探讨水池结构设计

文／黄起成 中山市环保产业有限公司 广东中山 528400

引言：

随着工业化不断发展，人类生活城市化的不断集中，环境保护的需求等因素影响下，水池类构筑物工程的建设显逐年递增的趋势。下面从结构专业的角度对水池设计所涉及的一些问题进行探讨，以保证水池结构设计技术的合理性、安全性及经济性。

1、水池结构形式的选择及计算

由于水泥水化热和温度应力的不利影响，故建议尽量选择能减少水池池壁壁厚的结构体系。根据本人十几年的设计经验，个人建议水池池深在4.5 米以下的可以采用常规的结构体系，如池壁为悬臂式的结构体系，池壁按单、双向板计算的结构体系等。水池池深在5 米以上的，个人建议单层水池可以采用扶壁式、水平肋梁式或框架式的结构体系，而多层水池个人建议尽量采用框架式的结构体系。对于框架式的结构体系在教科书及相应的水池结构设计书籍上提及甚少，但在我个人这十几年的设计及工程应用过程中，框架式的结构体系水池在安全、技术及经济上还是取得不错的效果。下面针对于框架式的结构体系水池提出我自己的个人拙见：

框架式结构体系水池顾名思义就是在池壁内加设框架柱来传递池壁水平张力，池底（顶）加设框架梁与池壁框架柱连接，从而形成框架受力体系。对于框架式结构体系水池，它是靠框架两侧水池水压来保持平衡的。当然由于工业水池一般都是多格水池连在一起的，深浅不一，且还应考虑哪几个格有水哪几格没水的不利组合，故框架两侧会存在两侧不平衡的情况，此时设计应加于考虑。个人认为搞实际设计的只要把极端不利情况考虑清楚，而不要去拘泥一些理论上的多种工况。

框架式结构体系水池的框架柱底端建议按固端计算，但此时地基若采用自然地基或复合地基时，框架柱底端应加设下柱墩来保证框架柱底部固端；若为桩基础应保证桩承台与柱的相对刚度。一般情况下柱墩和桩承台的截面积大于柱截面积的3 倍以上，厚度不小于800mm，可以保证柱端嵌固。框架柱的顶端建议按铰接计算，但应保证顶部框架梁与框架柱节点的锚固措施。若为多层水池，框架柱按底部固端，顶部铰接的多跨连续梁计算，中间与框架柱连接的框架梁应考虑梁、柱节点处弯矩的平衡问题，特别注意梁顶面钢筋的配置。池壁传递给框架柱的水平力，建议按《给水排水工程结构设计手册》的矩形水池池壁边梁内力计算表取值计算，有条件的建议按有限元分析软件计算，但目前计算水池的软件较少，且有些软件计算结果的准确与否需要人工校核判断，故做水池设计，特别是较复杂的水池结构，不应盲目相信软件的计算结果。

框架式结构体系水池的框柱顶端框架梁建议按偏拉计算，因为个人认为按力的就近传递原则，顶端框架梁应为下部钢筋传走大部分框架柱顶端的力。计算时简化为梁下部钢筋传递全部框架柱顶端的力，梁上部钢筋按不小于下部钢筋四分之一构造配置，以作安全储备，不考虑混凝土受拉承载力。另考虑混凝土受拉易开裂，建议梁箍筋通长加密配置。对于多层框架式结构体系水池的中间框架梁按实际受力情况分析，同上亦建议梁箍筋通长加密配置。

框架式结构体系水池的池壁按框架柱划分的宽度与池壁高度比例，按单、双向连续板计算。连续板端跨左、右支座建议分别按铰接支座和固端支座计算，取二者包络值，因为端部支座是否为固端取决于端部水平腋角和池壁水平钢筋的锚固情况。这几年本人做过的水池在施工过程中，水平腋角和池壁水平钢筋的锚固情况都不容乐观，施工单位因为水平腋角模板施工麻烦，重者水平腋角没做，轻者尺寸大小、钢筋构造尺寸不符合设计要求。另外，长池壁虽然划分为多跨连续板，但是应适当考虑连续板受力变形所带来的角隅弯矩，角隅弯矩的计算建议按《给水排水工程结构设计手册》取值计算。

