塑料模块组合水池

余雪松 徐志通

一、引言

水池是常用的贮水设施，其主要的功能是水的储存与调节。近年来，出现了一种雨水渗透池，池体的侧壁有渗透孔，储水能渗入地下，这类水池常用于雨水利用系统，收集降雨径流入渗地下，涵养地下水。通常，水池由钢筋混凝土预制或砖砌而成，耗费能源和土地资源；施工周期长、工序繁多；在因故拆除时建筑垃圾会对环境产生污染；同时，受建材特性和施工方式的限制，建成渗透水池侧壁的大量开孔也有较大的难度。

塑料模块组合水池的开发成功，是给水排水领域的一项重大革新，它与钢筋混凝土储水池的最大区别是：使用了一种用于搭建储水池的塑料模块，塑料模块通过连接件组装在一起，构成水池骨架，周边采用不同的土工材料包覆，分别做成普通储水池或渗透式储水池。

二、塑料模块组合水池构成与运行

1.水池构成

塑料模块组合水池由水池池体和附件组成，附件主要包括进水井、出水井、鼓风通气系统。

图1 塑料模块组合水池构成示意图

塑料模块通过连接卡连接在一起，组成水池骨架。在水池骨架的外围包覆不透水的土工膜构成储水池，包覆透水土工布构成入渗池。

进水井做成沉沙井型，水池进水管从水池进入池体，管口设截污罩。

鼓风通气系统用于水质保洁，进气管从水池侧面下部进入。

透气帽设于水池顶部。

水池的构成详见图1。

2.工艺流程

在图1中，收集的雨水，用雨水管送入水池进水沉沙井，在沉沙井中，雨水中大颗粒的泥沙沉积下来。进水沉沙井用水池进水管与塑料模块组合水池池体相连，水池进水管装有进水三通，水池充满后多余的雨水从溢流管溢出。储水用塑料模块组合水池向用户供水时，启动设于水池出水井内的供水泵打开压力供水管上的阀门，此时，水池排污管上的排污阀关闭。当塑料模块组合水池装配成渗透水池使用时，一场降雨过后，流入水池内的雨水，透过包裹在水池侧面的透水土工布及水池侧面填砂层向土壤中渗透，涵养地下水。水池出水管在水池出水井内的阀门平时打开，检修供水泵或清理出水井时关闭，防止水池内的雨水涌入井内。水池内部清洗时，开启空气压缩机向压缩空气管曝气系统供气，冲起池底的沉泥，泥渣水由水池出水管汇入出水井内，开启水池出水井内的供水泵，打开水池排污管上的排污阀将泥渣水排出，此时水池供水管关闭。低位通气帽、高位通气帽有利于水池水面上部空间的空气流动，防止水池水质恶化。水池顶板的铺砂层用于维持土工布的土工性能，水池底面的找平砂层用于保证水池池体均匀受力。水池基础层土壤素土夯实是按工程需要而定的通用措施。

