无梁板式水池的局部抗浮分析与设计方法

2017-01-17孙金勇

福建建筑 2016年12期

关键词：无梁抗浮浮力

孙金勇

(福建省电力勘测设计院福建福州 350003)

无梁板式水池的局部抗浮分析与设计方法

孙金勇

(福建省电力勘测设计院福建福州 350003)

净水站水池是发电厂重要的水处理构筑物，水池的安全可靠对于保证发电厂正常运行具有重要的意义。在地下水位较高区域，水池的抗浮稳定是十分重要的。文章根据福建省某热电厂工程，分析了无梁板式水池的局部抗浮原理，并提出了解决局部抗浮不足的多种措施。

无梁板式水池;局部抗浮;抗浮原理;抗浮方案

1 工程概况

在燃煤或燃气电厂中，净水站水池是全厂重要的水处理构筑物，而对海滨电厂或者位于江、河、湖旁的电厂来说，地下水位往往较高，水池的抗浮稳定就显得尤为重要。在许多工程事故中，如水池浮起或倾斜、与支柱相连的水池顶板或底板被拉坏、与水池连接的工艺管道被拉坏等，都是由于水池的整体抗浮或局部抗浮不够引起的[1]。因此，水池的抗浮稳定是水池结构设计的重要内容，必须引起高度重视。

该工程为福建福鼎热电厂工程，厂址临近沙埕湾，根据水文气象报告、场地地形地貌特征、地区的气候特点及设计地坪，并结合岩土工程勘察报告，抗浮设计最高地下水位按-2.2m(相对场坪零米标高，以下均同)考虑。其中，净水站无梁板式水池包括原水池、化学水池、工业消防水池、复用水池、回收水池等。

以该工程的原水池为例，分析水池的抗浮稳定。该原水池见图1和图2，平面尺寸为26.5m×31.0m，底板底标高-4.8m，顶板顶标高1.3m，顶板上无覆土，抗浮水位-2.2m，水池内支柱间距为3.7m×3.8m。原水池顶板厚0.2m，底板厚0.4m，池壁厚0.4m，支柱截面0.4m×0.4m，横向支柱之间设240mm厚5.3m高的烧结实心砖砌体导流墙。

2 水池局部抗浮原理分析

根据《给水排水工程构筑物结构设计规范》(GB 50069-2002)[2]，当水池承受地下水(含上层滞水)浮力时，应进行抗浮稳定验算。验算时作用均取标准值，抵抗力只计算不包括池内盛水的永久作用，可变作用和侧壁上的摩擦力不应计入，抗浮抗力系数不应小于1.05[3]。水池内设有支承结构时，还须验算支承区域内局部抗浮。

图1 1#原水池平面布置图

无梁板式水池的抗浮稳定验算包括整体抗浮和局部抗浮。整体抗浮是为了保证水池在地下水(含上层滞水)作用下水池不发生整体上浮或倾斜现象；局部抗浮是为了保证水池结构构件在地下水(含上层滞水)作用下不产生超过规定允许的位移，以免顶板、底板或支柱被拉坏。无梁板式水池的整体抗浮一般可通过自重抗浮、配重抗浮、嵌固抗浮、锚固抗浮等方法解决，较容易满足；而局部抗浮则较难满足要求。

根据规范[2]相关规定，局部抗浮验算应满足式(1)：

(1)

式中：

q1—顶板自重及顶板上覆土单位面积重标准值(kPa)

q2—底板单位面积重标准值(kPa)

Lx—x向柱间距或柱心到池壁中心距离(m)

Ly—y向柱间距或柱心到池壁中心距离(m)

G—单根柱重及单位区格内导流墙重(kN)

ηfw—浮托力折减系数

γn—地下水重度(取10kN/m3)

Hw—底板在地下水位下的埋深(m)

K—抗浮安全系数

以该原水池为例，

q1=25×0.2=5kPa，

q2=25×0.4=10kPa，

Lx=3.7m，

Lv=3.8m，

G=25×0.4×0.4×5.5+19×0.24×5.3×3.4=104kPa，

ηfw=1.0，

Hw=2.6，

K=1.05，

则抗浮系数:

