鋼筋混凝土水池抗浮設(shè)計(jì)方案的分析對(duì)比

賀 誠（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院集團(tuán)第十市政設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

在工業(yè)、水利、環(huán)保以及市政項(xiàng)目建設(shè)中水池是常見的構(gòu)筑物，其中鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)占很大比重，在環(huán)保、市政的污水處理工程和民用、工業(yè)的給排水工程中的應(yīng)用非常廣泛，水池結(jié)構(gòu)一般由頂蓋、底板、支柱以及池壁組成。根據(jù)有無頂蓋可以將水池分為敞口式水池和封閉式水池。當(dāng)水池結(jié)構(gòu)的自重小于水的浮力時(shí)，會(huì)導(dǎo)致水池漂浮起來，致使水池結(jié)構(gòu)出現(xiàn)整體失穩(wěn)、底板開裂等問題，所以在水池設(shè)計(jì)中必須合理設(shè)計(jì)和選擇抗浮方案。

1 水池分類

工業(yè)生產(chǎn)中的水池，與其使用功能相結(jié)合可分為三種類型。一是水處理所用的水池，常見為曝氣池、濾池、沉淀池以及污水池等；二是儲(chǔ)存型水池，比如消防用水池以及備用水池等；三是為生產(chǎn)行業(yè)提供使用的水池，其主要功能是將工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行降溫冷卻，以確保工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備能夠正常穩(wěn)定運(yùn)行[1]。

依據(jù)水池位置與地面之間的不同關(guān)系，還可以將水池分為地上式水池、半地下式水池以及全地下式水池。

依據(jù)水池底部柱實(shí)際承載能力的不同，可以將水池分為分離式與整體式。如果地基承載力較低或者抗浮水位較高時(shí)，通常采用柱-筏板結(jié)構(gòu)作為水池底板，也就是整體式水池。當(dāng)?shù)装鍝碛休^好的地基條件，且高于抗浮水位時(shí)，會(huì)采用分離式的支柱和底板基礎(chǔ)，也就是分離式水池。

2 抗浮計(jì)算

2.1 選取參數(shù)

在對(duì)抗浮力進(jìn)行計(jì)算時(shí)，應(yīng)該排除下列作用：土與池壁之間的摩擦力、池內(nèi)物料重、上部設(shè)備重以及池內(nèi)貯水重[2]。

在對(duì)抗浮力進(jìn)行計(jì)算時(shí)，應(yīng)該與實(shí)際情況相結(jié)合考慮水池頂板覆土的重度，如果相關(guān)的數(shù)據(jù)并不明確，可以取常用值16kN/m3；而池底板外挑部分上部填土應(yīng)選18kN/m3的重度，且不對(duì)其擴(kuò)散角的影響進(jìn)行考慮；選擇23kN/m3的素混凝土容重，25kN/m3的鋼筋混凝土容重。

與地勘報(bào)告中所提供的抗浮設(shè)計(jì)水位相結(jié)合開展設(shè)計(jì)工作。

2.2 抗浮計(jì)算

2.2.1 整體抗浮

在計(jì)算水池整體抗浮穩(wěn)定性時(shí)應(yīng)使用以下公式在計(jì)算水池整體抗浮穩(wěn)定性時(shí)應(yīng)使用以下公式G/F=(Gtk+Gsk)/γwH1A≥Ks，其中G表示水池永久作用荷載標(biāo)準(zhǔn)值（不含池內(nèi)盛水），F(xiàn)表示地下水浮力，Gtk和Gsk分別表示水池自重標(biāo)準(zhǔn)值及其池頂覆土中標(biāo)準(zhǔn)值，H1為底板底至抗浮設(shè)計(jì)水位之間的距離，γw表示水密度，A表示水池底板面積（算至池體底板邊緣），Ks表示抗浮安全系數(shù)，也就是設(shè)計(jì)抗浮穩(wěn)定系數(shù)，大多需要在1.05以上，其具體取值見表1。

表1 抗浮安全系數(shù)

