鋼筋混凝土矩形水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總結(jié)

王慶

摘 要：設(shè)計(jì)鋼筋混凝土矩形水池結(jié)構(gòu)時(shí)，除應(yīng)滿足承載能力極限狀態(tài)計(jì)算和正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算外，尚應(yīng)滿足水池的一些基本設(shè)計(jì)規(guī)定和抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算，本文將對這些重要的基本設(shè)計(jì)規(guī)定、抗浮設(shè)計(jì)、防腐、防滲設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)。

關(guān)鍵字：鋼筋混凝土水池；基本設(shè)計(jì)規(guī)定；抗浮設(shè)計(jì)；防腐防滲

1 引言

鋼筋混凝土水池作為一種常見的特種結(jié)構(gòu)，廣泛地應(yīng)用于工業(yè)與民用建筑中的給水、排水及消防工程中。實(shí)際工程中因抗浮穩(wěn)定不滿足，未采取防腐防滲等措施而造成的工程事故時(shí)有發(fā)生，所以我們設(shè)計(jì)鋼筋混凝土矩形水池結(jié)構(gòu)時(shí)，不僅要關(guān)注承載能力極限狀態(tài)計(jì)算中強(qiáng)度計(jì)算和正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算中的裂縫驗(yàn)算，還要對水池抗浮、防腐蝕、防滲和其他一些基本設(shè)計(jì)規(guī)定足夠重視，從而達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)的目的。

2 水池的一些基本設(shè)計(jì)規(guī)定

2.1 水池的防水等級(jí)

水池防水等級(jí)及滲漏標(biāo)準(zhǔn)的劃分，可參照《地下工程防水技術(shù)規(guī)范》（GB50108-2008）的劃分方法。《石油化工鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SH/T 3132-2013）對于石油化工企業(yè)常用水池按其重要性、介質(zhì)腐蝕程度及防水要求給出了具體的防水等級(jí)，可直接選用即可，當(dāng)工藝有更高要求時(shí)按更高要求執(zhí)行。

2.2 水池的抗?jié)B等級(jí)

市政給水排水工程中，水池混凝土的抗?jié)B等級(jí)要求按最大作用水頭與混凝土厚度的比值確定。當(dāng)比值小于10時(shí)，應(yīng)采用S4；當(dāng)比值為10～30時(shí)應(yīng)采用S6；當(dāng)比值大于30時(shí)，應(yīng)采用S8；混凝土的抗?jié)B等級(jí)應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)確定。當(dāng)市政給排水工程中的水池混凝土的密實(shí)性滿足以上抗?jié)B要求時(shí)，一般不再作其他抗?jié)B處理。

石油化工項(xiàng)目中，水池混凝土的抗?jié)B等級(jí)按水池防水等級(jí)確定，當(dāng)水池防水等級(jí)為四級(jí)時(shí)，混凝土抗?jié)B等級(jí)為P6；當(dāng)水池防水等級(jí)為二、三級(jí)時(shí)，混凝土的抗?jié)B等級(jí)為P8。隨著目前施工水平、材料科學(xué)水平的提高，以及環(huán)境保護(hù)要求的提高，在進(jìn)行石油化工項(xiàng)目的水池設(shè)計(jì)時(shí)，如有防滲要求，除應(yīng)滿足《石油化工鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（SH/T 3132-2013）中對水池材料和構(gòu)造的要求外。尚應(yīng)滿足《石油化工工程防滲技術(shù)規(guī)范》的有關(guān)要求。

2.3 水池的抗凍等級(jí)

建于嚴(yán)寒和寒冷地區(qū)的外露水池宜設(shè)置外保溫設(shè)施，當(dāng)無保溫措施時(shí)，應(yīng)有抗凍等級(jí)要求。水池混凝土的抗凍等級(jí)按最冷月平均氣溫確定，當(dāng)最冷月平均氣溫在-3℃～-10℃時(shí)，混凝土抗凍等級(jí)采用F150；當(dāng)最冷月平均氣溫低于-10℃時(shí)，混凝土抗凍等級(jí)采用F200；當(dāng)工藝專業(yè)有更高要求時(shí)按更高要求執(zhí)行。