故该水池局部抗浮不满足要求，需采取相应措施才能保证结构的抗浮稳定。

3 水池局部抗浮方案

根据局部抗浮验算公式，若需要提高局部抗浮系数以满足局部抗浮稳定要求，可通过提高抵抗力或减小上浮力来解决。具体来说，主要包括以下几种解决措施。

(1)结构自重抗浮

主要方法为增加水池顶板、底板厚度，这种方式适用于抗浮地下水位较低或水池自重与浮力相差不大的情况。工程实例统计结果与技术经济比较可知，在水池自重与浮力相差小于15%的情况下，可以通过增加结构自重来满足水池局部抗浮要求；否则，需要增加顶板、底板厚度较大，增加的结构荷载较大，混凝土工程量与用钢量增加较多，将造成工程方案的经济性较差。自重抗浮较其他抗浮方式安全可靠。

(2)增加配重抗浮

主要方法为池顶覆土、底板上部设置毛石混凝土或其他低强度等级混凝土配重、底板下部设置素混凝土配重平衡层。

池顶覆土方式适用于地下式或半地下式水池，池顶覆土后可用于厂区绿化区、活动场地、停车场等；但这种方式也会增大水池顶板承受的荷载，在结构设计时应充分考虑因覆土增加的永久荷载和可变荷载的作用，保证结构的安全。底板上部设置配重层的方式适用于竖井等结构，通过封底混凝土的自重来抵抗上浮力的作用；但该方式会使水池池壁的计算高度增大，影响水池结构的计算，若要解决该问题，可在底板上部配重层顶面按照构造要求增设刚性地坪作为池壁的水平约束。底板下部设置配重平衡层的方式适用范围较广，通过底板下吊的混凝土重量来平衡上浮力的作用；该方式需要在底板和配重平衡层之间设置拉结钢筋，保证两者之间传力可靠。

(3)锚固抗浮

主要方法为在局部抗浮计算区域内设置抗拔锚杆或抗拔桩。抗拔锚杆包括岩石地基和土基两种情况。当水池坐落于岩石地基时，要求基岩坚固完整，具有施工条件。锚杆应根据水池内支柱的位置直接布置在支柱底下，或者在整个水池底板下均匀设置；前者不改变底板受力情况，但需要验算底板在扬压力作用下的结构安全，后者则使底板内力分析复杂[4]。锚杆一般采用圆柱形，人工成孔时，宜做成锥台形，下口略大。锚孔直径(d1)一般为3d(d为锚杆直径)，但不小于d+50mm。风镐成孔时，孔径约为50mm～80mm。锚杆中心距不应小于6d1。锚杆宜采用螺纹钢筋，伸入底板的一端带弯钩，直径一般大于22mm。锚固深度一般采用1m～2m，但不宜小于1m，也不得少于40d，伸入底板的长度不小于35d。将锚孔清理干净后，湿润表面，插入锚杆，灌入M30号以上砂浆或C30细石混凝土捣实。当水池坐落于土基时，其锚固抗浮可参考《锚杆喷射混凝土支护技术规范》(GB50086)执行[5]。

抗拔桩对水池的局部抗浮作用与抗拔锚杆类似，即通过桩与土体之间产生的摩擦力来平衡浮力作用。桩一般采用预制桩或灌注桩，基桩的抗拔承载力可按照《建筑桩基技术规范》(JGJ94)计算。

(4)减小或消除浮力措施

该方法通过地基处理将水池底板下一定深度范围内的土体处理成不透水层或弱透水层。一般情况下，渗透系数大于1m/昼夜的岩层可认为透水，呈层状称透水层；呈带状称透水带，而渗透系数小于0.001m/昼夜的岩层，称为不透水层。

渗透系数介于1～0.001m/昼夜者为半透水或弱透水层。该方法采用灌浆法或高压旋喷注浆技术等地基处理方法将水泥类硬化剂注入到土层当中使其形成水泥加强土体，达到不透水层或弱透水层的要求；此外，在不透水层和水池垫层中间的缝隙处，通过在水池垫层中埋设注浆管后注入硬化剂以达到封堵避免水渗漏的目的。因此，处理后水池位于隔水层中，不透水层下的承压水无法冲破隔水层，故水池底板将不受浮力作用；若地基处理后为弱透水层，则由于地下水渗流的作用，水池仍受到浮力作用，但可进行适当折减。