2.2.2 局部抗浮

對(duì)于隔墻或立柱等支承構(gòu)件的水池，局部單元或局部區(qū)格抗浮其應(yīng)用公式為(gsk+gck+gbk+Gck/Acal)/γwH1≥Ks，其中g(shù)bk表示單位面積池底板自重標(biāo)準(zhǔn)值，gck表示單位面積的池頂板的重量標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，Gck表示單根支柱的重量標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，Acal表示計(jì)算板單元面積（單根支柱），其余符號(hào)表述含義與整體抗浮公式內(nèi)的符號(hào)含義相同。

如果水池抗浮方案制定過程中無法使上面兩個(gè)公式得到滿足，就證明水池抗浮設(shè)計(jì)無法使相關(guān)需求得到滿足，空池情況下會(huì)出現(xiàn)水浮力大于水池自身重力的問題，從而導(dǎo)致水池可能發(fā)生上浮現(xiàn)象[3]。

3 導(dǎo)致水池上浮的原因

通過分析相關(guān)的工程實(shí)踐，主要有三個(gè)方面的原因會(huì)導(dǎo)致水池上浮：首先是設(shè)計(jì)方面的原因，其主要分為三種原因，水池設(shè)計(jì)過程中并未對(duì)水池抗浮情況進(jìn)行充分研究分析；雖然水池抗浮方案已經(jīng)落實(shí)，但是方案設(shè)計(jì)并沒有滿足實(shí)際抗浮需求；實(shí)行了不合理的抗浮設(shè)計(jì)措施。其次，是施工方面的原因，其主要分為4種原因，一是進(jìn)行水池抗浮施工時(shí)沒有嚴(yán)格遵守設(shè)計(jì)要求；二是在進(jìn)行施工時(shí)沒有對(duì)水池的抗浮措施進(jìn)行充分考慮；三是在進(jìn)行施工時(shí)排水系統(tǒng)有故障存在，無法使積水得到及時(shí)排除；四是在完成施工后水池附近的頂板覆土和回填土并未及時(shí)回填。最后是使用方面的原因，其主要分為兩種原因，一是池附近土體和池頂覆土厚度發(fā)生改變；二是在使用水池時(shí)排水系統(tǒng)遭到破壞，提升了地下水位。根據(jù)上述各方面因素，在設(shè)計(jì)工作中必須對(duì)水池抗浮進(jìn)行充分考慮，并與實(shí)際情況相結(jié)合完成抗浮措施的合理選擇；在施工過程中必須根據(jù)圖紙要求嚴(yán)格落實(shí)，對(duì)排水系統(tǒng)進(jìn)行有效設(shè)置，同時(shí)為正常運(yùn)行排水系統(tǒng)提供保障；在使用時(shí)應(yīng)該保持排水系統(tǒng)的正常，盡量避免對(duì)水池附近覆土密度和厚度進(jìn)行改動(dòng)。

4 常用的水池抗浮方案

與水池上浮機(jī)理相結(jié)合，在進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)時(shí)大多采用兩種措施：一是使水池?fù)碛懈鼜?qiáng)的抗浮能力；二是對(duì)地下水產(chǎn)生的浮力進(jìn)行降低。其中，想要使水池?fù)碛懈鼜?qiáng)的抗浮能力，主要利用加強(qiáng)地基與基礎(chǔ)之間的連接，提升水池自重等措施。而想要使地下水擁有更低的所產(chǎn)浮力，可以通過減少地表水滲入和降低地下水位得以實(shí)現(xiàn)。

在選擇水池抗浮方案時(shí)，應(yīng)該注意其對(duì)工程造價(jià)的經(jīng)濟(jì)性以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性的影響，與實(shí)際工程情況相結(jié)合，準(zhǔn)確對(duì)比各種水池抗浮方案，最終選擇經(jīng)濟(jì)性和合理性最高的方案。

4.1 水池自重抗浮

水池自重主要包括覆土承重荷載、頂板結(jié)構(gòu)荷載、底板結(jié)構(gòu)荷載以及池壁結(jié)構(gòu)荷載，安裝使用荷載以及設(shè)備裝置荷載等并不計(jì)算在內(nèi)。自重抗浮方法主要是指對(duì)水池自身結(jié)構(gòu)重量進(jìn)行合理提高。在增加水池自重時(shí)可以采取設(shè)底板外挑、提升池壁厚度以及提升底板厚度等措施。

