水池結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)探討

陳 璐

北京朗新明環(huán)?？萍加邢薰灸暇┓止?/p>

1 引言

水池是工業(yè)建筑與民用建筑中十分常見(jiàn)的構(gòu)筑物。近年來(lái)隨著工藝設(shè)備的不斷改進(jìn)，水池結(jié)構(gòu)的建造標(biāo)準(zhǔn)也在相應(yīng)提高，水池功能由最開(kāi)始簡(jiǎn)單的儲(chǔ)水要求，逐漸向水處理功能擴(kuò)展，復(fù)雜的水池比如絮凝沉淀池、V 型濾池等，不僅工藝繁復(fù)、池體龐大，且土建投資成本高，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)難度增加。水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性和耐久性對(duì)整個(gè)工程項(xiàng)目造價(jià)有重要意義。如何在保證工程質(zhì)量的前提下，合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，降低工程造價(jià)，為項(xiàng)目創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益，這是本文的研究意義。

2 水池的選擇

水池結(jié)構(gòu)應(yīng)用廣泛，類型多種多樣。組成池體結(jié)構(gòu)的三要素：頂板、池壁、底板。水池按照材質(zhì)可分為：鋼筋混凝土水池、磚砌水池、鋼質(zhì)水池等。按照形狀可分為：矩形水池與圓形水池等。按照埋深可分為：全地上、全地下、半地上。按照使用條件可分為：頂板式、敞口式。水池的容積由工藝專業(yè)根據(jù)設(shè)備參數(shù)確定，水池的選型由土建專業(yè)結(jié)合建筑場(chǎng)地、工藝要求、結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)等綜合考量。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)貯水類水池，容積在3000m3以內(nèi)時(shí)，圓形水池比矩形水池有更好的經(jīng)濟(jì)效果，容積再大，則圓形水池直徑變大，池壁的環(huán)向拉力增加，勢(shì)必需要較大的壁厚[1]，而較大的壁厚易在圓形池壁上形成豎向貫通的裂縫。就場(chǎng)地適應(yīng)性來(lái)說(shuō)，矩形水池更為優(yōu)秀，場(chǎng)地利用率高，節(jié)省空間，施工技術(shù)的復(fù)雜性低，尤其當(dāng)多個(gè)水池組合或上部加蓋房屋的情況下，矩形水池更為理想。

3 水池的內(nèi)力計(jì)算

水池的計(jì)算主要是指對(duì)池壁和底板的內(nèi)力分析，頂板的計(jì)算一般是獨(dú)立分析的。不同的邊界約束假定和地基模型的選取，對(duì)水池的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果影響很大。對(duì)于敞口式水池和頂板為獨(dú)立預(yù)制板塊的水池，池壁的連接視為三邊固接頂端自由；對(duì)于封閉頂板式水池，池壁與頂板的連接視為鉸接，池壁與池壁的連接視為三邊固定。一般假定底板對(duì)池壁的支撐為固定支撐，設(shè)計(jì)底板厚度為池壁厚度的1.2～1.5倍，只有當(dāng)?shù)装逋馓糸L(zhǎng)度較小或底板較薄，而地基下存在軟弱土?xí)r，底板對(duì)池壁的支撐視為彈性固定。

水池計(jì)算荷載工況組合有：（1）池內(nèi)無(wú)水，池外有土；（2）池內(nèi)滿水，池外無(wú)土；（3）池內(nèi)滿水，池外有土。一般情況下，工況組合1、2是兩種最不利的組合,計(jì)算需要注意。當(dāng)?shù)叵滤桓哂谒氐装鍢?biāo)高時(shí)，水池應(yīng)進(jìn)行抗浮驗(yàn)算，（池體自重+頂板覆土重+底板外挑覆土重）/地下水浮力≧1.05安全系數(shù)，及抗浮合格，如果不滿足安全系數(shù)，需采取抗浮措施，例如加厚壁板、增加底板外挑長(zhǎng)度和錨固抗浮。水池的構(gòu)造要求，敞口式水池池壁的頂端在溫差和地基變形的作用下是結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn)，此處宜設(shè)置閉合暗梁，梁高度不宜小于池壁厚度，內(nèi)外兩側(cè)各配置不少于3C16的水平受力鋼筋，以加強(qiáng)頂端的強(qiáng)度，在池壁的轉(zhuǎn)角和內(nèi)隔墻交接處宜設(shè)置暗柱，以加強(qiáng)水池整體強(qiáng)度和抗裂性能。