(5)导渗自流降水抗浮

主要方法为在水池底板下部设置反滤层、导渗盲沟等[6]，通过专用排水管道将水排至地势较低的集水井或溪流中，以释放部分水浮力作用。

该方法为永久降水措施，适用于各类有抗浮要求的地下构筑物，但要求厂区或附近有稳定的排水出路。在设计过程中，应采取相应措施防止专用排水管道倒灌，同时应考虑水位监测措施，如在水池基坑里布置地下水位监测井。

(6)集渗强排降水抗浮

集渗强排降水抗浮称为管理抗浮。由于许多水池在正常运行时内部水位都处于较高水位，此时考虑水池内盛水压力的作用，水池抗浮能满足要求；仅仅在水池结构施工、设备安装、水池清理或检修等短时间内需要考虑抗浮。因此，该方法为短期降水措施，可在水池底板下部设置集渗盲沟，在厂区合适位置设置集水井，在前述需要抗浮的时间内将集水井内的水抽排出去，使水池处的地下水位降至抗浮安全水位以下，以满足水池抗浮要求。

该方法要求考虑水位监测措施；并在设计图纸中明确结构施工、设备安装期的抗浮管理要求，同时应将水池清理或检修等水池内水位较低期间的抗浮管理要求纳入到水池的日常运行管理中。

(7)在整体抗浮满足但局部抗浮不满足要求时，应采取构造措施增大结构本体刚度，以抵抗向下支承点处出现的向上位移，避免水池支柱和顶板、底板被破坏。而要保证浮力的有效传递，就需要保证板刚度，板厚应满足受冲切承载力和受剪承载力的要求，板刚度的具体控制计算可以参考《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)对于筏形基础的要求。

综上各种水池局部抗浮方法，结合该工程的原水池案例，经计算，水池的整体抗浮不满足要求，另由于建设单位出于厂区的整体布置考虑，要求原水池顶面超出地面的高度不超过1.3m，经技术经济比较，最终选定在底板下部设置700mm厚素混凝土配重平衡层(图2)的方法，满足水池的整体抗浮和局部抗浮要求。

4 结语

净水站水池是燃煤或燃气电厂重要的水处理构筑物，也是电厂水工结构设计的重要内容，准确地分析和设计水池的抗浮尤其是局部抗浮措施，对于保证发电厂安全可靠运行具有重要的意义。

本文根据局部抗浮的计算原理，总结归纳了解决局部抗浮不足的多种措施，包括增大结构自重、增加配重、锚固抗浮、通过地基处理设置不透水层、导渗自流降水、集渗强排降水、增大结构本体刚度等，切实解决了工程实际中遇到的问题，可供地下水位较高的构筑物抗浮设计作为参考。

在具体的工程实际中，应根据各工程的实际情况，进行多方案的技术、经济比选，选用安全可靠、经济合理的抗浮方案。

[1] 马霖.采用顶部覆土满足水池局部抗浮要求的设计方法[J].科技信息, 2014 (8):216-216.

[2]GB50069-2002 给水排水工程构筑物结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社, 2002.

[3]CECS138:2002 给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程[S].北京:中国建筑工业出版社, 2002.

[4] 沈世杰.给水排水工程结构设计手册(第二版)[M].北京:中国建筑工业出版社, 2007.

[5]GB50086-2001 锚杆喷射混凝土支护技术规范[S].北京:中国计划出版社, 2001.

[6] 陈小刚,马忠武.埋置式矩形结构局部抗浮在抗浮计算中重要性的探讨[J].工程建设与设计,2016(5):19-21.

Local Anti-floating Analysis and Design Method of Flat-slab Water Pool

SUNJinyong

(Fujian Electric Power Survey & Design Institute, Fuzhou 350003)

Water pools in water purification station are important water treatment structures of fossil fuel power plants.Safety and reliability of water pools are very significant for normal operation of power plants.In high groundwater level area, the anti-floating stability of water pools is very important.In this paper, according to a thermal power plant in Fujian Province, the local anti-floating principle of flat-slab water pool was analyzed and various measures of solving local anti-floating have been proposed.

Flat-slab water pool; Local anti-floating; Anti-floating principle; Anti-floating program