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(xiàng)目中，池類結(jié)構(gòu)是最重要的構(gòu)筑物之一，如污水處理池、原水池、循環(huán)水站、消防應(yīng)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(shè)計(jì)的重要依據(jù)，地下水池抗浮設(shè)計(jì)中往往只考慮正常使用極限狀態(tài)，對(duì)施工過程和施工完成后的地下水位變化重視不足，因而會(huì)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(gè)典型的工程實(shí)例，分析某消防水池由于抗浮設(shè)計(jì)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(yīng)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中在水池東西向和南北向居中各設(shè)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(jié)構(gòu)，厚度為180 mm，水池底板、壁板、梁柱及頂板混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30，水池的抗?jié)B等級(jí)為S6，抗凍等級(jí)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(zhì)黏土，承載力設(shè)計(jì)值為240 kPa。水池的±0.000相對(duì)絕對(duì)標(biāo)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(shè)防烈度為6度。

該水池在8月初進(jìn)行基坑開挖，開挖時(shí)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(duì)四周進(jìn)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(dá)到4 mm，但分布比較有規(guī)則性。

2 水池變形原因分析

針對(duì)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(shè)計(jì)院共同討論并分析，發(fā)現(xiàn)存在以下幾個(gè)問題：①該消防應(yīng)急水池由于埋地消防管的標(biāo)高要求，水池頂部設(shè)計(jì)標(biāo)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(shè)計(jì)按照詳勘報(bào)告進(jìn)行水池抗浮設(shè)計(jì)，在實(shí)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(shí)大量抽取地下水，導(dǎo)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(shè)計(jì)要求在頂板上覆土；④設(shè)計(jì)圖紙中要求基坑回填土應(yīng)用非凍脹性砂土，且應(yīng)分層夯實(shí)，分層厚度≤300 mm，壓實(shí)系數(shù)≥0.94。但現(xiàn)場施工中水池四周的回填土沒有按設(shè)計(jì)要求夯實(shí)。

從設(shè)計(jì)角度來看，根據(jù)《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)[2]第 8.1.1條規(guī)定，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。該消防應(yīng)急水池內(nèi)部設(shè)有支柱支撐結(jié)構(gòu)，在施工期間地下水位急劇變化時(shí)，其浮力分布極其不均勻，可能導(dǎo)致部分單獨(dú)的支柱支撐產(chǎn)生軸向位移，產(chǎn)生的不平衡軸力造成底板和頂板開裂。

地下水對(duì)水池的總浮力相當(dāng)于水池所排出相同體積的地下水質(zhì)量，一般情況下可按式(1)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)值，kN；γw為地下水的質(zhì)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(jié)構(gòu)的整體抗浮穩(wěn)定性應(yīng)滿足式(2)要求：

(2)

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

根據(jù)實(shí)際的地下水位，經(jīng)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)要求。

局部抗浮設(shè)計(jì)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(shí)，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(xiǎn)，局部抗浮的計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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(nèi)局部區(qū)格或局部單元取1.15。

經(jīng)設(shè)計(jì)院計(jì)算結(jié)構(gòu)，該水池局部單元面積上的抗浮力標(biāo)準(zhǔn)值為627.5 kN，局部單元面積上的浮力標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)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(dǎo)致該水池中部向上隆起。由于沒有及時(shí)觀測到水池的急劇變化，造成發(fā)現(xiàn)水池變形時(shí)中部就已經(jīng)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(shí)封閉，結(jié)構(gòu)性的裂縫采用環(huán)氧類防水材料灌實(shí)封閉；底板上的素混凝土裂縫采用熱瀝青灌實(shí)封閉。裂縫灌實(shí)封閉后，向水池內(nèi)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(dāng)時(shí)室外平均氣溫在零下20 ℃左右，水池內(nèi)氣溫平均在零下10 ℃左右，充水后水池內(nèi)水會(huì)結(jié)冰，水結(jié)冰過程對(duì)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(shè)計(jì)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(tái)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(duì)水池的浮力減小，此方案簡單易行。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況綜合考慮，采用方案3進(jìn)行處理，在水池中部底板上鉆4個(gè)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(jīng)對(duì)水池頂板的相對(duì)標(biāo)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(shí)候達(dá)到穩(wěn)定，水池中部的頂標(biāo)高基本恢復(fù)到原設(shè)計(jì)標(biāo)高。

水池趨向穩(wěn)定后，為滿足水池的局部抗浮不足，對(duì)水池采取結(jié)構(gòu)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(qiáng)度等級(jí)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(yīng)將底板已鑿開的孔洞進(jìn)行封堵)，水池底板增加面層見圖1。其次，將消防應(yīng)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(jīng)結(jié)構(gòu)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(jié)語

處理后的消防應(yīng)急水池的變形基本恢復(fù)到原設(shè)計(jì)標(biāo)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(jīng)驗(yàn)。而在實(shí)際施工和生產(chǎn)過程中地下水池由于抗浮設(shè)計(jì)不足而引起的工程事故時(shí)有發(fā)生，此類事故應(yīng)引起廣大設(shè)計(jì)及施工人員的共同關(guān)注，在事故發(fā)生初期，如立即采取切實(shí)可靠的工程技術(shù)措施，應(yīng)可確保地下水池的抗浮穩(wěn)定性和正常使用性。