水池结构的设计要点探讨

陈 璐

北京朗新明环保科技有限公司南京分公司

1 引言

水池是工业建筑与民用建筑中十分常见的构筑物。近年来随着工艺设备的不断改进，水池结构的建造标准也在相应提高，水池功能由最开始简单的储水要求，逐渐向水处理功能扩展，复杂的水池比如絮凝沉淀池、V 型滤池等，不仅工艺繁复、池体庞大，且土建投资成本高，结构设计难度增加。水池结构设计的经济性和耐久性对整个工程项目造价有重要意义。如何在保证工程质量的前提下，合理的优化设计方案，降低工程造价，为项目创造更大的经济效益，这是本文的研究意义。

2 水池的选择

水池结构应用广泛，类型多种多样。组成池体结构的三要素：顶板、池壁、底板。水池按照材质可分为：钢筋混凝土水池、砖砌水池、钢质水池等。按照形状可分为：矩形水池与圆形水池等。按照埋深可分为：全地上、全地下、半地上。按照使用条件可分为：顶板式、敞口式。水池的容积由工艺专业根据设备参数确定，水池的选型由土建专业结合建筑场地、工艺要求、结构受力特点等综合考量。实践经验表明，对贮水类水池，容积在3000m3以内时，圆形水池比矩形水池有更好的经济效果，容积再大，则圆形水池直径变大，池壁的环向拉力增加，势必需要较大的壁厚[1]，而较大的壁厚易在圆形池壁上形成竖向贯通的裂缝。就场地适应性来说，矩形水池更为优秀，场地利用率高，节省空间，施工技术的复杂性低，尤其当多个水池组合或上部加盖房屋的情况下，矩形水池更为理想。

3 水池的内力计算

水池的计算主要是指对池壁和底板的内力分析，顶板的计算一般是独立分析的。不同的边界约束假定和地基模型的选取，对水池的内力计算结果影响很大。对于敞口式水池和顶板为独立预制板块的水池，池壁的连接视为三边固接顶端自由；对于封闭顶板式水池，池壁与顶板的连接视为铰接，池壁与池壁的连接视为三边固定。一般假定底板对池壁的支撑为固定支撑，设计底板厚度为池壁厚度的1.2～1.5倍，只有当底板外挑长度较小或底板较薄，而地基下存在软弱土时，底板对池壁的支撑视为弹性固定。

水池计算荷载工况组合有：（1）池内无水，池外有土；（2）池内满水，池外无土；（3）池内满水，池外有土。一般情况下，工况组合1、2是两种最不利的组合,计算需要注意。当地下水位高于水池底板标高时，水池应进行抗浮验算，（池体自重+顶板覆土重+底板外挑覆土重）/地下水浮力≧1.05安全系数，及抗浮合格，如果不满足安全系数，需采取抗浮措施，例如加厚壁板、增加底板外挑长度和锚固抗浮。水池的构造要求，敞口式水池池壁的顶端在温差和地基变形的作用下是结构的薄弱点，此处宜设置闭合暗梁，梁高度不宜小于池壁厚度，内外两侧各配置不少于3C16的水平受力钢筋，以加强顶端的强度，在池壁的转角和内隔墙交接处宜设置暗柱，以加强水池整体强度和抗裂性能。

水池顶板的设计分为两类，一类是梁板式，另一类是整板式。梁板式顶板适用于顶面面积较大的情况，有效降低顶板的厚度，尤其当顶板放置重型设备时，梁板式使结构受力更明确，手算和多种软件均可复核，便于验算。整板式顶板适用于顶面面积较小的情况，最大限度地保留水池有效空间，目前给排水手册给出的计算方法是代框架法，手算比较复杂，可以参考理正工具箱软件无梁楼盖模块简化计算。顶板荷载主要有人行荷载、过车荷载、覆土深度和设备荷载，设计时选取相应的荷载值。

4 水池的地基处理

在水池的建设中，经常会遇到水池基础下分布有全部或局部厚度不等的软弱土层，其承载力和变形常常导致水池结构破裂损坏[2]。水池一般所需的地基承载力不高，主要考虑水池底板范围内的土层不均匀沉降问题，如果采用刚性桩如预制桩或灌注桩，势必会增加投资成本，针对软弱地基土层建议采用换填强夯法或复合地基等处理形式，这些处理方法其共同特点是施工周期短，造价低，效果显著。随着国家对环保节能的政策推动，地基处理技术逐渐向绿色环保、节能减排的可持续发展方向发展，多种地基处理综合使用将是一个典型趋势。

换填强夯法是将基础下的软弱土层更换为压缩性低的材料，强夯后作为新的地基持力层，置换后的基础承载力大大提高并减少沉降量。地基规范要求换填层的厚度应根据置换软弱土的深度以及下卧土层的承载力确定，厚度最小不少于0.5m，最深不大于3m。当换填层下仍有软弱土层时，对换填层下层的填料应用木夯轻轻夯拍，不得使用重夯，以免导致下层土变为弹簧土，应待填至一定厚度后方可重夯。强夯的有效加固深度，应根据试夯报告或地区经验来确定，在缺少参考值时，可参照表1进行预估,各土层夯实后的承载力可参照表2。垫层施工应分层夯实，夯实后采用静载荷试验检验换填层承载力。