通过本人这十几年的水池结构设计经验，按框架式结构体系设计的水池，6 米左右的池深，300 厚的池壁基本能满足所有尺寸规格的要求。而若6 米深的长池壁水池若采用悬臂式池壁，基本上要600 厚以上的池壁才能满足强度及裂缝要求。故个人认为有条件的情况下，应尽量采用框架式结构体系的水池，这样不仅能大大的减少水泥水化热和温度应力带来不利的影响，而且在不影响安全的情况下，也能带来不错的经济效果。

2、水池底板厚度的取值

上面为何谈及尽量选择能减少水池池壁壁厚的结构体系呢？因为池壁壁厚的大小直接影响到底板板厚的大小，参考工业建筑院的《水池结构设计指南》要求：底板板厚按池壁壁厚的1.2～1.5 倍取值。《水池结构设计指南》提出这一点，主要是考虑池壁与底板节点弯矩的平衡，底板下部的保护层厚度一般来说会比池壁的保护层来得厚一些，为满足弯矩平衡底板厚度就得做厚一点，另外从计算模型来说，池壁底部按嵌固端设计，也要求底板厚度大于池壁厚度。从实际施工的角度，如果底板渗漏就比较难以修补，所以也要求把底板做厚一点。在实际的设计当中建议底板厚度大概为1.2～1.25 倍池壁厚度即可，做到1.5倍个人觉得意义不大的，除非是考虑配重抗浮，另外对于单体面积较大的水池来说，过厚的底板会加大水泥水化热和温度应力带来的不利影响。对于单体面积较大的水池且内部分格较少的情况下，水池底板可以采用变厚的做法，具体可以参考《给水排水工程结构设计手册》，这样不仅可以较少造价，也能减小水泥水化热和温度应力带来的不利影响。

另外底板厚度还得参照水池的基础形式和结构形式来取值，比如地基采用天然地基或复合地基的单层水池，底板厚度建议按《水池结构设计指南》的要求取值，即1.2～1.25 倍的池壁厚度。而对于采用独立桩基承台基础的水池结构，个人认为最底层水池底板厚度没必要按《水池结构设计指南》的要求取值，仅需比池壁厚度多加40～70mm 即可，因为此时池壁下部的筏板肋梁可以很好的解决池壁钢筋的锚固问题和池壁与底板节点弯矩传递与平衡问题，那比池壁厚度多加40～70mm 这个范围如何取值呢？这就得参照《混凝土结构设计规范》GB50010-2010 第8.2.1 条，底板下部设有垫层则取40，无垫层则取70，对于底层为全地上水池则底板厚度可取同池壁厚度。另外，多层水池的二层及二层以上的水池底板厚度，取同池壁厚度即可，因为此时各层水池的底板框架梁同样可以很好的解决池壁钢筋的锚固问题和池壁与底板节点弯矩传递与平衡问题。