2.4 水池伸縮縫最大間距

當(dāng)大型矩形水池的長度、寬度較大時(shí)，應(yīng)設(shè)置適應(yīng)溫度變化作用的伸縮縫。伸縮縫間距應(yīng)按水池設(shè)計(jì)規(guī)范中的規(guī)定執(zhí)行。一般，對于市政工程中水池的伸縮縫最大間距可采用《給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程》中表6.2.1的規(guī)定；對于石油化工項(xiàng)目中水池的伸縮縫最大間距可采用《石油化工鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中表3.12的規(guī)定。當(dāng)普通混凝土水池設(shè)有后澆帶，或者補(bǔ)償混凝土水池設(shè)有膨脹加強(qiáng)帶時(shí)，伸縮縫的間距可根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)適當(dāng)增大，不受規(guī)范列表數(shù)值限制。

3 水池的抗浮設(shè)計(jì)

3.1 水池抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算

當(dāng)?shù)叵率郊鞍氲叵率剿爻惺艿叵滤×r(shí)，應(yīng)進(jìn)行水池結(jié)構(gòu)的整體抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算；當(dāng)水池內(nèi)設(shè)有立柱、隔墻等支撐結(jié)構(gòu)時(shí)，還應(yīng)驗(yàn)算其支撐區(qū)域內(nèi)的局部抗浮穩(wěn)定性。

水池結(jié)構(gòu)的整體抗浮穩(wěn)定性應(yīng)滿足下式要求：

[GkQf] [>][Ks]

[Qf]=[γW][Hd]A

[Qk]：水池整體抗浮力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；

[Qf]：作用于水池底板（或平衡層）底面上的浮力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；

[Ks]：整體抗浮穩(wěn)定性安全系數(shù)，不應(yīng)小于1.05；

[γW]：水的重度，kn/m3；

[Hd]：最高地下水位距水池底板（或平衡層）底面的距離，m；

A：水池底板（或平衡層）底面的面積m2；

設(shè)有中間立柱或隔墻等支撐構(gòu)件的水池，局部區(qū)隔或局部單元的抗浮穩(wěn)定性應(yīng)滿足下式要求：

[GnγWHdAn][≥] [Ksn]

[Gn]：局部區(qū)格或局部單元面積上抗浮力的標(biāo)準(zhǔn)值，kN；

[An]：作用于水池底板（或平衡層）底面上的浮力標(biāo)準(zhǔn)值，kN；

[Ksn]：整體抗浮穩(wěn)定性安全系數(shù)，不應(yīng)小于1.05；

需要注意的是計(jì)算抗浮力時(shí)，池內(nèi)貯水重、上部設(shè)備重、池內(nèi)物料重及池壁與土之間的摩擦力均不應(yīng)計(jì)入抗浮力作用。

當(dāng)水池的整體或局部抗浮穩(wěn)定不能滿足時(shí)，必須采取相應(yīng)措施滿足抗浮要求。

3.2 水池抗浮驗(yàn)算不滿足時(shí)采取的措施

當(dāng)建設(shè)場地水位較高，水池抗浮計(jì)算不滿足時(shí)，必須采取措施使其滿足抗浮要求。常見措施有：加大水池自重抗浮、增加壓重抗浮、增加配重抗浮、打抗拔樁或打錨桿抗浮等。

（1）加大水池自重抗浮，就是通過加大水池自重來滿足抗浮計(jì)算的一種方式，該方式適用于水池自重和水浮力差別不大的情況。比如通過加厚水池底板厚度或增加池壁厚度等均可增加水池自重，需要注意的是通過此種方式增大水池自重來滿足抗浮要求時(shí)會(huì)相應(yīng)增加混凝土量，但由于底板或者池壁厚度的增加，有時(shí)也可以適當(dāng)減小水池配筋，若水池原來設(shè)計(jì)的截面配筋較大，加大水池構(gòu)件截面尺寸不僅可以滿足抗浮要求還能適當(dāng)降低截面配筋，因增加水池構(gòu)件厚度，其造價(jià)增加的幅度并不很大，所以此時(shí)采用這種方式就比較合適。若水池原設(shè)計(jì)截面配筋就很小接近最小配筋率，此時(shí)若增大結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸雖然能滿足抗浮但增大截面后有可能使結(jié)構(gòu)構(gòu)件為滿足最小配筋率而增加鋼筋用量，使造價(jià)大幅提高，這時(shí)候就應(yīng)該考慮是否采用其他方式會(huì)更合理。但加大結(jié)構(gòu)件的截面，會(huì)提高結(jié)構(gòu)的整體剛度，對水池來說也是有利的。工程實(shí)踐證明，在自重與地下水浮力相差在10%以內(nèi)的情況下，采取增加結(jié)構(gòu)自重的抗浮措施具有較好的經(jīng)濟(jì)性。

