某消防水池變形原因分析及處理措施

(1.中國五環(huán)工程有限公司，湖北 武漢 430223；2.武漢市工程咨詢部，湖北 武漢 430014)

在石油化工項目中，池類結構是最重要的構筑物之一，如污水處理池、原水池、循環(huán)水站、消防應急水池、沉淀池及各類地下槽等。在地下水位較高的地區(qū)，如果水池的整體或局部抗浮不足，水池很容易發(fā)生被頂起或傾覆的破壞事故。地下水位及其變化幅度是地下水池抗浮設計的重要依據(jù)，地下水池抗浮設計中往往只考慮正常使用極限狀態(tài)，對施工過程和施工完成后的地下水位變化重視不足，因而會造成施工完成后，由于抗浮不夠出現(xiàn)局部破壞[1]。筆者根據(jù)一個典型的工程實例，分析某消防水池由于抗浮設計不足而引起水池的變形原因及處理措施。

1 工程概況

某工廠的消防應急水池為埋入式大型地下水池，水池長為60 m，寬為45 m，高度為5 m，柱網(wǎng)尺寸為5 m×5 m，柱截面大小為400 mm×400 mm，頂板上覆土厚度為0.3 m。結構設計中在水池東西向和南北向居中各設置一條寬度為30 mm的伸縮縫，水池底板厚度為400 mm，壁板厚度為350 mm，頂板采用梁板式結構，厚度為180 mm，水池底板、壁板、梁柱及頂板混凝土強度等級為C30，水池的抗?jié)B等級為S6，抗凍等級為F200。水池從西到東后澆1%坡度的C10素混凝土找平層(西端找平層高度為450 mm，東端為0)。水池場地地基土為粉質黏土，承載力設計值為240 kPa。水池的±0.000相對絕對標高為60.28 m，地下水罕遇水位高度為58.00 m。該工程場地土類別為Ⅱ類，抗震設防烈度為6度。

該水池在8月初進行基坑開挖，開挖時基坑滲水，采用排水措施排除地下水，使水池四周地下水位下降，9月底水池施工完成并對四周進行回填。在12月中旬發(fā)現(xiàn)水池頂板向上隆起，水池中部向上拱起490 mm，連續(xù)4天每天以10 mm的速度向上隆起，水池南北向伸縮縫寬度由30 mm變?yōu)?50 mm，水池底板南北向中部向上拱起，柱腳周圍的底板出現(xiàn)斜裂縫，80%的混凝土柱(共108根柱)根部出現(xiàn)水平裂縫，裂縫最寬達到4 mm，但分布比較有規(guī)則性。

2 水池變形原因分析

針對出現(xiàn)的工程問題，業(yè)主組織施工單位、監(jiān)理單位、勘察單位及設計院共同討論并分析，發(fā)現(xiàn)存在以下幾個問題：①該消防應急水池由于埋地消防管的標高要求，水池頂部設計標高與四周道路有7 m的高差，在詳勘階段，該處并未發(fā)現(xiàn)地下水，設計按照詳勘報告進行水池抗浮設計，在實際施工過程中發(fā)現(xiàn)該區(qū)域含地下水；②在基坑開挖時大量抽取地下水，導致地下水位下降，施工完成后地下水位急劇上升；③水池施工完成后未按設計要求在頂板上覆土；④設計圖紙中要求基坑回填土應用非凍脹性砂土，且應分層夯實，分層厚度≤300 mm，壓實系數(shù)≥0.94。但現(xiàn)場施工中水池四周的回填土沒有按設計要求夯實。

從設計角度來看，根據(jù)《石油化工鋼筋混凝土水池結構設計規(guī)范》(SH/T 3132—2013)[2]第 8.1.1條規(guī)定，當?shù)叵率郊鞍氲叵率剿爻惺艿叵滤×r，應進行水池結構的整體抗浮穩(wěn)定驗算；當水池內設有立柱、隔墻等支撐結構時，還應驗算其支撐區(qū)域內的局部抗浮穩(wěn)定性。該消防應急水池內部設有支柱支撐結構，在施工期間地下水位急劇變化時，其浮力分布極其不均勻，可能導致部分單獨的支柱支撐產生軸向位移，產生的不平衡軸力造成底板和頂板開裂。

地下水對水池的總浮力相當于水池所排出相同體積的地下水質量，一般情況下可按式(1)計算。

Qf=γwHdA

(1)

式中，Qf為地下水作用于水池底板底面上的浮力標準值，kN；γw為地下水的質度，取γw=10 kN/m3；Hd為最高地下水位距水池底板底面的距離，m；A為水池底板底面的面積，m2。

水池結構的整體抗浮穩(wěn)定性應滿足式(2)要求：

(2)

式中，Gk為水池的整體抗浮力標準值，包括水池結構總自重及其上作用的永久荷載標準值(壓重)的總和，不包括活荷載，kN；KS為水池結構整體抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)(取1.05)。

