礦山圓形鋼筋混凝土蓄水池的設(shè)計與研究

張國勝，陳彥亭，劉克昭

（河北鋼鐵集團(tuán)礦業(yè)有限公司，河北 唐山 063000）

1 引言

礦山圓形鋼筋混凝土蓄水池的設(shè)計中既要滿足給排水工藝要求，還要兼顧安全、經(jīng)濟(jì)、實用的原則。在設(shè)計過程中要認(rèn)真分析所有細(xì)節(jié)，按照相關(guān)規(guī)范設(shè)計出符合要求的工程項目。

2 礦山圓形鋼筋混凝土蓄水池簡介

鋼筋混凝土材料蓄水池有抗?jié)B性優(yōu)異、后期維護(hù)費(fèi)用低、使用壽命長的特點，在各種水利工程項目中應(yīng)用廣泛。蓄水池的設(shè)計可以采用明露地面上或埋在地下 2種方式。對于明露地面的蓄水池，設(shè)計時要考慮極端寒冷天氣的抗凍設(shè)計。蓄水池的容量通常在 20～10000m3。

3 礦山圓形鋼筋混凝土蓄水池的設(shè)計

3.1 水池材料設(shè)計

蓄水池的鋼材應(yīng)按照 GB 50017—2014 《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》進(jìn)行選擇，混凝土鋼筋選用標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)執(zhí)行 GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》。

混凝土的抗?jié)B設(shè)計：抗?jié)B等級 P 是利用 28d 齡期的標(biāo)準(zhǔn)混凝土試件，執(zhí)行嚴(yán)格的試驗規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)檢測混凝土試件承受的靜水壓力的最大值來確定抗?jié)B等級。根據(jù)混凝土靜水壓力測試時能承受的最大壓力 ， 可以劃分成 0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa、1.2MPa5個級別，對應(yīng)靜水壓力值設(shè)置成P4、P6、P8、P10、P125 個抗?jié)B等級。對于礦山企業(yè)圓形蓄水池，需要選擇抗?jié)B等級大于 P6 的混凝土。選擇配置混凝土的骨料時，應(yīng)選擇含泥量低，質(zhì)地、級配滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，粗骨料的平均顆粒直徑小于 40mm 的骨料。

混凝土酸堿含量設(shè)計：蓄水池用混凝土在施工中應(yīng)按照工程需求添加合適的外加劑。成分采用粉煤灰和火山灰質(zhì)的硅酸鹽水泥，不能用早強(qiáng)劑作為抗凍劑。蓄水池中存儲介質(zhì)的pH 小于 6.0時，應(yīng)進(jìn)行防酸蝕防腐處理。蓄水池用混凝土的堿含量應(yīng)符合規(guī)范中標(biāo)準(zhǔn)值的限定。

3.2 水池荷載計算

從結(jié)構(gòu)方面分析，蓄水池需要承受的荷載主要包括：永久性荷載、可變荷載、隨機(jī)荷載。永久性荷載包括蓄水池及蓄水池附屬設(shè)備的自重、蓄水池的側(cè)向土壓力、覆土自重對蓄水池造成的壓力、蓄水池內(nèi)部介質(zhì)的壓力；可變荷載包括地下水或地表水產(chǎn)生的水壓力、側(cè)向壓力、水流壓力、水浮力、溫濕度差產(chǎn)生的應(yīng)力；隨機(jī)荷載指蓄水池使用周期內(nèi)發(fā)生的短暫的突變荷載，一般考慮負(fù)載較大，如重物從高處落下，重力勢能對蓄水池產(chǎn)生的沖擊等，這種情況要依據(jù)工程環(huán)境及模擬使用狀態(tài)對突變荷載進(jìn)行分析。

3.2.1 池頂荷載

封閉式蓄水池頂板部分的荷載包括永久荷載和可變荷載，可變荷載包括池上行人及堆放的臨時物品產(chǎn)生的荷載，一般取 1.5kN/m2。永久荷載包括頂板自重、防水層自重、覆土自重。頂板的自重按照設(shè)計尺寸和材料密度進(jìn)行重量計算確定。防水層一般較輕，計算重量忽略不計。覆土自重用覆土的厚度的土壤密度進(jìn)行計算，一般厚度設(shè)計在 0.2～0.8m。

3.2.2 池壁荷載

池壁是水池設(shè)計的關(guān)鍵部分，池壁荷載包括池壁自重、池內(nèi)水的側(cè)向壓力、池外土的側(cè)向壓力等。池壁的自重計算需要依據(jù)圖紙的尺寸和所用材料的密度進(jìn)行計算，池內(nèi)水的側(cè)方向水壓按照水池填滿水時的狀態(tài)進(jìn)行計算。池壁側(cè)填土的側(cè)向壓力按照主動土壓力計算，土的參數(shù)根據(jù)勘察數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值取用。

