水池結構的設計要點探討

陳 璐

北京朗新明環保科技有限公司南京分公司

1 引言

水池是工業建筑與民用建筑中十分常見的構筑物。近年來隨著工藝設備的不斷改進，水池結構的建造標準也在相應提高，水池功能由最開始簡單的儲水要求，逐漸向水處理功能擴展，復雜的水池比如絮凝沉淀池、V 型濾池等，不僅工藝繁復、池體龐大，且土建投資成本高，結構設計難度增加。水池結構設計的經濟性和耐久性對整個工程項目造價有重要意義。如何在保證工程質量的前提下，合理的優化設計方案，降低工程造價，為項目創造更大的經濟效益，這是本文的研究意義。

2 水池的選擇

水池結構應用廣泛，類型多種多樣。組成池體結構的三要素：頂板、池壁、底板。水池按照材質可分為：鋼筋混凝土水池、磚砌水池、鋼質水池等。按照形狀可分為：矩形水池與圓形水池等。按照埋深可分為：全地上、全地下、半地上。按照使用條件可分為：頂板式、敞口式。水池的容積由工藝專業根據設備參數確定，水池的選型由土建專業結合建筑場地、工藝要求、結構受力特點等綜合考量。實踐經驗表明，對貯水類水池，容積在3000m3以內時，圓形水池比矩形水池有更好的經濟效果，容積再大，則圓形水池直徑變大，池壁的環向拉力增加，勢必需要較大的壁厚[1]，而較大的壁厚易在圓形池壁上形成豎向貫通的裂縫。就場地適應性來說，矩形水池更為優秀，場地利用率高，節省空間，施工技術的復雜性低，尤其當多個水池組合或上部加蓋房屋的情況下，矩形水池更為理想。

3 水池的內力計算

水池的計算主要是指對池壁和底板的內力分析，頂板的計算一般是獨立分析的。不同的邊界約束假定和地基模型的選取，對水池的內力計算結果影響很大。對于敞口式水池和頂板為獨立預制板塊的水池，池壁的連接視為三邊固接頂端自由；對于封閉頂板式水池，池壁與頂板的連接視為鉸接，池壁與池壁的連接視為三邊固定。一般假定底板對池壁的支撐為固定支撐，設計底板厚度為池壁厚度的1.2～1.5倍，只有當底板外挑長度較小或底板較薄，而地基下存在軟弱土時，底板對池壁的支撐視為彈性固定。

水池計算荷載工況組合有：（1）池內無水，池外有土；（2）池內滿水，池外無土；（3）池內滿水，池外有土。一般情況下，工況組合1、2是兩種最不利的組合,計算需要注意。當地下水位高于水池底板標高時，水池應進行抗浮驗算，（池體自重+頂板覆土重+底板外挑覆土重）/地下水浮力≧1.05安全系數，及抗浮合格，如果不滿足安全系數，需采取抗浮措施，例如加厚壁板、增加底板外挑長度和錨固抗浮。水池的構造要求，敞口式水池池壁的頂端在溫差和地基變形的作用下是結構的薄弱點，此處宜設置閉合暗梁，梁高度不宜小于池壁厚度，內外兩側各配置不少于3C16的水平受力鋼筋，以加強頂端的強度，在池壁的轉角和內隔墻交接處宜設置暗柱，以加強水池整體強度和抗裂性能。

水池頂板的設計分為兩類，一類是梁板式，另一類是整板式。梁板式頂板適用于頂面面積較大的情況，有效降低頂板的厚度，尤其當頂板放置重型設備時，梁板式使結構受力更明確，手算和多種軟件均可復核，便于驗算。整板式頂板適用于頂面面積較小的情況，最大限度地保留水池有效空間，目前給排水手冊給出的計算方法是代框架法，手算比較復雜，可以參考理正工具箱軟件無梁樓蓋模塊簡化計算。頂板荷載主要有人行荷載、過車荷載、覆土深度和設備荷載，設計時選取相應的荷載值。

4 水池的地基處理

在水池的建設中，經常會遇到水池基礎下分布有全部或局部厚度不等的軟弱土層，其承載力和變形常常導致水池結構破裂損壞[2]。水池一般所需的地基承載力不高，主要考慮水池底板范圍內的土層不均勻沉降問題，如果采用剛性樁如預制樁或灌注樁，勢必會增加投資成本，針對軟弱地基土層建議采用換填強夯法或復合地基等處理形式，這些處理方法其共同特點是施工周期短，造價低，效果顯著。隨著國家對環保節能的政策推動，地基處理技術逐漸向綠色環保、節能減排的可持續發展方向發展，多種地基處理綜合使用將是一個典型趨勢。

換填強夯法是將基礎下的軟弱土層更換為壓縮性低的材料，強夯后作為新的地基持力層，置換后的基礎承載力大大提高并減少沉降量。地基規范要求換填層的厚度應根據置換軟弱土的深度以及下臥土層的承載力確定，厚度最小不少于0.5m，最深不大于3m。當換填層下仍有軟弱土層時，對換填層下層的填料應用木夯輕輕夯拍，不得使用重夯，以免導致下層土變為彈簧土，應待填至一定厚度后方可重夯。強夯的有效加固深度，應根據試夯報告或地區經驗來確定，在缺少參考值時，可參照表1進行預估,各土層夯實后的承載力可參照表2。墊層施工應分層夯實，夯實后采用靜載荷試驗檢驗換填層承載力。