（2）增加壓重抗浮常見措施有在水池頂板上增加覆土，加大水池底板外挑長度，在水池底板上附加素混凝土或漿砌毛石等。

在池頂板上增加覆土作為壓重滿足抗浮的同時(shí)會(huì)增加頂板和底板的結(jié)構(gòu)厚度和配筋，加之覆土的施工都會(huì)增加水池的造價(jià)，但如果水池頂板位于地面以上，可以利用池頂覆土種植花草將其打造成休閑花園，也可以將覆土頂硬化后將其修建成籃球場等運(yùn)動(dòng)場地供職工使用。

加大水池底板外挑長度會(huì)使更多回填土壓在水池上，從而滿足抗浮要求。該方法不會(huì)增加基坑深度但會(huì)增加基坑面積，當(dāng)外挑較大時(shí)也會(huì)對附近建筑物基礎(chǔ)及地下管線造成一定影響，同時(shí)還會(huì)增大水池底板的受力，所以該方式一般適用于中小型水池，對于平面尺寸較大的水池不宜采用。

在水池底板上澆筑素混凝土或漿砌毛石等會(huì)增加底板壓重，從而達(dá)到滿足抗浮的目的。但這種方法會(huì)增加基坑深度，加大池壁高度。水池埋深比較深時(shí)不宜再采用這種方式，否則會(huì)增加基坑支護(hù)費(fèi)用。

（3）增加配重抗浮是指在水池底板下增加配重混凝土并使之與底板可靠連接來滿足抗浮要求的一種方式。此方法和底板上增加壓重方式原理類似，但該方法不會(huì)增加池壁高度。所以一般情況下，此方法會(huì)比底板上增加壓重方式更經(jīng)濟(jì)些。需要注意的是底板與配重混凝土間應(yīng)可靠連接，可通過在配重混凝土內(nèi)設(shè)置拉結(jié)短筋與水池底板相連。同時(shí)配重混凝土強(qiáng)度等級(jí)也不應(yīng)低于C15。

（4）打抗拔樁或打錨桿抗浮都是通過樁或錨桿的抗拔力來抗浮。這種方法對體積較大的地下水池的抗浮效果相當(dāng)好，它不僅能滿足池體的整體抗浮，還能通過對抗拔樁或錨桿的合理布置，很好地解決大形水池的局部抗浮問題。

抗拔樁的抗拔力由樁體與樁周土的摩擦力產(chǎn)生，同時(shí)還應(yīng)驗(yàn)算樁身抗拉強(qiáng)度是否滿足，即應(yīng)取二者的較小值作為樁的抗拔力。一般情況下由樁體與樁周土的摩擦力控制。一般同體積樁體在樁徑越小時(shí)樁體與樁周土的接觸面積越大，摩擦力也越大。實(shí)際工程中抗拔樁一般宜選用樁徑較小，單樁抗拔力相對較小的樁進(jìn)行密布?？拱螛兜臉堕L宜盡量控制在單節(jié)樁的長度范圍內(nèi)，這樣可以減少接樁費(fèi)用，也避免由于接樁不牢而造成抗拔力損失。由于樁端承載力對抗拔力無幫助，所以抗拔樁樁端一般無需打入硬持力層。

