钢筋混凝土结构水池的设计与施工

胡建强

（立诚建筑设计院有限公司，苏州215200）

1 钢筋混凝土水池简介

水池是工业与民用建筑中常用的构筑物。在各种材料的水池中，钢筋混凝土水池因具有耐久性好、构造简单、造价低等优点，应用最广。钢筋混凝土水池按用途可分为水处理用池和贮水池；按水池建造位置可分为地上式水池、地下式水池和半地下式水池；按几何形状可分为圆形水池和矩形水池；按结构型式可分为封闭式水池和开敞式水池；按施工方法可分为整体式、装配式和装配整体式水池；按配筋方式可分为非预应力和预应力水池。

水池池壁可做成不同的结构形式。根据荷载产生的内力大小及其分布情况，主要有等厚池壁和变厚池壁2种。其中等厚池壁又可分为矩形水池和圆形水池，前者常用于容量在200m3以下的情况，后者常用于容量在200m3以上1 000m3以下的情况。而变厚池壁常用于容量大于1 000m3的水池池壁。

贮水池的顶盖和底板多采用平顶和平底型式。水处理用池由于工艺的特殊要求，池底常做成倒锥壳、倒球壳，或多个旋转壳体组成的复杂型式。倒锥壳和倒球壳组合池底形成的加速澄清池，如图1所示。

2 作用在水池上的主要荷载

作用在水池上的主要竖向荷载有池顶荷载和池底荷载，主要水平荷载有池壁荷载，如图2所示。

2.1 池顶荷载

作用在池顶上的荷载主要有顶板自重、构造层重、上覆土重、活荷载和雪荷载。其中活荷载和雪荷载不同时考虑，计算时取2者中的较大值。

2.2 池底荷载

对于整体式底板而言，所谓池底荷载指的是底板所受的地基反力和地下水产生的浮力，其效果是在底板中产生弯矩和剪力。相应的计算公式为

2.3 池壁荷载

池壁承受的荷载主要是作用于水平方向的水压力和土压力。

池壁水压力按三角形分布，池内底面处的最大水压力标准值计算公式为

池壁土压力按主动土压力计算，池壁外侧压力按梯形分布。

池壁顶端外侧压力组合标准值计算公式为

池壁底端外侧压力组合标准值计算公式为

2.4 作用在水池结构上的其他荷载

除了上述最常见的荷载之外，还有一些其他作用会对水池结构产生影响。设计中主要考虑的有温度和湿度变化以及地震作用等，它们都会对水池结构产生附加应力，在设计中必须加以考虑。

温度和湿度的变化会导致混凝土产生膨胀或收缩变形，若这种变形受到约束就会在结构中产生相应的附加应力，称为温度应力和湿度应力。导致这种温度或湿度应力产生的原因可以归纳为2个方面：池壁内外的温湿度差异和施工与使用期的温湿度差异。前者指的是使用期内池内水温与池外气温（土体温度）存在差值，后者指的是施工期混凝土硬化后与使用期的最值温度存在差值。

地震作用也可能对水池结构造成破坏，设计中也需要加以考虑，一般仅需验算水平地震作用。与地上结构相比，由于整体式钢筋混凝土水池的整体性能好，具有良好的抗震性能，能够抵御一定烈度的地震作用。因此在设计过程中，对于设计地震烈度为7度及以下的地面式和地下式水池，以及设计地震烈度为8度，但平面较规则（长宽比小于1.5）且没有变形缝（整体性好）的有顶盖地下式钢筋混凝土矩形水池不需专门作抗震验算，而只需采取相应的抗震构造措施。当设计地震烈度较大的9度及以上时，除需计算水平地震效应外，还要计算竖向地震作用效应，并将2者进行组合，一般采用平方和开平方的方法进行。

