模型法主要適用于底板正向受壓時，底板受水浮力影響反向受壓時一般不適用。彈性地基梁板模型法假設筏板由樁和樁間土共同承擔，灌注樁簡化為一定剛度樁彈簧，樁間土簡化為土彈簧，通過彈簧不同豎向剛度模擬灌注樁和樁間土共同對筏板的作用，考慮底板下樁-土共同作用、整體變形協調、上部結構剛度等因素，底板受力情況與實際情況更接近。

樁基礎的豎向剛度主要指樁頂發生單位位移時樁能提供的反力值，樁基豎向剛度可以通過靜力荷載試驗Q-S曲線計算[6]：

(1)

式中，Qa、Sa—單樁試驗荷載和沉降值；ξ—試樁沉降完成系數，持力層為砂層取0.8，粘性土和粉土取0.6～0.7，飽和土取0.4～0.5。

也可根據劉純康[7]的樁的豎向剛度計算方法計算：

Kii=nhε(kτ+ks)

(2)

式中，nh—樁數；ε—考慮樁土作用下，樁的彈性影響系數；kτ、ks—灌注樁與樁間土體抗剪強度和樁身抗壓強度。

同時槐以高等人[8]提出樁間土承擔最大荷載不應超過總荷載的10%～20%，通過調整灌注樁豎向抗壓剛度和樁間土基床系數，反算樁間土承擔最大荷載進而近似模擬樁-土共同作用效果。

4 計算簡化模型對比分析

本次計算模型僅為中間跨底板，邊跨底板不包含在模型計算中。邊跨底板除受到上部荷載外，主要受到側墻底部傳遞彎矩，故邊跨底板一般設計比中間跨底板厚，受力計算模型也不同。

4.1 剛性板法

調蓄池底板正向受壓時，底板X方向劃分成7500mm寬柱下板帶和7500mm寬跨中板帶，底板Y方向分成6000mm寬柱下板帶和6000mm寬跨中板帶，將柱下板帶簡化為以直徑1000mm灌注樁為支承的多跨連續梁，將樁基考慮成無豎向變形支座，將底板及上部受荷載作為連續梁的荷載計算。同時根據柱下板帶支座彎矩分配系數0.65～0.67[5]，計算出各柱下板帶支座彎矩。

剛性板法首先采用結構空間有限元軟件PKPM(V3.1)SATWE模塊計算框架柱作用在底板上部荷載，然后將計算內力導入理正結構工具箱設計軟件連續梁模塊中進行分析計算。

調蓄池底板反向受壓時，采取同樣的方法將底板劃分板帶，同時以800mm×800mm寬框架柱為支承的多跨連續梁，不考慮調蓄池框架柱的豎向位移，將底板受凈水浮力作為連續梁的荷載計算。

4.2 無梁樓蓋法

調蓄池底板正向受壓時，將底板簡化成以直徑1000mm灌注樁為支承的無梁樓蓋，不考慮板底地基反力、灌注樁沉降變形、調蓄池上部結構剛度等因素，將底板上內水壓力、上部結構自重及覆土重作為無梁樓蓋上部荷載。

首先采用盈建科建筑結構YJKS(1.8.1)上部結構模塊計算上部荷載，然后將計算內力導入盈建科建筑結構YJKS(1.8.1)無梁樓蓋模塊，計算方法采用有限元分析法，同時考慮梁彈性變形，樓板采用彈性板6，板有限元網格控制邊長為1.0m，彈性板荷載導荷采用有限元計算法。

調蓄池底板反向受壓時，將底板簡化成以800mm×800mm寬框架柱為支承的倒無梁樓蓋，凈水浮力作為倒無梁樓蓋上部荷載，同樣采用YJKS(1.8.1)無梁樓蓋模塊，有限元分析法計算樁筏底板受力。

4.3 彈性地基梁板模型法

調蓄池底板正向受壓時，底板自重及上部荷載由灌注樁和樁間土共同承擔，灌注樁簡化為一定剛度樁彈簧，灌注樁樁體剛度按照上述說明計算所得，樁間土簡化為土彈簧，通過彈簧不同豎向剛度模擬灌注樁和樁間土共同對筏板的作用。彈性地基梁板模型法主要采用結構空間有限元軟件PKPM(V3.1)SATWE和JCCAD模塊進行計算分析。