因?yàn)樘嵘怂刈灾?，也?huì)增加其面積，自然也就提升了相應(yīng)的浮力，所以自重抗浮只適用于自重加大不多可使抗浮條件得到滿足以及不具備其他抗浮條件時(shí)，但是與其他抗浮方式相比水池自重抗浮更加可靠、安全。

在提升水池自重的同時(shí)大多會(huì)使混凝土用量增加，因?yàn)樘嵘私Y(jié)構(gòu)厚度，會(huì)使構(gòu)件的配筋率降低，導(dǎo)致鋼筋的用量減少，所以對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面進(jìn)行適當(dāng)增加，并不會(huì)大幅度提升造價(jià)。與此同時(shí)，因?yàn)閾碛辛烁蟮臉?gòu)件截面，水池結(jié)構(gòu)剛度也會(huì)隨之加強(qiáng)。因此，如果水池具有相對(duì)較大的配筋率，利用自重抗浮非常的適用和經(jīng)濟(jì)。當(dāng)?shù)叵赂×εc自重?fù)碛?0%以下的差異時(shí)，利用提升結(jié)構(gòu)自重抗浮能夠有效控制水池的整體建造成本。

4.2 水池配重抗浮

4.2.1 池底配重抗浮這種方案是將配重混凝土設(shè)置在水池底板以下，并用錨筋緊密連接底板，通過可靠的連接配重混凝土和底板來增加水池的抗浮性能，這種方案最為關(guān)鍵的步驟就是有效連接配重混凝土和底板，并且配重混凝土應(yīng)滿足C15以上的強(qiáng)度等級(jí)。大多情況下，與其他池內(nèi)抗浮相比，池底配重抗浮更加經(jīng)濟(jì)。

這種方案曾被用于某污水廠工程項(xiàng)目，該污水廠廠址位于西寧某河道附近，抗浮水位高度為-0.5m，水池整體采用帶頂板式結(jié)構(gòu)，頂板鋪設(shè)0.5m覆土，依據(jù)相關(guān)工程要求以及工程實(shí)際情況，水池埋深相對(duì)較深，底板頂高度設(shè)置在-7.0m，地基承載力特征值不小于120kPa，根據(jù)場地地質(zhì)情況，利用天然地基能夠有效滿足工程實(shí)際需求。但是會(huì)導(dǎo)致水池浮力相對(duì)過大，所以需要借助有效抗浮方法使抗浮要求得到滿足。通過方案比較與綜合討論分析，最終選擇池底配重抗浮方案，詳細(xì)情況見圖1。

圖1 水池池底配重抗浮剖面圖

4.2.2 壓重抗浮

壓重抗浮就是在池底外挑部分或池頂、池內(nèi)增加壓重來起到抗浮的效果，池內(nèi)壓重就是將漿砌塊石或混凝土等材料填筑在池內(nèi)，在底部空間不會(huì)受到影響的情況下可以對(duì)這種方法進(jìn)行利用。因?yàn)槭褂酶叨鹊南拗?，這種方法大多會(huì)對(duì)基坑深度和池壁高度進(jìn)行提升，但大多情況下不會(huì)使池底所受的不均勻地基反力得到增加，所以只會(huì)在較小程度上影響底板的內(nèi)力[4]。在半埋地式水池和埋地式水池中池頂壓重較為適用，這種方案的優(yōu)勢是能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)池頂空間的充分利用，劣勢是會(huì)導(dǎo)致水池底板和頂板的荷載得到極大程度的提升，必須適當(dāng)增加底板和頂板的結(jié)構(gòu)厚度和配筋，會(huì)在一定程度上增加水池的造價(jià)。外挑墻趾上壓重就是外伸池底板，通過將砌體和填土壓在趾板上，使水池整體結(jié)構(gòu)擁有更強(qiáng)的抗浮性能。使用這種方案的主要原因在于其無需對(duì)基坑深度進(jìn)行擴(kuò)建增加，只需要適當(dāng)增加底板外挑范圍即可。但是需要注意，該方案可能在一定程度上影響到周圍建筑物，從而導(dǎo)致水池地基反力增加，提升池底板的內(nèi)力。在中小型水池抗浮中這種方案非常適用。