三、塑料模块组合水池受力分析计算

应用于工程中的塑料模块组合水池应能承受可能遇到的受力情况，安全可靠。仅示一例。

1.水池顶部竖向压力标准值的计算

图2 水池的动荷载示意图

（1）计算条件：

按汽10重车后排双轮综合影响传递到水池顶部考虑：

水池覆土深度 2.5m

汽10外形尺寸 7×2.5m

汽10主车 总压力 100kN，前轴压力 30kN，后轴压力70kN

汽10重车 总压力 150kN，前轴压力 50kN，后轴压力100kN

汽10轴距 4m，轮距 1.8m

汽10前轮着地分布宽度 0.25m，后轮着地分布长度0.2m

汽10后轮着地分布宽度 0.50m，后轮着地分布长度0.2m

（2）水池顶部轮压标准值按下式计算：

式中:P1——轮压传递到水池顶部的竖向压力标准值（KN/m2）；

n——车轮的数量；

Q——车辆后轴单个车轮轮压的标准值，kN；

a——车轮的着地分布长度，m；

b——车轮的着地分布宽度，m；

H——行车地面至水池地面的距离，m；

d——沿车轮的着地分布宽度方向，相邻两个车轮间的净距，m。

将相应的参数代入公式有：

（3）水池顶部土压力按下式计算：

式中：P2——水池顶部的竖向土压力标准值（kN/m2）；

γ——回填土的重力密度20kN/m3。

将相应的参数代入公式有：

（4）水池顶部竖向压力标准值按下式计算：

2.作用在水池上的侧向土压力的计算

（1）埋设在地下水位以上的水池，作用在水池上的侧向土压力按下式的计算：

式中：P3——作用在水池上的侧向土压力KN/m2；

K2——主动土压力系数，与土的抗剪强度有关，按0.33选用；

γ——水池侧向土的重力密度，kN/m3。取18kN/m3。

Z——地面与计算截面的深度，m，取4.5m。

代入已知值：

（2）埋设在地下水位以下的水池，作用在水池上的侧向土压力为主动土压力与地下水静水压力之和，此时，作用在水池上的侧向土压力按下式的计算：

式中：P4——作用在水池上的侧向土压力kN/m2；

K2——主动土压力系数，与土的抗剪强度有关，按0.33选用；

γs——地下水位以下水池侧向土的有效重度kN/m3，取10kN/m3；

zw——自地面至地下水位的距离，取3.5m。

代入已知值：

四、塑料模块结构设计

1.塑料模块的基本结构

根据塑料模块水池的受力分析及实际应用情况，将储水池用塑料模块设计为长方体形，外形尺寸1000×500×400（mm），模块的两端留有DN150、 DN125D的进水管接口各一个。考虑到塑料模块制作方便，将塑料模块设计成结构相同的上、下两个单体，塑料模块是由这两个单体对扣而成，内部为镂空形状，空隙率达到95%。模块四周留有透水条缝，从而保证了水在模块之间可以自由流动。模块竖向设置25个圆形承力柱和25个方形承力柱，材质为聚丙烯 （PP）。塑料模块结构见图3。

图3 塑料模块结构示意图

2.塑料模块的受力计算

取一个单体来进行受力分析，考虑到单体的对称结构，为了简化计算，取25个支撑柱来做受力分析，将约束放在25个支撑柱的端面，载荷56000N/m2加在25个支撑柱的另一端面平面上。受力如图4。

使用SolidWorks SimulationXpress对模型进行计算，经计算各部分的应力和合位移详见图5、图6。SolidWorks SimulationXpress设计分析结果基于线性静态分析，且材料设想为同象性。 线性静态分析设想：（1）材料行为为线性，与Hooke定律相符。（2）诱导位移很小以致由于载荷可忽略刚性变化。（3）载荷缓慢应用以便忽略动态效果。

图4 单体受力图

图5 应力分布图

图6 合位移分布图

由于塑料材料没有定义屈服强度，从图5中得出最小应力为16026.5N/m2，最大应力为2.19787e+007N/m2。

在图6中，最小合位移为0mm，最大合位移为6.94508mm。25个支撑柱的合位移为0mm，说明25个支撑柱能够承受56000N/m2的载荷。最大合位移发生在支持柱的连接部分，在具体的产品设计中需要考虑。

通过塑料模块的受力分析和充分考虑产品的使用功能，塑料模块的具体结构祥见图7。

图7 塑料模块图

五、实验结果

经国家建筑工程质量监督检验中心检测，塑料模块抗压承载强度为542kN/m2，约为水池顶部竖向压力标准值的10倍；塑料模块侧向抗压承载强度128kN/m2，约为作用在水池上的侧向土压力的5倍。

六、小结与讨论

1.塑料模块组合水池，水池材质与结构的革命性变革，使水池的功能和施工方式有了根本改变，形成了普通储水池及渗透式储水池两种基本池型，表明水池已从单一的贮水功能扩展到带有了雨水利用入渗功能。水池骨架的基本单元塑料模块，在工厂开模批量生产，摒弃了水泥、粘土砖大量耗能的生产工艺，符合国家节能、低碳、环保的理念，节省了大量的土地资源；塑料模块拼装方便，组合水池的施工工序大为简化，施工周期约比钢筋混凝土水池缩短半月以上；塑料模块表面光滑，不易结垢，储水环境良好；特别是在水池拆除塑料模块可以回收利用或异地再建，避免建筑垃圾污染环境。

2.塑料模块组合水池沉泥的清理是业界关注的问题。本文所述的塑料模块组合水池，采用箱筐式模块，在模块组成的骨架层与水池底板间留有10cm的集泥区，集泥区设压缩空气管及吸泥管系。吸泥时水池宜在低水位，用压缩空气把积泥翻起，开泵将泥水从水池排出。

3.塑料模块的承力计算与实测结果的分析：塑料模块抗压承载强度为542000N/m2，约为水池顶部竖向压力标准值的9.7倍。由于考虑到聚丙烯塑料低温时变脆，耐老化性差等一些特性以及塑料模块在长时间荷重下的变形蠕变特性，取比较大的安全系数是必要的。

4.建议的塑料模块组合水池安装要求：水池的平面外形宜为I、L、F等形式；单体水池最大容积在500m3以内；水池池顶覆土为1.0～1.5m，池底最大深度为4.5m（含覆土）；水池的地基应按工程所在地的地质情况决定。