通過結構空間有限元軟件PKPM(V3.1)JCCAD模塊進行樁筏底板計算，筏板計算網格劃分依據為構件網格線及樁位，有限元網格控制邊長為1m。

5 計算結果分析

5.1 剛性板法

根據結構空間有限元軟件PKPM(V3.1)SATWE模塊和理正結構工具箱設計軟件連續梁模塊，計算出底板正向和反向受力時的簡化連續梁的彎矩如圖2和圖3所示。

圖2 剛性板法正向受壓時底板(柱下板帶)彎矩圖

圖3 剛性板法反向受壓時底板(柱下板帶)彎矩圖

5.2 無梁樓蓋法

根據盈建科建筑結構YJKS(1.8.1)無梁樓蓋模塊，計算出調蓄池底板正向和反向受力時，底板的彎矩，通過板帶彎矩積分結果，查詢到底板的最大彎矩值。彎矩云圖如圖4～7所示。

圖4 底板正向受力Mxx彎矩云圖(kN·m/m)

圖5 底板正向受力Myy彎矩云圖(kN·m/m)

圖6 底板反向受力Mxx彎矩云圖(kN·m/m)

圖7 底板反向受力Myy彎矩云圖(kN·m/m)

根據彎矩云圖分析，無梁樓蓋柱帽處出現應力集中，在結構設計時應注意進行柱帽(樁基或者框架柱)處底板沖切驗算，以及適當加強柱帽處結構配筋。

5.3 彈性地基梁板模型法

根據PKPM(V3.1)SATWE和JCCAD模塊，計算出底板正向受力時，底板的彎矩、沉降量。具體見表2。

表2 計算結果對比表

注：表中為中間跨底板計算內力及配筋，邊跨底板未包含。

6 結語

(1)在超大型初雨調蓄池樁筏底板設計中，底板正向受壓時，當底板下樁間土質良好、土層變形模量較大時，底板由樁和樁間土共同支承。此時剛性板法未考慮板底地基反力、地基沉降變形等因素，且忽略了各板帶之間的變形協調、底板整體彎曲變形、上部結構剛度等影響，其計算結果與實際情況差別較大。無梁樓蓋法也未考慮板底地基反力、地基沉降變形、上部結構剛度等因素，但考慮了各板帶之間的變形協調、底板整體彎曲變形，其計算結果比剛性板法更接近實際情況。彈性地基梁板模型法考慮了底板下樁-土共同作用，考慮了樁基和樁間土變形因素，且考慮了底板變形協調問題、上部結構剛度的影響，其計算結果與實際情況比較吻合。當底板下樁間土質較差、土層變形模量較小、土質沉降大時，容易造成底板與土脫離。此時底板全部由樁基支承，剛性板法、無梁樓蓋法與實際受力情況更接近，故對于大型工程或復雜的基礎正向受壓時，應綜合三種計算方法，綜合取值。對于中、小型工程，底板受力情況簡單明確，剛性板法或無梁樓蓋法基本能夠滿足工程設計要求。

(2)在超大型初雨調蓄池樁筏底板設計中，底板反向受壓時，剛性板法忽略了各板帶之間的變形協調、底板整體彎曲變形等因素，其計算結果與實際情況差別較大；無梁樓蓋法考慮了各板帶之間的變形協調、底板整體彎曲變形，其計算結果比剛性板法更接近實際情況。故對于大型工程或復雜的基礎反向受壓時，應綜合兩種計算方法取值。

[1] 吉喬偉, 金靈志, 陳燁, 等. 矩形混凝土水池在結構設計中的優化處理[J]. 水利規劃與設計, 2014(01).

[2] 吳隆順. 大型地下雨水調蓄池結構空間受力設計[J]. 中國農村水利水電, 2013(01).

[3] 張毅. 軟弱地層的地下調蓄池優化設計[J]. 中國農村水利水電, 2014(02).

[4] 陳建文. 關于圓形鋼筋混凝土水池設計若干問題的探討[J]. 工程建設與設計, 2009(11).

[5] 徐珂, 田立強. 地下單層無梁樓蓋結構設計與計算分析[J]. 建筑結構, 2009(02).

[6] 袁泉, 朱春明. PKPM軟件地基基礎設計入門[M]. 北京: 中國建筑工業出版社, 2009.

[7] 劉純康. 樁的豎向剛度計算方法[J]. 建筑結構, 1996(12).

[8] 槐以高, 閻鼎熠, 楊國剛. 樁筏作用下樁間土承擔荷載ANSYS分析[J]. 山西建筑, 2007(16).

[9] 曹志杰. 大型矩形水池底板計算模式選擇[J]. 特種結構, 2006(01).

[10] 王志鵬, 周思. 彈性地基上矩形水池底板的計算分析[J]. 吉林水利, 2015(06).