2.5 荷载组合

水池一般应根据下列3种不同的荷载组合方式分别计算内力：

1）池内满水，池外无土；

2）池内无水，池外有土；

3）池内满水，池外有土。

3 钢筋混凝土矩形水池设计

下面以钢筋混凝土矩形水池为例，对其设计方法和流程进行介绍，圆形水池的设计与之类似，不再专门列出。

3.1 不同长高比池壁的计算假定

在侧向荷载作用下，不同长高比的水池池壁受力情况是不同的，其计算假定需符合实际受力情况。池壁在侧向荷载作用下单、双向受力的划分标准，如表1所示。

表1 侧向荷载作用下池壁单、双向受力的划分标准

3.2 池壁边界（支承）条件的确定

1）开敞式水池

挡土（水）墙式水池池壁：按顶端自由、底端固定的边界条件进行计算；双向板式水池的池壁：顶边按自由计算，底边一般可视为固定支承；水平框架式水池：与底板的连接处可按固定端考虑，相邻池壁间可视为弹性固定。

2）封闭式水池

挡土（水）墙式水池：应根据池壁和顶板的线刚度之比来确定池壁的边界条件。当池壁线刚度与顶板线刚度之比大于5时，池壁顶端可视为铰接，否则应按弹性固定计算。池壁与底板的连接处可按固定端考虑。

双向板式水池的池壁：按与上述封闭式挡土（水）墙式水池相同的原则确定池壁顶端边界条件，底边一般可视为固定支承；水平框架式水池：顶板的连接应根据构造及刚度关系按铰接或弹性固定考虑，底板的连接一般可按固定考虑。

3.3 水池的结构布置原则

1）平面布置

矩形水池的平面一般是长方形的，其布置应由地形来确定。

2）基础形式

挡土（水）墙式水池基础通常采用在池壁下设置带形基础，而底板采用铺砌式结构；双向板式和水平框架式水池基础，底板通常做成整体式。

3）伸缩缝的设置

伸缩缝的设置根据建造位置进行考虑。

对于建造于土基中的现浇钢筋混凝土地上式水池，伸缩缝的间隔不宜超过20m；温度区段的长度不宜超过20m；对于建造于岩基中的现浇钢筋混凝土地上式水池，伸缩缝的间隔不宜超过15m。

对于建造于土基中的现浇钢筋混凝土地下式水池，伸缩缝的间隔不宜超过30m；对于建造于岩基中的现浇钢筋混凝土地下式水池，伸缩缝的间隔不宜超过20m。

伸缩缝宜做成贯通式，在池壁、基础及底板处均断开，缝宽不宜小于2mm。

4）挡土（水）墙式水池池壁结构型式

开敞式挡土（水）墙式水池池壁，宜做成变厚度池壁，池壁底厚＝1.5倍池壁顶厚；开敞式挡土（水）墙式水池池壁，做成等厚度池壁；双向板式水池池壁，一般做成等厚池壁；水平框架式水池池壁，一般做成阶梯式变厚池壁。

3.4 地基承载力及抗浮稳定性验算

当水池基础采用整体式底板时，一般可假设地基反力为均匀分布。地基承载力验算公式为

式中，fa为修正后的地基持力层承载力特征值，按《建筑地基基础设计规范》（GB50007—2002）的规定确定。

当水池底面标高在地下水位以下，或位于地表滞水层内而又无排除上层滞水措施时，地下水或地表滞水就会对水池产生浮力。当水池处于空池状态时就有被浮托起来或池底板和顶板被浮力顶裂的危险。此时，应对水池进行抗浮稳定性验算。

1）水池整体抗浮稳定性验算

3.5 水池计算

矩形水池的计算要点有以下几个方面：对于地上式水池，需考虑池内满水和壁面温差效应；对于地下式水池，需考虑池内满水、池外无土和池内无水、池外有土2种工况。池壁及底板的受力性质主要分为受弯、偏心受拉和偏心受压3种情况。当池壁池底处于受弯、大偏心受压或大偏心受拉时，池壁及底板允许出现裂缝，按受弯构件进行裂缝宽度验算。当池壁池底处于小偏拉时，不允许出现裂缝，按轴心受拉构件进行抗裂度验算。无顶盖挡土墙式水池采用分离式底板时，应验算池壁的抗倾覆稳定性及抗滑移稳定性。采用整体式底板的地下式矩形水池，当地下水位高于底板底面时，应进行抗浮验算。