表1 強夯的有效加固深度（m）

表2 夯實后的土層承載力

復合地基處理法是通過增強或置換部分土體形成豎向增強體，由天然地基土和豎向增強體共同承擔荷載的地基形式。與樁基的傳力不同，樁基的受力路徑上部荷載由承臺傳遞至樁,樁承擔全部荷載最終傳遞至持力土層，樁基設計時主要考慮的是樁；復合地基的受力路徑上部荷載始終由豎向增強體和地基土共同承擔，復合地基設計時主要考慮的是地基土。常用的處理方法是碎石樁、水泥攪拌樁、灰土緊密樁、CFG樁等，這種地基處理形式屬于柔性樁，樁體不與水池底板直接相連，通過中間設置褥墊層來分擔荷載，本質上說褥墊層是傳力層。由于復合地基的布樁原理成片分布，樁數較多，設計時考慮造價因素樁長不宜過長，同時需要計算單樁承載力特征值和復合地基承載力特征值，復合地基承載力應通過靜載荷試驗最終確定，對有黏結強度的復合地基增強體尚應進行單樁靜載荷試驗。

5 水池的抗滲與防腐

水池結構的主要功能是長期存儲液體，而混凝土材料由于固有的力學性能，抗拉強度低，正常工況下都是帶裂縫工作。裂縫的存在會引發水池滲水（如圖1 所示）、銹蝕鋼筋（如圖2 所示），這會大大降低水池壽命，尤其對于某些存儲酸堿腐蝕性強的水池，除了要求有較高的結構整體強度和抗滲性，還要求有良好的防腐蝕性。鋼筋混凝土水池多數情況下由裂縫控制計算配筋。水池裂縫應以預防為主，修補為輔，盡量在施工過程中嚴格控制。

圖1

圖2

針對新建水池，在設計和施工中時應考慮減少裂縫，可參考以下措施：①選擇適當的材料和骨料級配，嚴格控制水泥用量和水灰比，提高混凝土的水密性。②嚴控施工質量。在混凝土澆搗前，應先將基層和模板澆水濕透，澆搗過程應充分又避免過度，澆搗完成后，要及時進行養護，尤其加強早期養護，避免混凝土早期脫水，引起收縮裂縫，并適當延長混凝土的養護時間[3]。③混凝土中摻加添加劑，比如具有膨脹性能的抗裂防水劑、高強合成纖維。④設置變形縫或后澆帶。

針對已有裂縫的水池結構，可參考以下修復方法：①填充法，沿裂縫處將混凝土開鑿成U 型或V 型槽后先涂刷一層2mm厚的環氧基液，再向裂縫內填充并抹平修復材料，修復材料主要是環氧砂漿，此方法適用于水平寬大（＞5mm）、深度較淺、數量較少的裂縫。②灌漿法，用氣壓、液壓或電化學原理，把某些能固化的漿液注入裂縫中，漿液在孔隙內擴散、凝膠直至固化。漿液材料主要是環氧樹脂和甲基丙烯酸酯類材料。此方法對于細微和較寬裂縫均適用。③表面處理法，在裂縫表面填補環氧膠泥、水泥漿或在混凝土表面大面積涂刷油漆、瀝青等防腐材料，此方法適用于較小裂縫，寬度小于0.2mm的裂縫。④電化學沉積法，在電位差的作用下，使裂縫里生成沉積物，從而愈合裂縫，此方法主要應用于海洋環境中的混凝土結構[4]。

針對有強酸堿強腐蝕性的水質環境，可參考以下防護技術：①滲透型，原理是通過防護材料滲透入混凝土表面孔隙中，與混凝土起化學作用堵塞孔隙或自行聚合形成保護層，以隔絕外界水質。目前應該廣泛的是水泥基滲透結晶型和有機硅類涂料。②成膜型，原理是通過防護涂料自身在混凝土表面成膜進而隔絕外界水質侵入混凝土內部。市場上各種涂料種類繁多，工程中應根據水質的腐蝕性等級和防護層使用年限等因素綜合確定。用于酸性環境，宜選用聚氨酯、環氧等涂料；用于堿性環境，宜選用環氧涂料。涂料隨時間的推移會自然老化，需要定期翻新維護。③外貼塊材型，原理是通過在水池內壁外貼耐酸磚、花崗巖等防腐塊材以形成有效屏障隔絕外界水質。防腐塊材厚度不宜小于30mm,施工時需要注意塊材與塊材的勾縫處理，環氧膠泥填實。一般情況下，塊材的使用壽命比涂料久，費用略高。

6 結束語

水池結構經過長時間的使用其損耗速度會明顯高于其他建筑，為節約資源，應盡可能地保證水池結構的使用壽命，這就對水池設計賦予了更高的期望。水池設計最核心的部分是內力計算，是設計的靈魂。合理的配筋結果、堅實的地基基礎與適宜的抗滲防腐措施構成了一套完美的水池結構設計方案。設計者應縱觀全局，根據每個項目特點，把握設計要點再著手設計方案。希望通過本文的探討，可以為水池結構設計的合理性、經濟性提供參考價值。