水池頂板的設(shè)計(jì)分為兩類，一類是梁板式，另一類是整板式。梁板式頂板適用于頂面面積較大的情況，有效降低頂板的厚度，尤其當(dāng)頂板放置重型設(shè)備時(shí)，梁板式使結(jié)構(gòu)受力更明確，手算和多種軟件均可復(fù)核，便于驗(yàn)算。整板式頂板適用于頂面面積較小的情況，最大限度地保留水池有效空間，目前給排水手冊(cè)給出的計(jì)算方法是代框架法，手算比較復(fù)雜，可以參考理正工具箱軟件無(wú)梁樓蓋模塊簡(jiǎn)化計(jì)算。頂板荷載主要有人行荷載、過(guò)車荷載、覆土深度和設(shè)備荷載，設(shè)計(jì)時(shí)選取相應(yīng)的荷載值。

4 水池的地基處理

在水池的建設(shè)中，經(jīng)常會(huì)遇到水池基礎(chǔ)下分布有全部或局部厚度不等的軟弱土層，其承載力和變形常常導(dǎo)致水池結(jié)構(gòu)破裂損壞[2]。水池一般所需的地基承載力不高，主要考慮水池底板范圍內(nèi)的土層不均勻沉降問(wèn)題，如果采用剛性樁如預(yù)制樁或灌注樁，勢(shì)必會(huì)增加投資成本，針對(duì)軟弱地基土層建議采用換填強(qiáng)夯法或復(fù)合地基等處理形式，這些處理方法其共同特點(diǎn)是施工周期短，造價(jià)低，效果顯著。隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保節(jié)能的政策推動(dòng)，地基處理技術(shù)逐漸向綠色環(huán)保、節(jié)能減排的可持續(xù)發(fā)展方向發(fā)展，多種地基處理綜合使用將是一個(gè)典型趨勢(shì)。

換填強(qiáng)夯法是將基礎(chǔ)下的軟弱土層更換為壓縮性低的材料，強(qiáng)夯后作為新的地基持力層，置換后的基礎(chǔ)承載力大大提高并減少沉降量。地基規(guī)范要求換填層的厚度應(yīng)根據(jù)置換軟弱土的深度以及下臥土層的承載力確定，厚度最小不少于0.5m，最深不大于3m。當(dāng)換填層下仍有軟弱土層時(shí)，對(duì)換填層下層的填料應(yīng)用木夯輕輕夯拍，不得使用重夯，以免導(dǎo)致下層土變?yōu)閺椈赏?，?yīng)待填至一定厚度后方可重夯。強(qiáng)夯的有效加固深度，應(yīng)根據(jù)試夯報(bào)告或地區(qū)經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定，在缺少參考值時(shí)，可參照表1進(jìn)行預(yù)估,各土層夯實(shí)后的承載力可參照表2。墊層施工應(yīng)分層夯實(shí)，夯實(shí)后采用靜載荷試驗(yàn)檢驗(yàn)換填層承載力。

表1 強(qiáng)夯的有效加固深度（m）

表2 夯實(shí)后的土層承載力

復(fù)合地基處理法是通過(guò)增強(qiáng)或置換部分土體形成豎向增強(qiáng)體，由天然地基土和豎向增強(qiáng)體共同承擔(dān)荷載的地基形式。與樁基的傳力不同，樁基的受力路徑上部荷載由承臺(tái)傳遞至樁,樁承擔(dān)全部荷載最終傳遞至持力土層，樁基設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮的是樁；復(fù)合地基的受力路徑上部荷載始終由豎向增強(qiáng)體和地基土共同承擔(dān)，復(fù)合地基設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮的是地基土。常用的處理方法是碎石樁、水泥攪拌樁、灰土緊密樁、CFG樁等，這種地基處理形式屬于柔性樁，樁體不與水池底板直接相連，通過(guò)中間設(shè)置褥墊層來(lái)分擔(dān)荷載，本質(zhì)上說(shuō)褥墊層是傳力層。由于復(fù)合地基的布樁原理成片分布，樁數(shù)較多，設(shè)計(jì)時(shí)考慮造價(jià)因素樁長(zhǎng)不宜過(guò)長(zhǎng)，同時(shí)需要計(jì)算單樁承載力特征值和復(fù)合地基承載力特征值，復(fù)合地基承載力應(yīng)通過(guò)靜載荷試驗(yàn)最終確定，對(duì)有黏結(jié)強(qiáng)度的復(fù)合地基增強(qiáng)體尚應(yīng)進(jìn)行單樁靜載荷試驗(yàn)。

5 水池的抗?jié)B與防腐

水池結(jié)構(gòu)的主要功能是長(zhǎng)期存儲(chǔ)液體，而混凝土材料由于固有的力學(xué)性能，抗拉強(qiáng)度低，正常工況下都是帶裂縫工作。裂縫的存在會(huì)引發(fā)水池滲水（如圖1 所示）、銹蝕鋼筋（如圖2 所示），這會(huì)大大降低水池壽命，尤其對(duì)于某些存儲(chǔ)酸堿腐蝕性強(qiáng)的水池，除了要求有較高的結(jié)構(gòu)整體強(qiáng)度和抗?jié)B性，還要求有良好的防腐蝕性。鋼筋混凝土水池多數(shù)情況下由裂縫控制計(jì)算配筋。水池裂縫應(yīng)以預(yù)防為主，修補(bǔ)為輔，盡量在施工過(guò)程中嚴(yán)格控制。

