水廠水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

黃小達(dá)

(廈門水務(wù)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司，福建 廈門 361008)

1 工程概況

洪塘水廠擴(kuò)建工程(勘察設(shè)計(jì))(以下簡稱“本工程”)原供水規(guī)模1.5萬m3/d，土建擴(kuò)建后供水規(guī)模12萬m3/d，包含清水池、二級泵房及加氯間、配電室與控制房、機(jī)修間及庫房、片區(qū)供水服務(wù)中心等建(構(gòu))筑物。

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，清水池、二級泵房及加氯間的基礎(chǔ)持力層均為粉質(zhì)黏土層，抗浮設(shè)計(jì)的最高地下水位按周邊室外設(shè)計(jì)地面標(biāo)高以下0.5 m考慮。

清水池共2座，每座平面尺寸37.55 m×52.8 m，池內(nèi)每隔5 m設(shè)一道Y向?qū)Я鲏?，清水池?.75 m，基礎(chǔ)埋深4.1 m～5.0 m，池頂作種植屋面，覆土0.8 m，詳見圖1[1]。

二級泵房及加氯間包含二級泵房、吸水井、加氯間各一座，其中二級泵房下部池體，上部框架，平面尺寸36.9 m×10.4 m，池高5.0 m，基礎(chǔ)埋深4.7 m，上部單層框架層高7.2 m。 吸水井平面尺寸26.7 m×3.9 m，池高8.85 m，基礎(chǔ)埋深8.55 m，詳見圖2[2]。

2 荷載取值

1)水池荷載主要包含結(jié)構(gòu)自重、側(cè)向水壓力、豎向土壓力、側(cè)向土壓力、地面堆載、溫度作用等。其中側(cè)向水壓力分為池內(nèi)水壓力和池外水壓力。池內(nèi)水壓力應(yīng)按永久作用考慮，對于給水處理的水池，水容重可取10 kN/m3；對污水處理的水池，考慮懸浮固體等雜質(zhì)的含量，水容重可取10 kN/m3～10.8 kN/m3。池外水壓力應(yīng)按可變作用考慮，其最高計(jì)算水位應(yīng)結(jié)合該工程地質(zhì)勘查報(bào)告選取[3]。

2)水池池壁承載能力極限狀態(tài)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算時需計(jì)算兩種工況：池內(nèi)有水，池外無水土(施工階段閉水試驗(yàn))；池內(nèi)無水，池外有水土(使用階段空池檢修)。地基承載力驗(yàn)算時，一般取地下水位處于基底標(biāo)高下，池內(nèi)滿水，池外滿土狀態(tài)。但使用階段抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算時，需取最高水位狀態(tài)。溫濕度作用需考慮兩種極端情況：a.冬季夜晚池內(nèi)外濕度基本平衡后表現(xiàn)出的溫差作用;b.夏季夜晚池內(nèi)外溫度基本平衡后表現(xiàn)出的濕差作用，兩者均使池內(nèi)壁膨脹外壁收縮，取最大值計(jì)算。

3)本工程清水池池內(nèi)設(shè)計(jì)最高水深為4.8 m(工藝專業(yè)確定)，但是考慮滿水試驗(yàn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時仍按池內(nèi)滿水(水深5 m)計(jì)算水壓，顯然，清水池池外水土壓力作用大于池內(nèi)滿水水壓。因清水池長期貯水，為減少溫濕度作用帶來的不利影響，池頂設(shè)置種植屋面，露出地面的池外壁粉刷無機(jī)輕集料保溫砂漿(也可池壁外側(cè)設(shè)牛腿，砌筑保溫磚)。

4)二級泵房池內(nèi)無水，側(cè)壁計(jì)算時由池外水土作用控制，底板計(jì)算時，需考慮上層框架柱底傳遞的荷載作用。

3 計(jì)算假定

1)水池一般由底板、池壁及頂蓋組成，其中頂蓋的設(shè)置與否一般由工藝需求決定，頂蓋采用現(xiàn)澆還是預(yù)制形式一般與安裝檢修需求有關(guān)，因此水池分為敞口水池與有蓋水池。

2)水池與底板、斗槽或條基連接時，均可視池壁為固端支承。水池頂端無約束或頂板為預(yù)制裝配板擱置且無其他連接措施時，池壁頂端視為自由端。當(dāng)敞口水池頂端為工作平臺、走道板、連系梁等支承結(jié)構(gòu)，根據(jù)支承結(jié)構(gòu)橫向剛度確定池壁頂端的支承條件為彈性或鉸支。當(dāng)有蓋水池頂板與池壁整體澆筑且配連續(xù)鋼筋，該節(jié)點(diǎn)視為彈性固定。當(dāng)預(yù)制頂板與池壁頂端通過抗剪鋼筋連接，該節(jié)點(diǎn)視為鉸支。當(dāng)池壁雙向受力，相鄰池壁間的連接視為彈性固定。

