浅谈水池构筑物的结构设计分析

摘 要：本文针对水池构筑物的结构设计进行了分析研究，介绍水池构筑物的常见类型和应用领域，探讨水池构筑物的结构设计原理，包括材料选择、结构形式、受力分析等方面，并分析钢筋混凝土水池结构设计要点。

关键词：水池构筑物；结构设计；材料选择；结构形式文章编号：2095-4085（2024）08-0076-03

0 前言

水池是市政及水利工程中重要的构筑物之一，在信息化时代背景下，人们对水资源的需求持续增加，水池规模和功能进一步扩大，传统水池构筑物采用土石堰坝、混凝土坝体进行建造，这些构筑物在满足基本要求的同时，也存在各种问题，如施工周期长、造价高、维护困难等。近年来，随着计算机技术和模拟软件快速发展，水池构筑物结构设计分析方法得到有效改进，通过数值模拟和结构优化等手段，能准确计算出构筑物的受力和变形，为工程设计提供科学依据。同时，借鉴其他行业的先进技术，有助于提高水池构筑物的设计水平［1］。

1 水池构筑物结构形式和特点

水池构筑物是一种人工建造的水体容器，用于储存水资源或进行污水处理设计，能以不同的结构形式出现，每种形式都有其独特的特点。水池结构在工业建筑中应用广泛，如浓缩池、沉淀池等；在民用建筑中也是必要的附属设施，如消防水池等。根据其用途和场地条件常见水池结构形式主要包括地下水池、半地下水池和地面水池。地下水池常用在储存大量的水资源，如城市供水系统中的蓄水池；地面水池和半地下水池则在污水厂中得到广泛的应用。不同水池结构形式也有各自的优点：地下水池由于位于地下，具有较好的保温性能，不易受外界温度影响，可以有效的减小温度产生的应力；地面水池可根据需要进行各种形状和尺寸进行设计，如圆形、方形、长形等。同时，地面水池还可以与周围的景观相结合，增添美感和观赏价值。此外，水池构筑物的结构形式还要考虑其承载能力和防水性能，钢筋混凝土水池通常具备良好的防水性能，能有效防止水体渗漏，同时具备较强的承载能力从而承受水体的重量和外界的压力。

2 常见钢筋混凝土敞口水池结构设计流程

2.1 确定结构方案

当地基条件为软弱土或有地下水时，应为整体式底板。

直壁式壁板的高度一般控制在7m左右，如高出此值，可采用扶壁式壁板或预应力混凝土结构。

敞口池的平面尺寸较大且超过规范要求时，应设置适应温度变化作用的伸缩缝；若采用后浇带或在混凝土中掺加外加剂，可根据设计经验将伸缩缝长度适当加长；也可考虑采用预应力混凝土。

敞口水池可以是地下式、半地下室、地面式。对露天水池，应考虑温（湿）差作用或保温措施。敞口水池上端可以是自由的，也可以利用走道板作为池壁上部的支承，此时池壁上部的支承条件应根据走道板的横向刚度计算确定，走道板的厚度不宜小于20cm。