3.2.3 池底板荷載

池底板荷載包括池內(nèi)水自重、水池頂板和水池壁板的自重，以及底板的覆土荷載引起的基底反向作用力。利用極限思維分析，當(dāng)蓄水池底部沒有地下水時，蓄水池底部荷載主要來自基底反向作用力；當(dāng)蓄水池周邊存在地下水時，蓄水池底部荷載來自基底反向作用力和地下水的浮力，地下水的浮力作用使基底反力減少。

3.2.4 溫度與濕度荷載

濕度與溫度的動態(tài)變化容易引起物體體積的改變，在蓄水池的結(jié)構(gòu)構(gòu)件中，由于環(huán)境溫濕度的變化，會引起混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力產(chǎn)生變化，而這種應(yīng)力變化的計算十分復(fù)雜。針對圓形蓄水池結(jié)構(gòu)構(gòu)件，可以忽略溫濕度的荷載計算，但是要按照規(guī)范合理設(shè)置伸縮縫。

3.2.5 地震作用荷載

相對于其他荷載，地震引起的荷載對工程具有極大的危害性，所以，設(shè)計蓄水池時，要分析地震荷載的影響。蓄水池受到的地震荷載主要是地震引起的水平向慣性力，包括蓄水池自身的慣性力、池內(nèi)水的慣性壓力和蓄水池周圍的土慣性壓力。從材料來說，鋼筋混凝土蓄水池有較強(qiáng)的抗震性。設(shè)計時要按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行抗震計算[1]。

3.2.6 荷載組合

進(jìn)行蓄水池的承載力設(shè)計時，要考慮荷載組合情況，包括以下工況：（1）蓄水池內(nèi)部空載，蓄水池周圍有土；（2）蓄水池內(nèi)部滿水，蓄水池周圍有土；（3）蓄水池內(nèi)滿水，蓄水池周圍沒有土。前 2種荷載組合是蓄水池在使用中的空載和滿載狀態(tài)，后一種是蓄水池完工后，沒有進(jìn)行回填土之前的試水狀態(tài)。對于地上式的蓄水池只需要分析第三種荷載組合。通常來說，第一和第三種荷載組合容易引起內(nèi)力的變化，設(shè)計時要對其進(jìn)行驗算。

3.3 裂縫控制設(shè)計

通常通過合理的設(shè)計對裂縫能產(chǎn)生較好的控制，設(shè)計時主要是從控制結(jié)構(gòu)構(gòu)件的不均勻沉降、后澆帶的設(shè)置等措施出發(fā)。不均勻沉降的控制與蓄水池周邊的地質(zhì)環(huán)境和蓄水池的結(jié)構(gòu)體積及蓄水池埋置高度有關(guān)，所以，設(shè)計時要分析蓄水池構(gòu)件的特性，從整體性進(jìn)行設(shè)計。對于非荷載引起的裂縫控制，主要是利用后澆帶的施工進(jìn)行解決。

后澆帶是在蓄水池現(xiàn)澆鋼筋混凝土構(gòu)件中，考慮到溫度差變化和收縮變形而預(yù)留的縫隙。工程養(yǎng)護(hù)一定時間后，后澆帶構(gòu)件的收縮變化已經(jīng)基本完成，再用混凝土材料進(jìn)行縫隙填充形成密實結(jié)構(gòu)。后澆帶的間距由最大澆筑長度進(jìn)行中計算，大多數(shù)工程控制在 20～30m。

3.4 防水設(shè)計

內(nèi)壁防水層設(shè)計：內(nèi)壁部分包括池頂板底面、池底板頂面、蓄水池內(nèi)壁，這部分應(yīng)用 1∶2 的防水砂漿進(jìn)行，即利用混凝土的密實特性實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的抗?jié)B防水性能和抗凍性能。通常選用標(biāo)號不低于325的水泥進(jìn)行混凝土配制，水灰比例應(yīng)小于 0.55。蓄水池體的混凝土要達(dá)到 C25，還要控制好砂石的含泥量。

蓄水池外壁防水設(shè)計：外壁表面用 1∶2 的水泥砂漿進(jìn)行均勻涂抹，還可以利用高分子特性的防水材料進(jìn)行防水處理。

蓄水池周邊回填土防水設(shè)計：蓄水池主體建成后，水池周圍進(jìn)行均勻的覆土回填，避免超填引起荷載變化。如果蓄水池處于地下水位較高的區(qū)域，在試水試驗完成后，立即進(jìn)行回填施工，先進(jìn)行蓄水池頂部回填，然后進(jìn)行蓄水池周邊回填。

4 結(jié)語

對于礦山用圓形鋼筋混凝土蓄水池的設(shè)計，應(yīng)依靠規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行合理、全面的分析，詳細(xì)地進(jìn)行荷載計算，通過設(shè)計手段控制裂縫的產(chǎn)生，制訂科學(xué)的設(shè)計方案，使礦山用圓形鋼筋混凝土蓄水池的設(shè)計更加安全可靠。