某供水工程钢筋混凝土矩形调蓄池设计

某供水工程钢筋混凝土矩形调蓄池设计

杨磊

陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001

[摘  要] 钢筋混凝土水池作为供水工程的重要调蓄构筑物，应用非常广泛。本文结合工程实例，提出了钢筋混凝土矩形调蓄池的主要设计思路，为类似工程提供了可借鉴的设计方法和依据。

[关键词]：供水工程；调蓄池；设计

作者简介：杨磊（1988-），男，陕西省岐山人，工程师，主要从事水利工程设计工作。

1工程概况

本工程的任务是为某水利枢纽提供施工期生产生活用水，工程采用浮船式泵站从现状水库取水，经多级泵站加压后至高位水池，压力输水段线路长约22.8km，高位水池以后通过配水干管至南北区调蓄池，调蓄池之后通过配水支管至各用水点。

2 调蓄池规模和选址

本工程采用单水源、单管输水，同时输水管道距离较长， 保证事故用水量的调蓄设施。北区的用水量占总供水量的91.3%，其中5#用水点为用水关键点，用水量占北区总日用水量的50%，因此应在5#用水点附近设置事故调蓄池，并兼作减压池作用。5#用水点最高日高峰用水量为1277m3/h，参考有关资料，事故检修时间按24小时考虑，事故供水系数为70%，则调蓄池设计容积取2万m3。

调蓄池选址主要有3个原则：（1）选址地形满足水池布置且附近有退水放空条件；（2）调蓄池位置距离5#供水点不宜太远且位于高地满足重力流输水；（3）地质条件良好。经过现场踏勘及分析，在5#用水点以西水库导流洞出口上方有一马鞍形小山梁适合建池，梁顶高程902.0m～908.6m，顶部覆盖3m～11m厚的黄土，下伏巨厚层灰岩。该位置基本位于各用水点中心，5#、10#、11#、12#用水点的高程为830m～835m，流经配水干管的水经过调蓄池减压后可通过重力流向各用水点供水。

3 调蓄池设计

3.1基本参数

根据现场地形条件，布置两个容积为1万m3的水池，便于轮换检修。单池采用C30钢筋混凝土矩形带柱结构，净尺寸75m（长）×30m（宽）×5.2m（高），底板和侧墙厚0.5m，顶板厚0.2m，底板外挑0.5m。立柱间距5m×5m，柱截面0.4m×0.4m，托板尺寸1.5m×1.5m，高0.12m，45°柱帽高0.35m。调蓄池底板底位于地面以下3.4m，基础坐落于灰岩上，承载力高。

3.2 结构计算

水池结构计算包括荷载计算、地基承载力验算、抗浮验算、内力计算、配筋计算、裂缝验算及抗冲切验算。由于基础巨厚层灰岩的承载力高，因此地基承载力验算从略；地下水埋深大于50m，不进行抗浮验算；侧壁设置有保温层，结构计算时不考虑温湿度变化作用；本工程抗震设防烈度为Ⅶ度，且钢筋混凝土具有较好的抗震能力，不进行抗震计算。

3.2.1 荷载组合及计算

（1）荷载计算

本池的恒荷载包括结构自重、土的竖向压力和侧向压力、水池内盛水压力；活荷载包括顶板活荷载、地面堆积荷载。根据《建筑结构荷载规范》规定“屋面均布活荷载，不应与雪荷载同时组合”，结构计算时取大值，因此不考虑雪荷载作用。根据《给水排水工程构筑物结构设计规范》规定，调蓄构筑物不计算风荷载效应。

水池计算考虑三种工况，分别为正常使用工况（池内满水、池外有土），试水试验工况（池内满水，池外无土），空池检修工况（池内无水、池外有土）。计算时：土天然重度18 kN/m3，池内水重度10kN/m3，混凝土重度25kN/m3，土压力系数Ka按郎金主动土压力计算，土的内摩擦角为30°，Ka=0.333。顶板荷载包括0.6m厚回填土（土重度取20kN/m3）及活荷载2kN/m2。地面堆积荷载标准值取10kN/m2。

（2）荷载组合

每种工况下，考虑三种荷载组合，分别为基本组合、准永久组合、标准组合，其中基本组合用于内力及配筋计算、冲切验算；标准组合用于地基承载力验算、抗浮验算；准永久组合用于裂缝验算。本水池各组合设计值计算公式如下：

基本组合设计值=自重荷载×自重荷载分项系数+其他恒载×其他恒载分项系数+活载×活载分项系数

准永久组合设计值=自重荷载+其他恒载+活载×准永久值系数×活荷载组合值系数

标准组合设计值=自重荷载+其他恒载+活载×活荷载组合值系数

计算时，自重荷载分项系数取1.2，其它恒载分项系数取1.27；活荷载（除地表水或地下水压力）分项系数取1.4，两种或两种以上的活荷载组合值系数取0.9。顶板活荷载准永久值系数取0.4，地面活荷载准永久值系数取0.5。

