淺談水池構筑物的結構設計分析

摘 要：本文針對水池構筑物的結構設計進行了分析研究，介紹水池構筑物的常見類型和應用領域，探討水池構筑物的結構設計原理，包括材料選擇、結構形式、受力分析等方面，并分析鋼筋混凝土水池結構設計要點。

關鍵詞：水池構筑物；結構設計；材料選擇；結構形式文章編號：2095-4085（2024）08-0076-03

0 前言

水池是市政及水利工程中重要的構筑物之一，在信息化時代背景下，人們對水資源的需求持續增加，水池規模和功能進一步擴大，傳統水池構筑物采用土石堰壩、混凝土壩體進行建造，這些構筑物在滿足基本要求的同時，也存在各種問題，如施工周期長、造價高、維護困難等。近年來，隨著計算機技術和模擬軟件快速發展，水池構筑物結構設計分析方法得到有效改進，通過數值模擬和結構優化等手段，能準確計算出構筑物的受力和變形，為工程設計提供科學依據。同時，借鑒其他行業的先進技術，有助于提高水池構筑物的設計水平［1］。

1 水池構筑物結構形式和特點

水池構筑物是一種人工建造的水體容器，用于儲存水資源或進行污水處理設計，能以不同的結構形式出現，每種形式都有其獨特的特點。水池結構在工業建筑中應用廣泛，如濃縮池、沉淀池等；在民用建筑中也是必要的附屬設施，如消防水池等。根據其用途和場地條件常見水池結構形式主要包括地下水池、半地下水池和地面水池。地下水池常用在儲存大量的水資源，如城市供水系統中的蓄水池；地面水池和半地下水池則在污水廠中得到廣泛的應用。不同水池結構形式也有各自的優點：地下水池由于位于地下，具有較好的保溫性能，不易受外界溫度影響，可以有效的減小溫度產生的應力；地面水池可根據需要進行各種形狀和尺寸進行設計，如圓形、方形、長形等。同時，地面水池還可以與周圍的景觀相結合，增添美感和觀賞價值。此外，水池構筑物的結構形式還要考慮其承載能力和防水性能，鋼筋混凝土水池通常具備良好的防水性能，能有效防止水體滲漏，同時具備較強的承載能力從而承受水體的重量和外界的壓力。

2 常見鋼筋混凝土敞口水池結構設計流程

2.1 確定結構方案

當地基條件為軟弱土或有地下水時，應為整體式底板。

直壁式壁板的高度一般控制在7m左右，如高出此值，可采用扶壁式壁板或預應力混凝土結構。

敞口池的平面尺寸較大且超過規范要求時，應設置適應溫度變化作用的伸縮縫；若采用后澆帶或在混凝土中摻加外加劑，可根據設計經驗將伸縮縫長度適當加長；也可考慮采用預應力混凝土。

敞口水池可以是地下式、半地下室、地面式。對露天水池，應考慮溫（濕）差作用或保溫措施。敞口水池上端可以是自由的，也可以利用走道板作為池壁上部的支承，此時池壁上部的支承條件應根據走道板的橫向剛度計算確定，走道板的厚度不宜小于20cm。

