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水池构筑物的构造要求与设计

发表时间：2020/11/13 来源：《基层建设》2020年第21期作者：刘涛李学良

[导读] 摘要：介绍了选择水池需要考虑的因素，从水池尺寸的确定、计算简图的确定、荷载组合、内力计算等方面分析了水池的结构设计要点，以提高水池设计的科学性和经济性，并满足水池质量的要求。

        中国五洲工程设计集团有限公司北京 100053
        摘要：介绍了选择水池需要考虑的因素，从水池尺寸的确定、计算简图的确定、荷载组合、内力计算等方面分析了水池的结构设计要点，以提高水池设计的科学性和经济性，并满足水池质量的要求。
        关键词：结构设计、池壁、顶板、底板
        前言：
        水池是给水排水和水处理结构工程中最重要的土建工程，占土建工程造价的70%以上，水池结构设计的合理性对水池的造价有重要的影响，如何从概念入手，掌握水池选型和结构布置的科学性是水池结构设计的关键，因此必须对不同形式水池的适用条件、经济指标有明确的概念，用以指导工程实践。本文主要从水池的构造要求与结构设计要点入手，介绍水池的设计方法。
        一、水池壁厚的选取
        水池的壁厚一般取250~400mm，水池壁厚的选取，跟嵌固条件有关系，假如有顶板，一般可认为是池壁的不动铰支，池壁厚度取为H/（15~20）左右，如果没有顶板且是单向板的话，就要取到H/10左右，因为后者弯矩要大的多!太厚对温度应力不利。太薄不利于施工。底板厚度一般取侧壁厚的1.2~1.5倍。才能做为侧壁的嵌固端。保护层要求：按池壁35mm，底板40m（有砼垫层）计算就可（消防或生活用水），污水或是腐蚀水保护层加大5mm左右，且用相应防护措施。
        二、水池工况组合、计算简图与荷载选取
        需要计算二种工况：①池内有水，池外无土（闭水试验）；②池内无水，池外有土（空池检修）。池壁的计算简图：①嵌固顶端自由（或简支）的三边（或四边）支撑双向板计算；②按悬臂板计算；但是要注意顶端的支撑条件：当和盖板现浇的时候为铰接计算，为预制顶盖时为自由边考虑。荷载取值：①顶部活载；②侧壁土、水位高度按实际输入；侧壁的土压力，活载不小于10kN/m2；当过重车时，要取相应的值（如消防车荷载）；③池内水位标高。
        三、水池的抗浮设计
        水池抗浮问题：水池的抗浮很重要！很容易出问题。整体抗浮和局部抗浮都要验算！里面有支撑柱的大型水池更要注意局部抗浮，不要存侥幸心理。计算不足时：①增加水池自重抗浮：增大壁厚、底板厚（底板厚度不能超过侧壁厚度的2倍）。②压重抗浮：顶板加覆土；底板增加挑耳（只对整体抗浮起作用，局部抗浮不起作用）。③加抗拔桩、加抗浮锚杆。水池的设计与地下水位的标高密切相关。由于地下水位未掌握好而引起结构选型错误及抗浮不够等工程事故时有发生。根据现行国家设计规范，地下水位应根据地方水文资料，考虑可能出现的最高地下水位[1]。一般设计均取用水文资料的最高地下水位。在50年设计基准期内，一般水工构筑物地下水可变作用的取用按“工程结构可靠度设计统一标准”原则确定，不考虑罕遇洪水的偶然作用。但值得注意的是，有些工程地质勘察报告所提供的地下水位未能从地方水文资料分析得出，而仅反映勘测期间的地下水位情况。如果详勘在当地枯水期进行，所提供的地下水位标高将无法被设计取用，或导致结构计算的失误。所以设计人员应详细了解当地的水文情况，对未满足设计要求的地质勘察报告要求予以补充。要求考虑当地有无暴雨、台风的影响，是否会出现由于地表水不能及时排除而引起地下水位提高。土建设计人员应结合对地下水位和地质情况的了解，与水工艺设计人员一起决定水池的基底标高，综合工艺流程要求、土建造价、运营成本、投产年限等诸多因素，制定出方案。例如当地下水位较高或地质剖面有流沙层时，设计人员应考虑是否可适当抬高基底标高，减少浮力对结构影响及避开流沙层。