3)合理確定水池結(jié)構(gòu)板件邊界條件且正確進(jìn)行內(nèi)力分析方能保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確可靠，矩形池壁在側(cè)向荷載作用下單、雙向受力的區(qū)分條件見表1。

表1 池壁在側(cè)向荷載作用下單、雙向受力的區(qū)分條件

4)顯然，本工程清水池Y向外壁為四邊支撐，L/H>2，應(yīng)按豎向單向計(jì)算，可取1 m長度為計(jì)算單元，下端固定，上端簡支計(jì)算。清水池X向外壁0.5

清水池底板與外壁連接處可按“簡支+池壁彎矩”模式，即底板簡支于池壁之上，池壁在側(cè)向壓力作用下產(chǎn)生的底端彎矩作為力偶荷載傳遞給底板，忽略底板外挑部分的影響，底板所受軸力等于其兩端池壁下端的剪力。底板與導(dǎo)流墻的連接可按“固端”模式，即池壁作為底板的固定支座，則底板計(jì)算時沿單向截取單元條，按多跨連續(xù)梁計(jì)算。本工程清水池持力層為粉質(zhì)黏土層，底板內(nèi)力可按地基反力直線分布計(jì)算，直接作用于底板上的池內(nèi)水重及底板自重與它們引起的地基反力直接抵消，不產(chǎn)生彎曲應(yīng)力。若本工程地基為軟土或板短跨較大，宜截取單元條，將水池內(nèi)外壁板作用集中力按彈性地基梁進(jìn)行內(nèi)力分析[4]。

清水池頂板設(shè)計(jì)時，頂板邊緣可按固端考慮并按多跨連續(xù)梁計(jì)算。

5)二級泵房池壁頂端(±0.000標(biāo)高)設(shè)置了走道板及工作平臺，當(dāng)走道板及工作平臺作為池壁頂端支承結(jié)構(gòu)時，應(yīng)根據(jù)支承結(jié)構(gòu)的橫向剛度確定池壁頂端的支承條件為鉸支或彈性支承，本工程開洞較大，走道板為懸挑結(jié)構(gòu)，故不考慮支承結(jié)構(gòu)的約束，池壁頂端按自由考慮。

二級泵房外墻設(shè)有框架柱(扶壁柱)，框架柱截面尺寸500 mm×600 mm，外墻厚450 mm，框架柱截面高度小于外墻厚度的2倍，且框架柱上部非高層建筑，框架柱與外墻線剛度比小于2，故框架柱不宜作為池壁的支承結(jié)構(gòu)。若池壁以框架柱作為支承結(jié)構(gòu)采用雙向板計(jì)算配筋，則框架柱除按結(jié)構(gòu)整體分析結(jié)果配筋外，還需按外墻雙向板傳遞荷載驗(yàn)算配筋。根據(jù)框架柱與外墻變形協(xié)調(diào)的原理，框架柱配筋偏少，外墻豎向受力鋼筋配置不足，水平分布筋有富余。因此外墻宜按豎向單向板計(jì)算配筋，對框架柱內(nèi)外側(cè)主筋適當(dāng)加強(qiáng)。

二級泵房抗浮水位取室外地面下0.5 m，上部僅為單層框架，出于抗浮考慮，采取如下措施：底板厚度按構(gòu)造要求取大值(一般為壁板厚度的1.2倍～1.5倍)，同時可滿足柱下筏板沖切要求，底板外挑500 mm，底板上方回填500 mm C20素混凝土，素混凝土可兼作設(shè)備基礎(chǔ)下部且方便形成排水溝。二級泵房底板與外壁連接處可按“簡支+池壁彎矩”模式計(jì)算配筋。

