矿山圆形钢筋混凝土蓄水池的设计与研究

张国胜，陈彦亭，刘克昭

（河北钢铁集团矿业有限公司，河北 唐山 063000）

1 引言

矿山圆形钢筋混凝土蓄水池的设计中既要满足给排水工艺要求，还要兼顾安全、经济、实用的原则。在设计过程中要认真分析所有细节，按照相关规范设计出符合要求的工程项目。

2 矿山圆形钢筋混凝土蓄水池简介

钢筋混凝土材料蓄水池有抗渗性优异、后期维护费用低、使用寿命长的特点，在各种水利工程项目中应用广泛。蓄水池的设计可以采用明露地面上或埋在地下 2种方式。对于明露地面的蓄水池，设计时要考虑极端寒冷天气的抗冻设计。蓄水池的容量通常在 20～10000m3。

3 矿山圆形钢筋混凝土蓄水池的设计

3.1 水池材料设计

蓄水池的钢材应按照 GB 50017—2014 《钢结构设计规范》进行选择，混凝土钢筋选用标准应执行 GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》。

混凝土的抗渗设计：抗渗等级 P 是利用 28d 龄期的标准混凝土试件，执行严格的试验规范标准检测混凝土试件承受的静水压力的最大值来确定抗渗等级。根据混凝土静水压力测试时能承受的最大压力 ， 可以划分成 0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa、1.2MPa5个级别，对应静水压力值设置成P4、P6、P8、P10、P125 个抗渗等级。对于矿山企业圆形蓄水池，需要选择抗渗等级大于 P6 的混凝土。选择配置混凝土的骨料时，应选择含泥量低，质地、级配满足标准要求，粗骨料的平均颗粒直径小于 40mm 的骨料。

混凝土酸碱含量设计：蓄水池用混凝土在施工中应按照工程需求添加合适的外加剂。成分采用粉煤灰和火山灰质的硅酸盐水泥，不能用早强剂作为抗冻剂。蓄水池中存储介质的pH 小于 6.0时，应进行防酸蚀防腐处理。蓄水池用混凝土的碱含量应符合规范中标准值的限定。

3.2 水池荷载计算

从结构方面分析，蓄水池需要承受的荷载主要包括：永久性荷载、可变荷载、随机荷载。永久性荷载包括蓄水池及蓄水池附属设备的自重、蓄水池的侧向土压力、覆土自重对蓄水池造成的压力、蓄水池内部介质的压力；可变荷载包括地下水或地表水产生的水压力、侧向压力、水流压力、水浮力、温湿度差产生的应力；随机荷载指蓄水池使用周期内发生的短暂的突变荷载，一般考虑负载较大，如重物从高处落下，重力势能对蓄水池产生的冲击等，这种情况要依据工程环境及模拟使用状态对突变荷载进行分析。

3.2.1 池顶荷载

封闭式蓄水池顶板部分的荷载包括永久荷载和可变荷载，可变荷载包括池上行人及堆放的临时物品产生的荷载，一般取 1.5kN/m2。永久荷载包括顶板自重、防水层自重、覆土自重。顶板的自重按照设计尺寸和材料密度进行重量计算确定。防水层一般较轻，计算重量忽略不计。覆土自重用覆土的厚度的土壤密度进行计算，一般厚度设计在 0.2～0.8m。

3.2.2 池壁荷载

池壁是水池设计的关键部分，池壁荷载包括池壁自重、池内水的侧向压力、池外土的侧向压力等。池壁的自重计算需要依据图纸的尺寸和所用材料的密度进行计算，池内水的侧方向水压按照水池填满水时的状态进行计算。池壁侧填土的侧向压力按照主动土压力计算，土的参数根据勘察数据进行数值取用。

3.2.3 池底板荷载

池底板荷载包括池内水自重、水池顶板和水池壁板的自重，以及底板的覆土荷载引起的基底反向作用力。利用极限思维分析，当蓄水池底部没有地下水时，蓄水池底部荷载主要来自基底反向作用力；当蓄水池周边存在地下水时，蓄水池底部荷载来自基底反向作用力和地下水的浮力，地下水的浮力作用使基底反力减少。

3.2.4 温度与湿度荷载

湿度与温度的动态变化容易引起物体体积的改变，在蓄水池的结构构件中，由于环境温湿度的变化，会引起混凝土结构内部应力产生变化，而这种应力变化的计算十分复杂。针对圆形蓄水池结构构件，可以忽略温湿度的荷载计算，但是要按照规范合理设置伸缩缝。

3.2.5 地震作用荷载

相对于其他荷载，地震引起的荷载对工程具有极大的危害性，所以，设计蓄水池时，要分析地震荷载的影响。蓄水池受到的地震荷载主要是地震引起的水平向惯性力，包括蓄水池自身的惯性力、池内水的惯性压力和蓄水池周围的土惯性压力。从材料来说，钢筋混凝土蓄水池有较强的抗震性。设计时要按照相关标准进行抗震计算[1]。

3.2.6 荷载组合

进行蓄水池的承载力设计时，要考虑荷载组合情况，包括以下工况：（1）蓄水池内部空载，蓄水池周围有土；（2）蓄水池内部满水，蓄水池周围有土；（3）蓄水池内满水，蓄水池周围没有土。前 2种荷载组合是蓄水池在使用中的空载和满载状态，后一种是蓄水池完工后，没有进行回填土之前的试水状态。对于地上式的蓄水池只需要分析第三种荷载组合。通常来说，第一和第三种荷载组合容易引起内力的变化，设计时要对其进行验算。

3.3 裂缝控制设计

通常通过合理的设计对裂缝能产生较好的控制，设计时主要是从控制结构构件的不均匀沉降、后浇带的设置等措施出发。不均匀沉降的控制与蓄水池周边的地质环境和蓄水池的结构体积及蓄水池埋置高度有关，所以，设计时要分析蓄水池构件的特性，从整体性进行设计。对于非荷载引起的裂缝控制，主要是利用后浇带的施工进行解决。

后浇带是在蓄水池现浇钢筋混凝土构件中，考虑到温度差变化和收缩变形而预留的缝隙。工程养护一定时间后，后浇带构件的收缩变化已经基本完成，再用混凝土材料进行缝隙填充形成密实结构。后浇带的间距由最大浇筑长度进行中计算，大多数工程控制在 20～30m。

3.4 防水设计

内壁防水层设计：内壁部分包括池顶板底面、池底板顶面、蓄水池内壁，这部分应用 1∶2 的防水砂浆进行，即利用混凝土的密实特性实现结构的抗渗防水性能和抗冻性能。通常选用标号不低于325的水泥进行混凝土配制，水灰比例应小于 0.55。蓄水池体的混凝土要达到 C25，还要控制好砂石的含泥量。

蓄水池外壁防水设计：外壁表面用 1∶2 的水泥砂浆进行均匀涂抹，还可以利用高分子特性的防水材料进行防水处理。

蓄水池周边回填土防水设计：蓄水池主体建成后，水池周围进行均匀的覆土回填，避免超填引起荷载变化。如果蓄水池处于地下水位较高的区域，在试水试验完成后，立即进行回填施工，先进行蓄水池顶部回填，然后进行蓄水池周边回填。

4 结语

对于矿山用圆形钢筋混凝土蓄水池的设计，应依靠规范标准进行合理、全面的分析，详细地进行荷载计算，通过设计手段控制裂缝的产生，制订科学的设计方案，使矿山用圆形钢筋混凝土蓄水池的设计更加安全可靠。