2.2 設計基礎資料

（1）工程地質勘察報告。

（2）水工藝條件。

（3）相關水文及氣象資料。

2.3 水池結構設計主要包括的內容和步驟

（1）確定設計要求。根據水池的工藝用途、規模和所處環境等條件，確定水池的設計要求，包括容積、深度、形狀、結構材料等方面的要求。

（2）水池荷載計算及其組合。

（3）地基承載力及變形驗算，地基反力計算。

（4）水池結構截面強度計算。根據水池的截面尺寸和結構材料，計算結構在水壓力和土壓力等荷載作用下的強度。根據結構力學原理，計算出結構的抗彎強度、抗剪強度等參數。

（5）水池構件變形驗算，通過控制裂縫，來滿足水池的使用需求。

（6）結構穩定性計算。水池的結構穩定性是指在荷載作用下，結構是否能夠保持平衡和穩定，需要進行結構的穩定性計算，包括抗浮、抗滑移、抗傾覆等方面的計算。

（7）根據計算結果，進行結構的施工圖設計，包括梁、板、柱、墻、基礎等部位進行施工圖繪制，同時對各個構件的布置、連接方式等方面進行細化設計。

3 水池結構主要作用荷載及計算

3.1 作用類型

在水池的設計和施工過程中，需要考慮到各種不同類型的作用，包括永久作用、可變作用、偶然作用，這些作用對水池結構有著重要影響。永久作用是指在水池使用壽命內，始終存在且不會改變的作用，典型的永久作用包括結構自重、土壓力、水壓力等。可變作用主要包括地面堆載、水池活荷載、地下水壓力、雪荷載、溫（濕）度變化作用等。偶然作用是指在結構設計使用年限內不一定出現，而一旦出現其量值很大，且持續時間很短的荷載，如如爆炸、撞擊等［2］。

（1）內水壓力。儲水是水池最基礎的功能。當水池中儲存有水資源時，會給壁板產生水壓力，這時水壓力作用在水池池壁側面，形成三角形荷載，水位如果一直變動幅度較小，水壓力能根據永久作用進行計算。

（2）土側壓力。作用在水池上側向的土壓力標準值，對水池位于地下水以上的部分可按朗金公式計算主動土壓力，地下水以上的重力密度可按18kN/m3采用，對水池位于地下水以下部分的側壓力，應為主動土壓力與地下水靜壓力之和，此時土的重力密度應按容重計算，可按10kN/m3采用。

3.2 水池結構的計算

鋼筋混凝土水池結構的計算與一般混凝土結構相似，采用基于概率理論的極限狀態設計方法來衡量結構構件的可靠性。根據規范要求，承載能力極限狀態和按正常使用極限狀態這兩種極限狀態都需要進行結構計算，并滿足相應的要求。各種類別、形式的水池結構構件，均應按承載能力極限狀態計算和按正常使用極限狀態驗算。

承載力極限狀態。在結構強度計算中，我們采用分項系數設計表達式，包括強度計算和穩定驗算兩個部分。強度計算考慮了結構的承載能力，并按照規范的要求進行計算。穩定驗算則是為了確保結構在受力情況下的穩定性，使用穩定性系數來進行設計。在計算強度時，要滿足以下公式的要求：

γ0S≤R

公式中： Y0表示結構的重要性系數；S表示作用效應組合設計值；R表示結構構件抗力設計值。

正常使用極限狀態。水池結構構件按正常使用極限狀態設計時，應分別按作用效應的標準組合或準永久組合進行驗算。結構構件的變形、抗裂度和裂縫寬度計算值應滿足相應的規定限值。

4 鋼筋混凝土水池結構設計的要點

（1）鋼筋混凝土水池的結構內力分析計算時，首先應選擇與實際相符的計算模型、邊界條件，才能保證設計結果的準確性和可靠性。壁板的邊界條件一般可分為：三邊支承一邊自由或四邊支承。水池構筑物還應按工程所在位置的設防烈度進行抗震承載力驗算，滿足對應的抗震構筑措施要求，確保在地震作用下水池的安全。

（2）當抗浮水位高于水池構筑物底板標高時，還應進行水池的抗浮穩定性驗算，應分別計算水池的整體抗浮和局部抗浮。若整體抗浮驗算不通過，可采取增加配重（池頂覆土、 底板壓重等）或抗浮錨樁等措施來解決；若局部抗浮不滿足，可增加底板厚度、配筋等措施。對地下水池還應注意避免基坑開挖后，由地表水和大氣降水匯入基坑形成“盆池效應”，施工時應作好場地截排水及地表封閉，并作好基坑降、抽排水措施，水池施工完成后，基坑回填應采用不透水的粘土或灰土［3］。

（3）對地面水池，溫、濕度作用的計算不可忽視，不滿足規范有關變形縫構造要求的露天水池池壁，設計時應計算溫、濕度變化對壁板中面的作用。

（4）鋼筋混凝土水池構筑物還應注意加強構造措施。第一，按規范要求布置后澆帶或伸縮縫、受力鋼筋盡量采用小直徑、采用補償收縮混凝土等，可以有效控制由于溫度作用、混凝土收縮變形、基礎變形等因素產生的裂縫。第二，池壁拐角及池壁與頂、底板交界處設置45°腋角，腋角附加筋與受力筋直徑相同，間距宜為池壁受力筋間距的兩倍，可以增加連接處的抗裂性。第三，敞口水池頂端宜配置水平向加強鋼筋。水平向加強鋼筋內外兩側各不小于3根，間距不宜大于10cm，直徑不小于池壁受力鋼筋，且不宜小于16mm。