4 處理方案比選

水池設(shè)計(jì)過程中需對各種問題難題做出處理方案比選，擇較合理者選用，其中尤以裂縫及抗浮問題需較慎重。

1)混凝土水池的裂縫問題是普遍存在且難以解決的令各參建方頭疼的問題，它的成因包括混凝土收縮、溫度變化、混凝土養(yǎng)護(hù)不善、施工措施不到位、池體不均勻沉降、設(shè)計(jì)配筋不足等。清水池平面尺寸52.8 m×37.55 m，而規(guī)范規(guī)定伸縮縫最大允許間距20 m(露天)～30 m(室內(nèi)或土中)，故對溫度變化敏感的清水池設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮減少大體積混凝土收縮的措施。常用的處理方法有：設(shè)后澆帶、設(shè)伸縮縫、設(shè)膨脹加強(qiáng)帶[5]。

a.后澆帶：常設(shè)于結(jié)構(gòu)內(nèi)力相對較小或兩側(cè)沉降差較大位置，可減少超長結(jié)構(gòu)在施工前階段溫差及混凝土前期收縮產(chǎn)生的應(yīng)力，降低沉降差引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

但后澆帶的斷筋、清理和填補(bǔ)較為麻煩，留設(shè)時間不少于40 d將延緩后續(xù)滿水試驗(yàn)等工序，同時工期延長將產(chǎn)生施工降水成本提高的連鎖反應(yīng)。

b.設(shè)縫(伸縮縫、沉降縫或抗震縫)：可防止超長結(jié)構(gòu)溫度變化引起的結(jié)構(gòu)開裂、沉降差異造成的結(jié)構(gòu)開裂及結(jié)構(gòu)剛度不均勻在地震中的扭轉(zhuǎn)破壞(抗震縫)，如圖3所示。

但水池伸縮縫施工難度較大，整體性差，橡膠止水帶處因不易澆筑密實(shí)導(dǎo)致容易滲水，橡膠止水帶易老化。

c.膨脹加強(qiáng)帶：可與結(jié)構(gòu)同時施工，也可后澆，通過在溫度應(yīng)力集中處適當(dāng)加強(qiáng)并增加膨脹劑摻量以提高該部位混凝土膨脹率，從而抵消全部或部分拉應(yīng)力，避免或減少開裂。但其不能降低沉降差引起的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

本工程建設(shè)工期緊張，不適合采用后澆帶施工。伸縮縫處理對施工水平要求較高，且橡膠止水帶使用年限過少，故不予采用。清水池采用膨脹加強(qiáng)帶是相對折中的方案，能滿足安全、工期及經(jīng)濟(jì)要求。

2)本工程清水池埋深約4.1 m，經(jīng)核算，若不考慮頂板覆土，抗浮驗(yàn)算的抗浮力Gk/浮力(F)=0.84<抗浮穩(wěn)定系數(shù)Ks=1.05，可采用以下方案增加抗浮力：錨桿(抗拔樁)抗浮、底板上設(shè)素混凝土壓重、底板下埋筋配重及頂板上覆土壓重。

a.錨桿(抗拔樁)抗?。篏k/F=0.84與1.05較接近，采用錨桿或抗拔樁抗浮可滿足要求，但偏于保守且需設(shè)備配合，施工較為復(fù)雜。

b.底板上設(shè)素混凝土壓重：會加大水池埋深、增加挖方、基坑支護(hù)及降排水成本。

c.底板下埋筋配重：底板與掛重部分混凝土需用鋼筋連接，根據(jù)地勘報(bào)告，地下水對干濕交替環(huán)境下的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋具弱腐蝕，采用后鋼筋有銹蝕隱患。

d.頂板上覆土壓重：可減少溫濕度作用帶來的不利影響，結(jié)合建筑專業(yè)綠化率指標(biāo)需求(頂板覆土厚度取0.6 m～0.9 m時，可計(jì)入清水池平面面積的50%作為綠化面積)。但覆土壓重將導(dǎo)致頂板厚度及配筋加大，故覆土厚度也不宜過大。

經(jīng)上，本工程清水池頂板覆土0.8 m既可滿足抗浮要求，又能減少溫濕度作用影響、提高場地綠化率指標(biāo)，而且施工簡單，雖增加頂板厚度及配筋，但仍屬相對較合理方案。

5 結(jié)語

在鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在取得完整而準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)資料后，只有選擇正確的結(jié)構(gòu)型式，選取準(zhǔn)確的荷載取值，通過合理的計(jì)算假定建立符合實(shí)際情況的結(jié)構(gòu)模型，再根據(jù)工程的特殊性及構(gòu)造要求對各問題處理方案進(jìn)行比選，才能設(shè)計(jì)出安全、合理、經(jīng)濟(jì)的鋼筋混凝土水池。

上述鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的荷載取值、計(jì)算假定、處理方案比選為筆者參考結(jié)構(gòu)專業(yè)相關(guān)資料，結(jié)合實(shí)際工程設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)與心得體會。限于筆者水平，不妥之處請予指正。