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        四、伸缩缝和后浇带的设置
        1.伸缩缝的设置
        根据设计规范，矩形构筑物最大伸缩缝间距一般为20～30m。近年来，一方面工艺所要求的水池长度已远远超过了规范间距；另一方面随着建筑材料、施工方法的改进，又为超长水池不设缝、少设缝提供了可能。设计人员在具体设计时应根据地基、气温等工程情况，考虑是否设缝及相应的施工方法，认真进行计算并采取适当设计措施。
        一般水池设计中，对结构强度、裂缝开展宽度、抗浮等计算，一般均能按规范要求考虑得较好，但是由于温度、变形以及不均匀沉降所引起的开裂，在工程中却常常遇到。大多数出现裂缝的工程实例表明，设计对温度、混凝土收缩变形等影响因素的考虑欠缺是问题的主要原因。
        笔者认为以下两点需重视：
        ①水池类构筑物并非必须保证不开裂，对设计人员来讲重要的是做好裂缝的控制。一方面设计人员要事先对可能的不利因素及其影响予以预防，另一方面在施工过程中万一发生较大裂缝要有相应的处理方法及技术措施，确保工程交付验收及投产后的安全生产及运行需要。一般说来，影响裂缝的主要因素是温差及混凝土的收缩，温度越高越易开裂，裂缝的数量及宽度也越大；混凝土收缩越大，裂缝的数量及宽度也越大。因此，设计人员要从设计与施工两个方面来加强控制。设计方面，增加配筋率或减小钢筋直径能增加混凝土的极限拉伸，因此在结构设计时，在节点应力集中处或大体积混凝土中沿截面均匀配置细、密的构造钢筋或钢筋网片，可提高构件的抗裂能力。施工方面，不要过分强调加快工程进度，不要过分追求水泥的早高强，尤其不要不分场合地使用早强型（R型）水泥。在混凝土中考虑掺加缓凝剂和减水剂，降低水灰比，适当增加粉煤灰的用量，减少水泥用量。混凝土振实成型后，要尽早表面覆盖，加强养护，延长浇水养护时间，特别是夏季和大风天气。
        ②加强对允许伸缩缝间距的计算。从设计方案来讲，设计尽可能采用无缝设计以满足施工的连续性及减少施工难度。在设计过程中，设计人员要详细收集相关资料，针对地基软硬及温差大小，选择伸缩缝的间距。一般水池设计时主要考虑施工阶段的最不利温差和混凝土收缩产生的当量温差，保证由于综合温差对混凝土产生的拉应力与混凝上相应龄期的极限抗拉强度之比值符合安全要求，并按此条件复核设计假定的伸缩缝间距是否满足。最不利温差一般可采用混凝土浇筑时气温与混凝土达稳定时温度之差。当构筑物及时回填土时，由于地下温度一般常年变化不大，混凝土达稳定时温度可近似取当地年平均温度；但如果工程施工周期较长，可能要越冬后回填情况，混凝土达稳定时温度应取当地月平均最低温度[2]。对设计考虑设置伸缩缝情况，建议伸缩缝从基础垫层就断开，这样计算底板伸缩缝间距时，基底土对混凝土底板的约束系数Cx值才切合实际。
        2.后浇带的设置
        当设计较长矩形水池时，设计可采用后浇带或UEA加强带等施工方法来减少混凝土收缩产生的当量温差及不利温差。后浇带的设置可避免部分不利的施工前阶段温差及混凝土前期收缩产生的当量温差，从而增大了构筑物伸缩缝的允许间距。后浇带的间距首先应考虑要能有效地削减温度收缩应力，其次考虑与施工缝结合。在正常的施工条件下，后浇带的间距宜为20～30m。后浇带的保留时间当然越长越好，但必须在施工期间不要影响后续工序，一般不应少于40天，最宜60天（考虑施工可能）。在此期间，混凝土水化热引起的早期温差影响基本消失，以及混凝土有不少于30%的收缩已完成。
        五、结束语
        随着我国综合国力的增强，城市的不断发展扩大，人们生活、工业生产和环境保护的需要，水池类构筑物工程的建设逐年增多。通过总结设计中的注意事项及要点，不断提高水池类构筑物的设计水平。
        参考文献：
        [1]CECS 138：2002，给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程．
        [2]王铁梦．建筑物的裂缝控制[M]．北京：中国建筑工业出版社，1997．
        [3]GB50108-2008，地下工程防水技术规范