对于挡土（水）墙式水池，遵循下列设计步骤：

1）初步估算池壁底端的厚度，基础底板的厚度一般选成与池壁底端厚度相同；

2）选定基础的宽度和它伸出池壁以外的宽度；

3）按所选的池壁及基础截面验算稳定性及基底土体应力；

4）计算池壁和基础的内力及配筋，并验算裂缝。

2）水池局部抗浮稳定性验算——仅对池内有中间支柱的封闭式水池

4 钢筋混凝土水池结构的施工

4.1 施工缝技术要点

水池底板一次浇筑完成，底板与池壁的施工缝在池壁下八字以上150～200mm处，底板与柱的施工缝设在底板表面。水池池壁竖向一次浇到顶板八字板以下150～300mm处，该处设施工缝，柱基、柱身及柱帽分两次浇筑，第一次浇到柱基以上100～150mm，第二次联通柱帽一起浇至池顶板下皮，池顶一次完成。

4.2 钢筋混凝土施工技术要点

首先对施工缝进行凿毛处理。当池壁根部混凝土强度达到2.5MPa时开始凿毛，凿毛应用剁斧或尖锤轻锤将混凝土的不密实表面及浮浆凿掉露出新茬，凿毛过程中要注意保护混凝土的棱角，不要将粗集料剔出。

池壁钢筋绑扎时应重点控制好内外层钢筋的净尺寸，为此可采用排架或板凳筋作法。

对正常厚度的池壁，池壁模板一次支到顶板腋角以下200～300mm左右。

4.3 池壁混凝土浇筑

混凝土浇筑平台与池壁模板连成一体时，应保证池壁模板的整体稳定，避免模板振动变形而影响混凝土的硬化。施工缝应事先清除干净，保持湿润，但不得积水。浇筑前施工缝应先铺15～20mm厚的与混凝土配合比相同的水泥砂浆，与混凝土的浇筑的间隔时间不应过长。池壁混凝土应分层浇筑完成，每层混凝土的浇筑厚度不应超过400mm，沿池壁高度均匀摊铺，每层水平高差不超过400mm。池壁的混凝土浇到顶部应停1h，待混凝土下沉后再作2次振动，消除因沉降而产生的顶部裂缝。浇筑后的混凝土应及时覆盖和洒水养护。

4.4 混凝土养护要求

夏季浇筑的混凝土，如养护不当，会造成混凝土强度降低或表面出现塑性收缩裂缝等，因此，必须加强对混凝土的养护。混凝土初凝后立即进行养护，连续养护14d以上。池壁在浇筑混凝土14d后方可拆模，养护时池壁顶设置洒水管，应确保各部位池壁湿润到位。池底板及顶板浇筑完毕后的12h以内对混凝土加以覆盖并保湿养护。当完成规定的养护时间后拆模时，最好为其表面提供潮湿的覆盖层，池外及时回填土。

5 结 语

水池作为特种结构，其设计具有特殊性，但是也可简化成我们熟悉的工程模式进行设计。只有全面了解水池各构件的组成及联系，才能更好的对其进行简化，以形成较为正确的计算模式。同时，将工程实践中的实例反馈到设计中，不断填充设计依照的工程案例，增强工程设计的科学性和实践性，以便于以后更好地服务于实际工程。此外，也需要高度重视施工阶段，只有设计与施工紧密相结合，才能设计出更为科学合理、经济安全的水池结构。

［1］ 王增长.建筑给排水工程［M］.北京：中国建筑工业出版社，1998.

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