（5）在鋼筋混凝土水池結構設計中，防水非常重要，一旦發生滲漏，不僅會造成水資源的浪費，還可能對周圍環境和建筑物產生不良影響。水池設計要根據工程情況和規范要求確定防水等級和防水做法。水池構筑物池體防水應采用結構防水混凝土加外設防水層的構造防水，防水混凝土的抗滲等級應由設計確定。常見外防水方式主要包括防水卷材、防水涂料、水泥基防水材料等。而水池作為一種長期使用的構筑物，其結構設計需要考慮到其使用壽命和維護性。在設計時，要選擇耐久性好、抗腐蝕能力強的材料，才能延長水池的使用壽命；合理設置檢修孔、清潔孔等，方便日常維護和保養［4］。

（6）在鋼筋混凝土水池結構設計中，荷載取值是非常重要的部分，其直接關系到水池的安全性和經濟性。水壓力是由儲存在水池中的水體對池壁和底板產生的壓力，水壓力大小取決于水位的高低和水密度。在設計水池的結構時，設計人員要根據水池所處的環境條件和使用需求，合理確定水壓力的大小。水壓力取值偏小容易造成水池結構強度不夠，水壓力取值過大則難以保證經濟性。同時設計水池結構時還應考慮偶然作用對水池結構的影響，偶然作用是指在水池使用過程中可能發生但概率較低的作用，常見偶然作用包括沖擊荷載和壓力荷載等。沖擊荷載是指由于事故原因引起的突然沖擊力，需要考慮在設計中，設計人員要進行適當的安全評估和預防措施。因此，在水池的結構設計中，需要考慮偶然作用的大小和方向，采取相應的抗震措施，如設置加固筋、增加水池整體剛度，以確保水池結構在偶然作用下不會發生破壞。另外，溫度變化會導致水池結構材料的膨脹和收縮，進而引起應力和變形。特別是在寒冷的氣候條件下，水池結構容易受到凍融循環的影響，導致結構的破壞。因此，在水池的結構設計中，需要考慮溫度荷載的大小和變化范圍，選擇合適的材料和結構形式，從而提高水池的抗溫性能，確保其長期穩定運行［5］。

（7）水池是儲存水資源的重要設施，其構筑物的結構設計至關重要。水池的構筑物通常采用鋼筋混凝土材料，鋼筋混凝土具有較強的強度特性。在設計水池結構時，設計人員要充分考慮材料的強度參數，如混凝土抗壓強度、抗拉強度、鋼筋屈服強度等。根據材料的強度特性，合理選擇截面尺寸和配筋率，確保水池構筑物在正常工作狀態下具有足夠的強度和剛度。此外，水池構筑物在受力過程中可能會發生不同形式的破壞，如彎曲、剪切、壓碎等，在確定水池截面時，充分考慮水池構筑物的強度和穩定性，確保水池的結構穩定性。

5 總結

綜上所述，水池構筑物的結構設計是一個復雜而關鍵的工程問題。經過對現有研究和實踐經驗的分析研究。發現水池構筑物的結構設計是綜合性的問題，通過合理選擇材料、進行力學計算和分析、考慮施工和維護的可行性，并兼顧經濟性和可持續發展的要求，才能實現水池構筑物的結構設計的實用性，這對于確保水池安全運行具有重要意義。

參考文獻：

［1］李剛，張芬芬，夏雷.給排水工程中水池構筑物結構設計要點分析［J］.居業，2023（5）：79-81.

［2］張耀文.給排水工程中水池構筑物結構設計要點分析［J］.電腦愛好者（普及版），2023（10）：133-135.

［3］楊樂，李寧.污水廠構筑物水池結構設計、施工的優化分析［J］.科海故事博覽，2023（13）：106-108.

［4］張琪.已建污水處理廠綠色節能改造結構設計分析［J］.安徽建筑，2022，29（3）：74-76.

［5］馬梓涵，王強.水池技術改造工程中池壁洞口改造加固設計與分析［J］.工程建設與設計，2023（5）：44-47.