淺談鋼筋混凝土矩形水池結構設計

張楚驪 南寧市建筑設計研究院有限公司

1 前言

污水處理和治理是現(xiàn)階段，各大城市發(fā)展的重中之重，污水處理廠的數量和規(guī)模逐年增大，鋼筋混凝土水池建設項目越來越多。和其他鋼筋混凝土結構相比，矩形水池結構對設計標準和施工質量有更高的要求，需要結合污水處理廠的實際情況，切實做好設計工作，才能最大限度上保證設計質量，提升使用效果?；诖?，開展鋼筋混凝土矩形水池結構設計的分析研究就顯得尤為必要。

2 矩形水池結構設計的相關規(guī)定

矩形水池結構設計是需要結合污水處理廠的要求和周圍的地質水文條件等進行科學合理設定。針對不同結構類別、形式的水池，在設計中需要采取不同的措施進行強度和穩(wěn)定性驗算。此外，鋼筋混凝土矩形水池結構在設計中還要進行抗裂度和裂縫寬度的驗算。保證在荷載的作用下，水池裂縫寬度小于規(guī)范規(guī)定值。以防水池開裂滲水，腐蝕鋼筋。

3 矩形水池結構選型和荷載設計

3.1 結構選型

若矩形水池平面尺寸較大，埋深較淺，且結構所在區(qū)域的土質條件比較好，如基礎的承載力值在150kPa，并且不存在的地下水滲透的情況，在結構選型設計時，可選擇擋土墻結構，并采用構造池底。如果矩形水池的深度比較大，可在池壁外側設置垂直方向的扶壁。在池壁和底板連接處設計時，在后期施工條件和后期運維條件的允許下，應盡量設計成止水縫的分離式結構。

根據水池壁板的寬高比，矩形水池側壁可分類為單向板和雙向板。如一塊四邊支承的水池壁板，當壁板寬高比大于2時，按豎向單向板計算。當壁板寬高比介于0.5～2之間時，按雙向板計算。當壁板寬高比小于0.5時，大于2倍寬度部分按橫向單向板計算。如果池壁的高度比較大，壁厚在設計中可選擇變截面的設計方法，但需要保證底板的寬度在0.4～0.8H之間。在具體設計中，為最大限度上保證矩形水池結構設計質量，可采取分布設計的思路，細分為頂板設計、池壁設計、底板設計三種。

當矩形水池采用埋入式，且在水池埋深范圍內存在地下水時，在水池設計中先應進行整體抗浮設計。首先應計算空池狀態(tài)下的水池自重，后通過地質勘察報告提供的地下水位高度算出水池受到水浮力。若水浮力大于水池空池自重，則水池有被地下水頂起的風險。

此時，可采取兩種措施：直接加厚鋼筋混凝土水池底板厚度或保持水池鋼筋混凝土底板厚度不變，降低其板面標高，并在板面設置素混凝土配重層。相比之下，前者由于增加了底板的整體厚度，在最小配筋率的控制下，勢必會引起水池用鋼量的提升，影響水池經濟性。后者的素混凝土配重層不計入水池結構中，故對水池的用鋼量影響較小，經濟性能較好。一般采用此方法進行設計。

3.2 水壓和土壓的影響

水壓是鋼筋混凝土矩形水池結構設計中必須重視的內容，這里水壓特指水池內水頭產生的水壓力，也是水池主要的荷載之一。通常在設計中，取水池滿水水壓進行計算。此種設計方法，考慮了水池工作中可能存在誤操作致使水池滿水，以及在后期工藝上存在超挖或者欠挖的問題[1]。鋼筋混凝土矩形水池中，水壓是水池需要承受的主要荷載，而水池中水壓的大小，對水池下端彎矩會有很大影響。當水池深度較深時，水池側壁可采用變截面設計，且配筋時可采用通長筋+附加筋的形式，既保證側壁根部的受力要求，又能提高經濟性。