圖1

圖2

針對(duì)新建水池，在設(shè)計(jì)和施工中時(shí)應(yīng)考慮減少裂縫，可參考以下措施：①選擇適當(dāng)?shù)牟牧虾凸橇霞?jí)配，嚴(yán)格控制水泥用量和水灰比，提高混凝土的水密性。②嚴(yán)控施工質(zhì)量。在混凝土澆搗前，應(yīng)先將基層和模板澆水濕透，澆搗過(guò)程應(yīng)充分又避免過(guò)度，澆搗完成后，要及時(shí)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，尤其加強(qiáng)早期養(yǎng)護(hù)，避免混凝土早期脫水，引起收縮裂縫，并適當(dāng)延長(zhǎng)混凝土的養(yǎng)護(hù)時(shí)間[3]。③混凝土中摻加添加劑，比如具有膨脹性能的抗裂防水劑、高強(qiáng)合成纖維。④設(shè)置變形縫或后澆帶。

針對(duì)已有裂縫的水池結(jié)構(gòu)，可參考以下修復(fù)方法：①填充法，沿裂縫處將混凝土開(kāi)鑿成U 型或V 型槽后先涂刷一層2mm厚的環(huán)氧基液，再向裂縫內(nèi)填充并抹平修復(fù)材料，修復(fù)材料主要是環(huán)氧砂漿，此方法適用于水平寬大（＞5mm）、深度較淺、數(shù)量較少的裂縫。②灌漿法，用氣壓、液壓或電化學(xué)原理，把某些能固化的漿液注入裂縫中，漿液在孔隙內(nèi)擴(kuò)散、凝膠直至固化。漿液材料主要是環(huán)氧樹(shù)脂和甲基丙烯酸酯類材料。此方法對(duì)于細(xì)微和較寬裂縫均適用。③表面處理法，在裂縫表面填補(bǔ)環(huán)氧膠泥、水泥漿或在混凝土表面大面積涂刷油漆、瀝青等防腐材料，此方法適用于較小裂縫，寬度小于0.2mm的裂縫。④電化學(xué)沉積法，在電位差的作用下，使裂縫里生成沉積物，從而愈合裂縫，此方法主要應(yīng)用于海洋環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)[4]。

針對(duì)有強(qiáng)酸堿強(qiáng)腐蝕性的水質(zhì)環(huán)境，可參考以下防護(hù)技術(shù)：①滲透型，原理是通過(guò)防護(hù)材料滲透入混凝土表面孔隙中，與混凝土起化學(xué)作用堵塞孔隙或自行聚合形成保護(hù)層，以隔絕外界水質(zhì)。目前應(yīng)該廣泛的是水泥基滲透結(jié)晶型和有機(jī)硅類涂料。②成膜型，原理是通過(guò)防護(hù)涂料自身在混凝土表面成膜進(jìn)而隔絕外界水質(zhì)侵入混凝土內(nèi)部。市場(chǎng)上各種涂料種類繁多，工程中應(yīng)根據(jù)水質(zhì)的腐蝕性等級(jí)和防護(hù)層使用年限等因素綜合確定。用于酸性環(huán)境，宜選用聚氨酯、環(huán)氧等涂料；用于堿性環(huán)境，宜選用環(huán)氧涂料。涂料隨時(shí)間的推移會(huì)自然老化，需要定期翻新維護(hù)。③外貼塊材型，原理是通過(guò)在水池內(nèi)壁外貼耐酸磚、花崗巖等防腐塊材以形成有效屏障隔絕外界水質(zhì)。防腐塊材厚度不宜小于30mm,施工時(shí)需要注意塊材與塊材的勾縫處理，環(huán)氧膠泥填實(shí)。一般情況下，塊材的使用壽命比涂料久，費(fèi)用略高。

6 結(jié)束語(yǔ)

水池結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的使用其損耗速度會(huì)明顯高于其他建筑，為節(jié)約資源，應(yīng)盡可能地保證水池結(jié)構(gòu)的使用壽命，這就對(duì)水池設(shè)計(jì)賦予了更高的期望。水池設(shè)計(jì)最核心的部分是內(nèi)力計(jì)算，是設(shè)計(jì)的靈魂。合理的配筋結(jié)果、堅(jiān)實(shí)的地基基礎(chǔ)與適宜的抗?jié)B防腐措施構(gòu)成了一套完美的水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)者應(yīng)縱觀全局，根據(jù)每個(gè)項(xiàng)目特點(diǎn)，把握設(shè)計(jì)要點(diǎn)再著手設(shè)計(jì)方案。希望通過(guò)本文的探討，可以為水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性、經(jīng)濟(jì)性提供參考價(jià)值。