錨桿抗浮分為巖石錨桿和土層錨桿二種。巖石錨桿適用于水池底板直接座落于基巖上的情況，由于錨桿直接插入基巖灌漿，巖石錨桿的抗拔力較大。若水池底板在一般土層中則為土層錨桿，影響土層錨桿抗拔力的因素比較多，對設(shè)計(jì)和施工的要求也比較高。采用錨桿技術(shù)造價(jià)相對較低，同時(shí)錨桿的布置密度相比抗拔樁較密，對池底板的整體作用更接近于均布荷載，有利于底板的防滲裂。但錨桿施工具有一定的專業(yè)性，其漿液的配制及施工過程的技術(shù)控制對錨桿的抗拔效果有決定性作用，所以應(yīng)由專業(yè)隊(duì)伍施工。

與錨桿技術(shù)相比，抗拔樁較為常用，且施工方法屬于常規(guī)技術(shù)，易于控制質(zhì)量。

4 混凝土水池的防腐抗?jié)B設(shè)計(jì)

4.1 水池防腐設(shè)計(jì)

當(dāng)水池內(nèi)的介質(zhì)或池外地面以下土及地下水對混凝土及鋼筋有腐蝕作用時(shí)，應(yīng)按《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50046-2008）的有關(guān)規(guī)定或進(jìn)行專門試驗(yàn)確定并采取防腐措施。需要注意的是，水池內(nèi)腐蝕性介質(zhì)對建筑材料的腐蝕性等級(jí)的劃分是按常溫介質(zhì)劃定的，在溫度大于40攝氏度的介質(zhì)作用下各類介質(zhì)的腐蝕性會(huì)發(fā)生變化，有些腐蝕程度會(huì)提高，在實(shí)踐中，確實(shí)出現(xiàn)過溫度對防腐層產(chǎn)生破壞的工程實(shí)例。所以當(dāng)池內(nèi)介質(zhì)的溫度超過40攝氏度時(shí)，尚應(yīng)考慮溫度對防腐蝕材料的影響。

4.2 水池防滲設(shè)計(jì)

在石油化工項(xiàng)目污染防治區(qū)內(nèi)的水池應(yīng)進(jìn)行防滲設(shè)計(jì)。首先應(yīng)確定水池所在場地是一般污染防治區(qū)還是重點(diǎn)污染防治區(qū)。對于在一般污染防治區(qū)和重點(diǎn)污染防治區(qū)內(nèi)的水池其混凝土強(qiáng)度不宜低于C30，結(jié)構(gòu)厚度不應(yīng)小于250mm，混凝土抗?jié)B等級(jí)不應(yīng)低于P8。除此之外，對于在重點(diǎn)污染防治區(qū)內(nèi)的水池尚應(yīng)在水池的內(nèi)表面涂刷水泥基滲透結(jié)晶型或噴涂聚脲等防水涂料，或在混凝土內(nèi)摻加水泥基滲透結(jié)晶型防水劑。水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料厚度不應(yīng)小于1.0mm，噴涂聚脲防水涂料厚度不應(yīng)小于1.5mm。當(dāng)混凝土內(nèi)摻加水泥基滲透結(jié)晶型防水劑時(shí)，摻量宜為膠凝材料總量的1%～2%。需要注意水池蓄水試驗(yàn)應(yīng)在涂刷防水涂料之前進(jìn)行。

根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)抗?jié)B混凝土池壁和池底的厚度不大于250mm時(shí)，采用摻加水泥基滲透結(jié)晶型防水劑較為經(jīng)濟(jì)合理；當(dāng)抗?jié)B混凝土厚度大于250mm時(shí)，采用在普通抗?jié)B混凝土水池內(nèi)表面涂刷水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料較為經(jīng)濟(jì)合理。

噴涂聚脲屬于柔性防水涂料，當(dāng)水池尺寸大于20m和有防腐要求時(shí)，一般采用噴涂聚脲防水涂料。當(dāng)水池尺寸不大于20m時(shí)，一般采用水泥基滲透結(jié)晶型防水涂料。

5 結(jié)束語

綜上，進(jìn)行現(xiàn)澆鋼筋混凝土水池設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人應(yīng)考慮多方面因素。按水池基本設(shè)計(jì)規(guī)定正確確定設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行強(qiáng)度和裂縫計(jì)算的同時(shí)充分考慮抗浮、防腐、防滲等要求，最終使設(shè)計(jì)的鋼筋混凝土水池既安全又經(jīng)濟(jì)。

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