土壓也是鋼筋混凝土矩形水池設計中必須考慮的問題，池外有填土的水池，土對池壁造成的側壓力。當池內無水時，便出現(xiàn)最不利工況之一?？赏ㄟ^朗肯理論來算出土體的主動壓力。但土體的側壓力會受到很多方面因素的共同影響，比如：回填土的密實度、粘結力、內摩擦角等，采用朗肯理論計算的土體壓力偏于安全性。

3.3 荷載組合

在鋼筋混凝土矩形水池結構設計中，不同荷載組合，尤其獨特的應用內容，具體而言，主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

第一，水壓和自重荷載組合，是鋼筋混凝土矩形水池結構設計的基本荷載組合形式。

第二，水壓+自重+冬季溫度差。綜合考慮水壓、溫度差等對鋼筋混凝土矩形水池結構造的共同作用，如果壁面冬季溫差的絕對值大于夏季的絕對值，是鋼筋混凝土矩形水池結構設計中最為不利的荷載組合形式。由于鋼筋混凝土矩形水池一般都是露天結構，一年四季的溫差，濕度變化是不可避免的。溫差，濕差引起的結構應力很容易產生有害裂縫，也是不可忽視的。在具體設計時，按規(guī)程提供的方法計算即可。

第三，水壓+自重+濕度差。如果夏季水池壁面濕差的絕對值，大于冬季壁面溫差的絕對值，也是最為不利的荷載組合形式。第二，由于構筑物一般都是露天結構，一年四季的溫差，濕度變化是不可避免的。溫差，濕差引起的結構應力很容易產生有害裂縫，也是不可忽視的。在具體設計時，按規(guī)程提供的方法計算即可[2]。

第四，土壓+自重。針對鋼筋混凝土矩形水池外部存在覆土的水池，如果水池結構設計和運行中，會受到地下水的作用，土壓+自重 就成為最基本的荷載組合形式。

3.4 底板設計

底板設計也是鋼筋混凝土矩形結構設計的重要一環(huán)。水池底板通常需要承受較為復雜的荷載，其中既有因水池結構自重產生的地基反力，又有水池側壁傳遞至水池底板的彎矩和剪力。同時，在考慮抗浮時，空池狀態(tài)下，地下水亦會對水池底板產生豎直向上的浮托力。因此，在矩形水池底板設計中，可按照框架進行分析，假設底板為簡支立于池壁之上，而池壁在側壓力的作用下，其底端的彎矩可以作為力偶荷載，全部傳遞給底板。按照鋼筋混凝土矩形水池長寬比的不同，水池底板可分為兩種，一種是單向底板，另一種是雙向底板。計算時分別順單向或雙向截取截條，按單跨或多跨連續(xù)梁進行計算，以保證設計質量。

由于鋼筋混凝土矩形水池施工的場地千變萬化，不同場地的地下水分布情況、地基承載力等都存在較大不同，甚至是千差萬別，在具體設計中，需要結合實際情況進行浮力計算和設計，在保證質量的基礎上，控制成本，提升建設和運行的經濟性及可靠性。如果地下水位比較低，承載力比較高時，可采取水池自重抗浮設計方法，基本上能夠滿足水池抗浮的需求，而且非常經濟。但如果水池場地地下水位比較高，水池自重難以滿足抗浮需求時，可采取水池自重和水池外壁土重共同抗浮的設計方法，此種設計方法，充分利用了池外壁土重抗壓法。如果水位非常深，此種設計方法，也無法滿足抗浮的需求，就需要采取樁基抗浮的方法。