3、水池的构造要求

有做过水池结构设计的基本上都知道：水池计算主要是以裂缝宽度控制为主，《给水排水工程构筑物结构设计规范》中详细规定了各种水处理构筑物的裂缝宽度要求，其中工业上的污水处理构筑物裂缝宽度要求0.2mm。由《混凝土结构设计规范》GB50010-2010 的第7.1.2 条可以知道裂缝宽度的大小和保护层厚度的大小成正比关系，故不建议水池池壁的保护层厚度按《地下工程防水技术规范》的要求取50mm。《PKPM 新天地》2004年第三期第6 页，四川省建筑设计院胡允棒总工也认为地下室外墙迎水面的混凝土保护层厚度不必取50mm。况且《地下工程防水技术规范》GB50108-2008 中第4.1.7条第3 款规定已经不是强制性条文，《地下工程防水技术规范》GB50108-2008 中第1.0.2 条条文说明里也指明了这本规范的适用性，里面提及适用的地下工程一般是指有人员在里面活动的地下工程，如医院、商场、生产车间、隧道等。《给水排水工程构筑物结构设计规范》GB50069-2002 中第6.1.3 条中有明确池壁最小保护层厚度为30mm，与污水接触取35mm。工业建筑院的《水池结构设计指南》更为明确的指出池壁最小保护层厚度为30mm，与污水接触取35mm，当表面有水泥砂浆或涂料时可减少10mm，而水池的防水层一般都是要做的。由此可见，水池池壁的保护层厚度取30mm，与污水接触取35mm 即可；底板保护层厚度参照《给水排水工程构筑物结构设计规范》GB50069-2002 中第6.1.3条上部取30mm，与污水接触取35mm，下部有垫层时取40mm，无垫层时取70mm；梁、柱保护层厚度取35mm，与污水接触取40mm。

伸缩缝的设置在《给水排水工程构筑物结构设计规范》GB50069-2002 中第6.2.1 条明确伸缩缝最大间距，露天的取20m，地下的或有保温措施的取30m，主要是考虑温度效应。但由于伸缩缝施工比较困难，而且橡胶止水带的耐久性比较差，往往会导致渗漏，所以设计人员大都不愿意设置伸缩缝。根据经验伸缩缝的设置及间距，我觉得要考虑三个因素：（1）地域的问题：北方的地区要求比较高，南方比较低，我做过的在闽南地区水池长在50米左右的，用后浇带替代伸缩缝，使用期间没有任何问题，但要注意后浇带停留时间。如果是在北方地区，肯定是要被拉裂的。故伸缩缝的最大间距建议参照工业建筑院的《水池结构设计指南》来取值会比较合理，其明确有覆土地下水池取40m，顶面外露水池：严寒、寒冷地区取20m；非严寒、寒冷地区取30m。（2）埋深的问题：完全地上的水池比地下的明显要求高的多。（3）可以考虑用后浇带缓解温度效应，但要明白后浇带不能替代伸缩缝。

个人觉得水池结构计算固然重要，但更重要的是构造措施，要从好几个方面注意，才不至于出现安全问题。（1）《给水排水工程构筑物结构设计规范》GB50069-2002中第6.1.4 条明确了钢筋混凝土墙的拐角与顶、底板的交接处，宜设置腋角，腋角尺寸的边宽不应小于150mm，并应配置构造钢筋，钢筋按墙或顶、底板截面内的受力钢筋的50%取值。个人建议腋角尺寸的边宽同池壁厚度，且不小于150mm。（2）池壁水平钢筋在拐角及池壁交接处的锚固长度要严格要求施工单位按规范执行，特别注意的是锚固长度应从池壁的内侧表面起算，在《给水排水工程构筑物结构设计规范》GB50069-2002 中第6.3.3条亦有明确。（3）对于敞口水池池顶一定要记得附加池壁顶面水平构造筋。计算顶端自由的壁板时，可以清楚的看到在池壁顶面的水平弯矩往往比板中的水平弯矩来的大，故附加池壁顶面水平构造筋是很必要的。详细构造要求可参照工业建筑院的《水池结构设计指南》。（4）对于带盖水池池顶的竖向钢筋宜锚入盖板当中，锚固长度亦从池壁的内侧表面起算。（5）转角处附加钢筋的伸出长度要求，对于双向板建议取相邻池壁水平较大净跨长的四分之一及池壁净高的四分之一两者的最小值，且不小于500mm，长度亦从池壁的内侧表面起算；对于单向板建议取水池净高的三分之一，且不小于1000mm。详细的构造要求可参照工业建筑院的《水池结构设计指南》和《给水排水工程结构设计手册》，水池各节点配筋构造可参考下图。（6）水平、竖向筋哪个布置在外侧？应根据受力情况来决定：当竖向筋为主要受力筋时，竖向筋置于水平筋外侧；当水平筋为主要受力筋时，水平筋置于竖向筋外侧。