2.2 设计基础资料

（1）工程地质勘察报告。

（2）水工艺条件。

（3）相关水文及气象资料。

2.3 水池结构设计主要包括的内容和步骤

（1）确定设计要求。根据水池的工艺用途、规模和所处环境等条件，确定水池的设计要求，包括容积、深度、形状、结构材料等方面的要求。

（2）水池荷载计算及其组合。

（3）地基承载力及变形验算，地基反力计算。

（4）水池结构截面强度计算。根据水池的截面尺寸和结构材料，计算结构在水压力和土压力等荷载作用下的强度。根据结构力学原理，计算出结构的抗弯强度、抗剪强度等参数。

（5）水池构件变形验算，通过控制裂缝，来满足水池的使用需求。

（6）结构稳定性计算。水池的结构稳定性是指在荷载作用下，结构是否能够保持平衡和稳定，需要进行结构的稳定性计算，包括抗浮、抗滑移、抗倾覆等方面的计算。

（7）根据计算结果，进行结构的施工图设计，包括梁、板、柱、墙、基础等部位进行施工图绘制，同时对各个构件的布置、连接方式等方面进行细化设计。

3 水池结构主要作用荷载及计算

3.1 作用类型

在水池的设计和施工过程中，需要考虑到各种不同类型的作用，包括永久作用、可变作用、偶然作用，这些作用对水池结构有着重要影响。永久作用是指在水池使用寿命内，始终存在且不会改变的作用，典型的永久作用包括结构自重、土压力、水压力等。可变作用主要包括地面堆载、水池活荷载、地下水压力、雪荷载、温（湿）度变化作用等。偶然作用是指在结构设计使用年限内不一定出现，而一旦出现其量值很大，且持续时间很短的荷载，如如爆炸、撞击等［2］。

（1）内水压力。储水是水池最基础的功能。当水池中储存有水资源时，会给壁板产生水压力，这时水压力作用在水池池壁侧面，形成三角形荷载，水位如果一直变动幅度较小，水压力能根据永久作用进行计算。

（2）土侧压力。作用在水池上侧向的土压力标准值，对水池位于地下水以上的部分可按朗金公式计算主动土压力，地下水以上的重力密度可按18kN/m3采用，对水池位于地下水以下部分的侧压力，应为主动土压力与地下水静压力之和，此时土的重力密度应按容重计算，可按10kN/m3采用。

3.2 水池结构的计算

钢筋混凝土水池结构的计算与一般混凝土结构相似，采用基于概率理论的极限状态设计方法来衡量结构构件的可靠性。根据规范要求，承载能力极限状态和按正常使用极限状态这两种极限状态都需要进行结构计算，并满足相应的要求。各种类别、形式的水池结构构件，均应按承载能力极限状态计算和按正常使用极限状态验算。

承载力极限状态。在结构强度计算中，我们采用分项系数设计表达式，包括强度计算和稳定验算两个部分。强度计算考虑了结构的承载能力，并按照规范的要求进行计算。稳定验算则是为了确保结构在受力情况下的稳定性，使用稳定性系数来进行设计。在计算强度时，要满足以下公式的要求：

γ0S≤R

公式中： Y0表示结构的重要性系数；S表示作用效应组合设计值；R表示结构构件抗力设计值。

正常使用极限状态。水池结构构件按正常使用极限状态设计时，应分别按作用效应的标准组合或准永久组合进行验算。结构构件的变形、抗裂度和裂缝宽度计算值应满足相应的规定限值。

4 钢筋混凝土水池结构设计的要点

（1）钢筋混凝土水池的结构内力分析计算时，首先应选择与实际相符的计算模型、边界条件，才能保证设计结果的准确性和可靠性。壁板的边界条件一般可分为：三边支承一边自由或四边支承。水池构筑物还应按工程所在位置的设防烈度进行抗震承载力验算，满足对应的抗震构筑措施要求，确保在地震作用下水池的安全。

（2）当抗浮水位高于水池构筑物底板标高时，还应进行水池的抗浮稳定性验算，应分别计算水池的整体抗浮和局部抗浮。若整体抗浮验算不通过，可采取增加配重（池顶覆土、 底板压重等）或抗浮锚桩等措施来解决；若局部抗浮不满足，可增加底板厚度、配筋等措施。对地下水池还应注意避免基坑开挖后，由地表水和大气降水汇入基坑形成“盆池效应”，施工时应作好场地截排水及地表封闭，并作好基坑降、抽排水措施，水池施工完成后，基坑回填应采用不透水的粘土或灰土［3］。

（3）对地面水池，温、湿度作用的计算不可忽视，不满足规范有关变形缝构造要求的露天水池池壁，设计时应计算温、湿度变化对壁板中面的作用。

（4）钢筋混凝土水池构筑物还应注意加强构造措施。第一，按规范要求布置后浇带或伸缩缝、受力钢筋尽量采用小直径、采用补偿收缩混凝土等，可以有效控制由于温度作用、混凝土收缩变形、基础变形等因素产生的裂缝。第二，池壁拐角及池壁与顶、底板交界处设置45°腋角，腋角附加筋与受力筋直径相同，间距宜为池壁受力筋间距的两倍，可以增加连接处的抗裂性。第三，敞口水池顶端宜配置水平向加强钢筋。水平向加强钢筋内外两侧各不小于3根，间距不宜大于10cm，直径不小于池壁受力钢筋，且不宜小于16mm。