3.5 水池防滲漏設計

目前鋼筋混凝土水池被廣泛應用在水資源處理領域，隨著我國社會經濟的持續(xù)發(fā)展，水資源處理量逐年加大，鋼筋混凝土水池的數量也隨之增多，對鋼筋混凝土水池設計效果和施工提出了更高的要求，防滲漏是鋼筋混凝土水池設計的重中之重，如果防滲漏設計不達標，就無法滿足實際運行的需求，甚至會發(fā)生二次污染。尤其是污水處理廠的水源來源復雜，對防滲漏有極高的要求，為提升鋼筋混凝土水池防滲漏能力，具體設計時可從以下幾個方面同時入手。

第一，合理選擇水泥的型號和種類，提升骨料的級配性能，通過多次試驗配比，確定混凝土的配合比，以保證混凝土的質量符合要求。

第二，設計好混凝土澆筑速度和振搗的頻次，在設計方案要明確養(yǎng)護的方法、時間等，避免形成裂縫，引發(fā)滲漏問題。

第三，尤其是在污水處理廠矩形水池設計中，需要加入適量的防護料，以便在混凝土表面形成保護層，杜絕水質滲透問題。

4 鋼筋混凝土矩形水池結構設計要點

鋼筋混凝土矩形水池結構設計具有很強的綜合性，而且影響因素比較多，為保證設計質量，提升后期的運行效果，必須嚴格把控結構設計要點，主要包括以下幾方面內容。

第一，合理選擇保護層。在鋼筋混凝土水池設計中，水和土相互接觸的梁板構件，其混凝土保護層厚度要略大于設計厚度。在清水池和污水池設計中，保護層的厚度也要有所差異。在水池底版設計中，針對有地墊層的下層鋼筋保護層設計厚度不能低于40mm，如果沒有墊層，則下層鋼筋保護層的厚度不能小于70mm。

第二，在鋼筋混凝土矩形水池結構設計中，為最大限度上提升水池的施工質量和耐久性，需要保證受力壁板和底板的厚度不能低于200mm，常用的最小池壁厚度為250mm，頂板厚度不能小于150mm。

第三，在鋼筋混凝土矩形水池結構的拐角位置，或者是頂板和底板之間的連接位置，需要合理設置腋角，必須保證腋角邊的寬度不小于150mm，且腋角內配置的斜筋直徑需要和池壁的受力筋直徑相一致，相互之間的布設間距，應當控制在池壁受力筋間距的2倍左右。

第四，合理布置伸縮縫。如果鋼筋混凝土矩形水池結構的規(guī)模比較大，需要在適當的位置布置溫度伸縮縫。如果是土質地基，露天水池，每隔20m就要設置一道伸縮縫。如果是地下式后者有保溫措施的水池，可每隔30m設置一道伸縮縫，有保證施工質量。

第五，為減小池壁、底板的裂縫，受力鋼筋宜采用小直徑鋼筋和較密的間距，盡可能采用HRB335級鋼筋，根據比較，在同一個工程中，采用HRB335和HRB400鋼筋，配筋率相近，所以為了減少投資，盡量采用HRB335鋼筋?，F(xiàn)澆鋼筋混凝土水池在角隅處容易產生應力集中現(xiàn)象，很容易出現(xiàn)裂縫，因此必須適當加強，根據工程經驗，設置“暗梁”“”“暗柱”安全有效。

第六，角隅配筋。淺池池壁角隅區(qū)域的里外側都需設置水平加強鋼筋。池壁與池壁間，腋角高度c=0.8～1.0a（a為壁厚），配筋面積不小于1/2～1/3受力鋼筋面積，間距為受力鋼筋的2倍。池壁與底板之間，腋角高度c=0.6～1.0t（t為底板厚度）。

5 結束語

綜上所述，本文采用理論結合實踐的方法，分析了鋼筋混凝土矩形水池結構設計，分析結果表明，鋼筋混凝土矩形水池結構設計難度比較大，在具體設計中，需要考慮的因素比較多，任何一個細節(jié)控制不當，都影響總體設計效果，降低建設質量。要立足工程特點，嚴格把控每個細節(jié)，才能最限度上提升設計質量。