4.3 水池錨固抗浮

錨固抗浮主要有兩種常用的方法：打土層錨桿抗浮和打抗拔樁抗浮，這兩種方法主要通過錨桿或樁的抗浮力平衡水池上浮現(xiàn)象。這種方法對(duì)體積較大的埋地型水池具有十分顯著效果，不僅能夠有效滿足水池抗浮需求，同時(shí)還能夠通過合理布置錨桿或樁，使大型水池的局部抗浮問題得到有效解決。

錨桿抗浮大多采用土層錨桿或巖石錨桿。土層錨桿在一般土層非常適用，其特點(diǎn)是很多因素能夠?qū)﹀^桿抗拔力產(chǎn)生影響，擁有較低的造價(jià)，在使用的過程中需要較密的布置錨桿，能夠發(fā)揮出與均布荷載相近的整體作用，對(duì)底板的防滲裂有利。

在設(shè)計(jì)抗拔樁抗拔力的過程中應(yīng)該選擇樁身抗拉承載力和土與樁體摩擦力之間的最小值。因?yàn)橥w積的樁體，其表面積越大樁徑越小，則擁有越大的摩擦力。另外，因?yàn)檎Ｇ闆r下水池底板都是平板結(jié)構(gòu)，如果單樁部件擁有較大抗拔力，會(huì)導(dǎo)致水池底板需要承受過多的集中作用力，則需要對(duì)底板結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部改善或整體替換，會(huì)進(jìn)一步提升造價(jià)。所以，在選擇時(shí)大多選擇擁有較小單樁抗拔力和樁徑的抗拔樁。當(dāng)在軟土層進(jìn)行水池施工時(shí)，抗拔樁的設(shè)計(jì)應(yīng)該與沉降控制樁和承重樁相結(jié)合，能夠具有一定的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。

4.4 水池嵌固抗浮

這種抗浮方案主要是指利用巖石等材料的抗剪能力來平衡水池上浮力，巖石材料通常選擇體積相對(duì)完整的基巖，且基巖整體厚度需要達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)，就能夠使抗浮的目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)，在鋼筋混凝土水池抗浮設(shè)計(jì)中這種方案被采用的次數(shù)較少。

4.5 其他抗浮方式

在上述抗浮方案外，在實(shí)際工程中還可以采用設(shè)觀察井抗浮和降水抗浮等方式，就是將反濾層鋪設(shè)在池底墊層下部，并將滲流管和盲溝設(shè)置在適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)；當(dāng)管理過程中需要放空水池檢修時(shí)，通過查看觀察井水位或地下水位的降低，只有保證水位處在設(shè)計(jì)要求水位以下，才可以進(jìn)行水池排空檢修。

5 結(jié)語

綜上所述，通過分析和對(duì)比鋼筋混凝土水池的各種抗浮設(shè)計(jì)方案，可以發(fā)現(xiàn)自重抗浮只適用于自重加大不多可使抗浮條件得到滿足以及不具備其他抗浮條件時(shí)，但是與其他抗浮方式相比水池自重抗浮更加可靠、安全；池底配重抗浮更加經(jīng)濟(jì)；壓重抗浮可能在一定程度上影響相鄰的建筑物，會(huì)導(dǎo)致池底所受的不均勻地基反力增加，提升池底板的內(nèi)力。在中小型水池抗浮中這種方案非常適用；水池錨固抗浮對(duì)體積較大的埋地水池具有非常理想的抗浮效果，其優(yōu)勢是不僅能夠使池體的整體抗浮得到更好的滿足，同時(shí)還能夠通過合理布置錨桿或樁，使大型水池的局部抗浮問題得到有效解決。當(dāng)相關(guān)人員進(jìn)行鋼筋混凝土水池抗浮設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該根據(jù)水池的實(shí)際情況合理選擇抗浮設(shè)計(jì)方案。