4、水池基础形式的选择

不管是单层水池还是多层水池底层都是带有底板的，这就为筏板基础提供了非常有利的条件，即在地基承载力满足要求的情况下，应优先选择筏板基础。其一，对于单层水池来说，自重带来的基础净反力比较小，一般情况下水池构造上的底板厚度就能满足筏板基础的受力要求，故从经济因素上应优先选用。其二，对于多层水池来说，基础净反力除了要考虑结构本身自重外，还需考虑底层以上水池使用荷载带来的基础净反力，所以多层水池的基础净反力还是比较大的。但在地基承载力满足要求的情况下，仍建议优先采用筏板基础，因为筏板基础不仅构造简单、施工方便，而且在结构设计过程中不用考虑底层水池水压带来的荷载，相反这部分水压在使用过程中还可以抵消部分基础净反力，这为正常使用安全提供了一份有效的保证。

当然不可能所有的地基承载力都能满足要求的，当存在地基承载力无法满足要求的情况下，不管单层或多层水池对于经过地基处理后能满足地基承载力要求的，个人建议优先采用地基处理，不建议直接采用桩基础。因为采用地基处理后的水池结构就可以直接采用筏板基础，其优点如上所述，这里就不在冗赘述诉；从经济角度来讲，在上部荷载不是很大的情况下，采用地基处理方式一般来说要比桩基础来得经济实惠。地基处理方法常用的有换填法、强夯法和复合地基，其中复合地基常用有碎石桩、水泥搅拌桩、旋喷桩、CFG 桩，更详细的可以参考《建筑地基处理技术规范》。对于换填法个人建议应用于浅层1～2米的换填，再深则不建议使用，因为过深的换填事后必然会给水池带来沉降，这会影响水池的正常使用，强夯法也存在同样的问题，故建议强夯深度不大于6 米。若处理深度大于6 米的建议采用复合地基，其实在造价相差不多的情况下，不管处理深度是大于6 米还是小于6 米的个人都更推荐复合地基，因为复合地基可以更有效地减小处理后地基带来的沉降问题，更直接地把附加力传至深处的持力层，并且在经济上相比桩基更加便宜，实际工程上我也有做过类似的比较，基础部分的费用采用预制桩的桩基础是采用水泥搅拌桩复合地基基础的2 倍左右，由此可见采用复合地基的经济效果非同一般。当然，对于采用桩基础也不能一票否决，对于上部荷载较大或者层数较多的多层水池采用桩基础还是非常必要的，因为桩基受力上更为可靠，特别是对于持力层为花岗岩的桩基础其沉降量是非常很小的，由此可见桩基的最大缺点在于其造价太高。

对于有抗浮要求的水池，在地基承载力满足要求的情况下，建议优先采用配重或抗浮锚杆来满足抗浮需求。在地基承载力不满足要求的情况下则应视具体情况采取抗浮措施，在配重能满足抗浮的条件下，建议优先采用地基处理加配重来满足承载力及抗浮需求；配重无法满足抗浮的条件下，建议优先采用桩基，为何这里会推荐桩基础呢？因为在向上有抗浮需求，向下有承载力需求的情况下，桩基础有很好的适用性，特别是挤土桩。

结语：

以上是对水池结构设计的一些理论知识和经验进行初步探讨，虽然学术界对于框架式结构体系水池尚未形成比较统一的理论知识，但在实践和应用效果中框架式结构体系水池还是取得比较好的技术和经济效果的。另外在对于具体的水池构造措施各个文献及规范还是比较统一的，同时只要我们平时设计和实践多观察、多比较、多思考，出现问题后多分析、多总结，结合多种预防处理措施，水池结构设计的一些安全隐患问题是完全可以避免的。