（5）在钢筋混凝土水池结构设计中，防水非常重要，一旦发生渗漏，不仅会造成水资源的浪费，还可能对周围环境和建筑物产生不良影响。水池设计要根据工程情况和规范要求确定防水等级和防水做法。水池构筑物池体防水应采用结构防水混凝土加外设防水层的构造防水，防水混凝土的抗渗等级应由设计确定。常见外防水方式主要包括防水卷材、防水涂料、水泥基防水材料等。而水池作为一种长期使用的构筑物，其结构设计需要考虑到其使用寿命和维护性。在设计时，要选择耐久性好、抗腐蚀能力强的材料，才能延长水池的使用寿命；合理设置检修孔、清洁孔等，方便日常维护和保养［4］。

（6）在钢筋混凝土水池结构设计中，荷载取值是非常重要的部分，其直接关系到水池的安全性和经济性。水压力是由储存在水池中的水体对池壁和底板产生的压力，水压力大小取决于水位的高低和水密度。在设计水池的结构时，设计人员要根据水池所处的环境条件和使用需求，合理确定水压力的大小。水压力取值偏小容易造成水池结构强度不够，水压力取值过大则难以保证经济性。同时设计水池结构时还应考虑偶然作用对水池结构的影响，偶然作用是指在水池使用过程中可能发生但概率较低的作用，常见偶然作用包括冲击荷载和压力荷载等。冲击荷载是指由于事故原因引起的突然冲击力，需要考虑在设计中，设计人员要进行适当的安全评估和预防措施。因此，在水池的结构设计中，需要考虑偶然作用的大小和方向，采取相应的抗震措施，如设置加固筋、增加水池整体刚度，以确保水池结构在偶然作用下不会发生破坏。另外，温度变化会导致水池结构材料的膨胀和收缩，进而引起应力和变形。特别是在寒冷的气候条件下，水池结构容易受到冻融循环的影响，导致结构的破坏。因此，在水池的结构设计中，需要考虑温度荷载的大小和变化范围，选择合适的材料和结构形式，从而提高水池的抗温性能，确保其长期稳定运行［5］。

（7）水池是储存水资源的重要设施，其构筑物的结构设计至关重要。水池的构筑物通常采用钢筋混凝土材料，钢筋混凝土具有较强的强度特性。在设计水池结构时，设计人员要充分考虑材料的强度参数，如混凝土抗压强度、抗拉强度、钢筋屈服强度等。根据材料的强度特性，合理选择截面尺寸和配筋率，确保水池构筑物在正常工作状态下具有足够的强度和刚度。此外，水池构筑物在受力过程中可能会发生不同形式的破坏，如弯曲、剪切、压碎等，在确定水池截面时，充分考虑水池构筑物的强度和稳定性，确保水池的结构稳定性。

5 总结

综上所述，水池构筑物的结构设计是一个复杂而关键的工程问题。经过对现有研究和实践经验的分析研究。发现水池构筑物的结构设计是综合性的问题，通过合理选择材料、进行力学计算和分析、考虑施工和维护的可行性，并兼顾经济性和可持续发展的要求，才能实现水池构筑物的结构设计的实用性，这对于确保水池安全运行具有重要意义。

参考文献：

［1］李刚，张芬芬，夏雷.给排水工程中水池构筑物结构设计要点分析［J］.居业，2023（5）：79-81.

［2］张耀文.给排水工程中水池构筑物结构设计要点分析［J］.电脑爱好者（普及版），2023（10）：133-135.

［3］杨乐，李宁.污水厂构筑物水池结构设计、施工的优化分析［J］.科海故事博览，2023（13）：106-108.

［4］张琪.已建污水处理厂绿色节能改造结构设计分析［J］.安徽建筑，2022，29（3）：74-76.

［5］马梓涵，王强.水池技术改造工程中池壁洞口改造加固设计与分析［J］.工程建设与设计，2023（5）：44-47.