根據(jù)實際的地下水位，經計算水池的總自重為69 082.5 kN，墊層自重為7 258 kN，覆土重為21 360 kN，水池的整體抗浮力標準值97 700.5 kN，總浮力為86 548 kN，水池整體抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)為1.13，故該水池的整體抗浮滿足規(guī)范規(guī)定的抗浮設計要求。

局部抗浮設計僅用于有支柱的封閉水池，若整體抗浮得到滿足，而總抗浮力分布均勻，且通過池壁所傳遞的抗浮力所占的比例過大時，池底浮力將使支柱發(fā)生向上的位移，從而造成底板及頂板破壞。只有通過柱子及板底傳遞的底面單位面積的抗浮力和底面單位面積浮力得以平衡，即局部抗浮得到滿足，才能避免這種危險，局部抗浮的計算式如下：

(3)

式中，Gn為局部區(qū)格或局部單元面積上抗浮力的標準值，kN；An為局部區(qū)格或局部單元承受地下水浮力的面積，m2；Ksn為局部抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)，根據(jù)規(guī)范表格池內局部區(qū)格或局部單元取1.15。

經設計院計算結構，該水池局部單元面積上的抗浮力標準值為627.5 kN，局部單元面積上的浮力標準值為780 kN，局部抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)為0.8，故該水池的局部抗浮不滿足設計要求。

綜上所述，由于地下水位上升，造成水池的局部抗浮不足，導致該水池中部向上隆起。由于沒有及時觀測到水池的急劇變化，造成發(fā)現(xiàn)水池變形時中部就已經隆起490 mm。

3 事故處理措施

根據(jù)現(xiàn)場水池的變形情況，做出如下幾種方案。

(1)方案1：水池所有裂縫現(xiàn)場均要灌實封閉，結構性的裂縫采用環(huán)氧類防水材料灌實封閉；底板上的素混凝土裂縫采用熱瀝青灌實封閉。裂縫灌實封閉后，向水池內注水，按2 m高水位考慮充水。充水約2 700 m3，通過充水來增加水池的抗浮能力，但當時室外平均氣溫在零下20 ℃左右，水池內氣溫平均在零下10 ℃左右，充水后水池內水會結冰，水結冰過程對已開裂的混凝土柱可能造成更大的損傷，故取消此方案。

(2)方案2：在水池頂板上覆土，通過增加壓重，提高水池的整體抗浮能力，由于設計頂板的承受荷載有限，覆土高度提高有限，故取消此方案。

(3)方案3：在水池底板沿南北伸縮縫邊鉆孔，排除地下水，安排2臺潛水泵抽出排到積水坑的水，將池外地下水位降低，使地下水對水池的浮力減小，此方案簡單易行。

根據(jù)現(xiàn)場實際情況綜合考慮，采用方案3進行處理，在水池中部底板上鉆4個直徑為30 mm的孔，使其自由排水，第1天的水頭高度為1.3 m，水量很大，第2天的水頭高度為0.8 m，水量明顯減少，第3天后，基本沒有水頭，排水孔只是向外冒水。經對水池頂板的相對標高測量，3天之后，水池頂部下降了420 mm，第4天以后水池下降速度明顯放緩，以每天5 mm左右的速度下降，在第7天的時候達到穩(wěn)定，水池中部的頂標高基本恢復到原設計標高。

水池趨向穩(wěn)定后，為滿足水池的局部抗浮不足，對水池采取結構加固措施，首先，在滿足工藝使用條件下，將原池底板上的C10素混凝土找坡面層統(tǒng)一加厚為700 mm(總厚度)的素混凝土面層，新增素混凝土強度等級為C15，按原圖5 m×5 m方格分縫(在施工700 mm厚素混凝土面層前應將底板已鑿開的孔洞進行封堵)，水池底板增加面層見圖1。其次，將消防應急水池的底板伸縮縫取消，增加縱橫兩道1 000 mm×700 mm的暗梁，水池伸縮縫暗梁配筋示見圖2。

圖1 水池底板增加面層示意

經結構加固后的水池能滿足整體及局部抗浮穩(wěn)定性要求。

圖2 水池底板伸縮縫增加暗梁模板配筋注：圖中虛線表示原有鋼筋

4 結語

處理后的消防應急水池的變形基本恢復到原設計標高，沒有繼續(xù)發(fā)展，證明此處理方案是成功的，該方案為處理該類水池事故提供了寶貴的經驗。而在實際施工和生產過程中地下水池由于抗浮設計不足而引起的工程事故時有發(fā)生，此類事故應引起廣大設計及施工人員的共同關注，在事故發(fā)生初期，如立即采取切實可靠的工程技術措施，應可確保地下水池的抗浮穩(wěn)定性和正常使用性。