表1 强夯的有效加固深度（m）

表2 夯实后的土层承载力

复合地基处理法是通过增强或置换部分土体形成竖向增强体，由天然地基土和竖向增强体共同承担荷载的地基形式。与桩基的传力不同，桩基的受力路径上部荷载由承台传递至桩,桩承担全部荷载最终传递至持力土层，桩基设计时主要考虑的是桩；复合地基的受力路径上部荷载始终由竖向增强体和地基土共同承担，复合地基设计时主要考虑的是地基土。常用的处理方法是碎石桩、水泥搅拌桩、灰土紧密桩、CFG桩等，这种地基处理形式属于柔性桩，桩体不与水池底板直接相连，通过中间设置褥垫层来分担荷载，本质上说褥垫层是传力层。由于复合地基的布桩原理成片分布，桩数较多，设计时考虑造价因素桩长不宜过长，同时需要计算单桩承载力特征值和复合地基承载力特征值，复合地基承载力应通过静载荷试验最终确定，对有黏结强度的复合地基增强体尚应进行单桩静载荷试验。

5 水池的抗渗与防腐

水池结构的主要功能是长期存储液体，而混凝土材料由于固有的力学性能，抗拉强度低，正常工况下都是带裂缝工作。裂缝的存在会引发水池渗水（如图1 所示）、锈蚀钢筋（如图2 所示），这会大大降低水池寿命，尤其对于某些存储酸碱腐蚀性强的水池，除了要求有较高的结构整体强度和抗渗性，还要求有良好的防腐蚀性。钢筋混凝土水池多数情况下由裂缝控制计算配筋。水池裂缝应以预防为主，修补为辅，尽量在施工过程中严格控制。

图1

图2

针对新建水池，在设计和施工中时应考虑减少裂缝，可参考以下措施：①选择适当的材料和骨料级配，严格控制水泥用量和水灰比，提高混凝土的水密性。②严控施工质量。在混凝土浇捣前，应先将基层和模板浇水湿透，浇捣过程应充分又避免过度，浇捣完成后，要及时进行养护，尤其加强早期养护，避免混凝土早期脱水，引起收缩裂缝，并适当延长混凝土的养护时间[3]。③混凝土中掺加添加剂，比如具有膨胀性能的抗裂防水剂、高强合成纤维。④设置变形缝或后浇带。

针对已有裂缝的水池结构，可参考以下修复方法：①填充法，沿裂缝处将混凝土开凿成U 型或V 型槽后先涂刷一层2mm厚的环氧基液，再向裂缝内填充并抹平修复材料，修复材料主要是环氧砂浆，此方法适用于水平宽大（＞5mm）、深度较浅、数量较少的裂缝。②灌浆法，用气压、液压或电化学原理，把某些能固化的浆液注入裂缝中，浆液在孔隙内扩散、凝胶直至固化。浆液材料主要是环氧树脂和甲基丙烯酸酯类材料。此方法对于细微和较宽裂缝均适用。③表面处理法，在裂缝表面填补环氧胶泥、水泥浆或在混凝土表面大面积涂刷油漆、沥青等防腐材料，此方法适用于较小裂缝，宽度小于0.2mm的裂缝。④电化学沉积法，在电位差的作用下，使裂缝里生成沉积物，从而愈合裂缝，此方法主要应用于海洋环境中的混凝土结构[4]。

针对有强酸碱强腐蚀性的水质环境，可参考以下防护技术：①渗透型，原理是通过防护材料渗透入混凝土表面孔隙中，与混凝土起化学作用堵塞孔隙或自行聚合形成保护层，以隔绝外界水质。目前应该广泛的是水泥基渗透结晶型和有机硅类涂料。②成膜型，原理是通过防护涂料自身在混凝土表面成膜进而隔绝外界水质侵入混凝土内部。市场上各种涂料种类繁多，工程中应根据水质的腐蚀性等级和防护层使用年限等因素综合确定。用于酸性环境，宜选用聚氨酯、环氧等涂料；用于碱性环境，宜选用环氧涂料。涂料随时间的推移会自然老化，需要定期翻新维护。③外贴块材型，原理是通过在水池内壁外贴耐酸砖、花岗岩等防腐块材以形成有效屏障隔绝外界水质。防腐块材厚度不宜小于30mm,施工时需要注意块材与块材的勾缝处理，环氧胶泥填实。一般情况下，块材的使用寿命比涂料久，费用略高。

6 结束语

水池结构经过长时间的使用其损耗速度会明显高于其他建筑，为节约资源，应尽可能地保证水池结构的使用寿命，这就对水池设计赋予了更高的期望。水池设计最核心的部分是内力计算，是设计的灵魂。合理的配筋结果、坚实的地基基础与适宜的抗渗防腐措施构成了一套完美的水池结构设计方案。设计者应纵观全局，根据每个项目特点，把握设计要点再着手设计方案。希望通过本文的探讨，可以为水池结构设计的合理性、经济性提供参考价值。