荷载计算成果见表1。

作者简介：杨磊（1988-），男，陕西省岐山人，工程师，主要从事水利工程设计工作。

                               表1 荷载计算成果                          /kPa

作者简介：杨磊（1988-），男，陕西省岐山人，工程师，主要从事水利工程设计工作。

3.2.2 内力及配筋

（1）内力计算方法

本水池为多跨无梁板结构，根据《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》规定采用等代框架法计算水池顶板、底板、外壁竖向及柱内力。水池外壁的水平向内力采用单块矩形板计算。

计算时以立柱为中心，在x（平行于长边）和y（平行于短边）两个方向分别截取等代框架，通过软件或结构力学方法计算得到等代框架控制截面总弯矩，按弯矩分配系数将总弯矩分配到柱上板带（柱中心两侧各1/4板带）和跨中板带（跨中1/2的板带）的各部位上，弯矩分配系数按《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》表6.1.8采用。

框架的计算宽度为柱距，即柱两侧各取一半板跨。框架柱的计算高度取池壁内净高减去柱帽高度。框架横梁的计算跨度见下式：

边跨 （1）

    中跨（2）

式中：Lxb为边柱中线至侧壁中线的距离(m)，Lxb=2.75m；L为中跨柱距(m)，L=5m，c为柱帽的计算宽度(m)，c==1.34m。经计算，Lx1=2.303m，Lx2=4.107m。

由于计算跨度的修改，改变了柱上荷载，因此将减掉的荷载补回，以集中荷载施加到柱顶。补偿的荷载计算公式见下式：

（3）

式中：△N为柱上补偿荷载；q为顶板荷载设计值；b为等代框架的板带宽度。

x向、y向框架立柱的荷载补偿计算结果见表2。

         表2 荷载补偿计算成果表         /kPa

由于本池侧壁的长高比均大于2，因此池壁在侧向荷载作用下按竖向单向板计算，荷载几乎全部沿垂直方向传递。池壁水平向只考虑角隅处相邻侧壁约束的影响而存在的局部弯矩，按规程[3] 6.1.3公式选取相应的角隅水平向最大弯矩系数进行计算。

（2）配筋计算方法

本池顶底板、竖向钢筋按单筋受弯构件计算。根据《混凝土结构设计规范》受弯构件计算公式，计算出截面抵抗矩系数，在计算配筋面积与最小配筋面积中取大值。经计算，主要配筋结果为：顶板φ14@150，柱带上层附加筋φ14@150。底板φ14@150，柱带下层附加筋φ12@150。侧壁水平向φ14@150，角隅加强筋φ12@150；竖向φ16@150，底部加强筋φ14@150。

柱配筋按中心受压构件计算并进行抗剪验算，轴力取大值，弯矩按双向受弯计算。经计算，立柱竖向受力筋8φ18，加密区箍筋φ10@100，其余箍筋φ10@200。

3.2.3裂缝验算

最大裂缝宽度计算根据规程[3]附录A公式，按作用效应的准永久组合进行裂缝宽度验算。根据规范规定，本水池为钢筋混凝土清水池，最大裂缝宽度限值为0.25mm。经验算，最大裂缝宽度为0.19mm，满足要求。

3.2.4 冲切验算

本水池为无梁板结构，池顶荷载通过板柱节点传给立柱，剪切承载力不足时，会沿柱周边产生45°角方向的斜裂缝，发生冲切破坏。冲切验算计算公式如下：

（4）

（5）

（6）

式(4)中：Fl局部荷载设计值或集中反力设计值，对于本水池，取柱所承受的轴向压力设计值减去冲切破坏椎体范围内板所承受的荷载设计值；βh截面高度影响系数，截面高度为200mm＜800mm，βh=1；ft 混凝土的轴心抗拉强度设计值，ft =1.43N/mm2；系数η取η1和 η2中的较小值，η1==1，η2==0.75，因此η=0.75；um临界截面周长即h0/2处的周长，um=6.68m；h0截面有效高度，h0=0.17m。

式(5)中η1作用面积形状影响系数，βs作用面积为矩形时长边与短边尺寸的比值，βs=2。

式(6)中η2计算截面周长与板截面高度影响系数，as柱位置影响系数，中柱as=40。

根据上述公式，经计算：

抗冲切力=852.6kN；冲切力Fl =  =519.6kN；满足要求。

3.3 构造措施

水池设计除满足强度、结构稳定和限裂计算外，还必须在构造上具有防水、抗渗和耐久能力。本工程在设计方面采取了以下措施：

(1)在相邻池壁转角处设置“暗柱”，配4根竖向受力筋来加强水池的整体性，加强了薄弱部位，提高了抗裂性能。

(2)池壁的竖向受力筋布置在外侧，水平筋布置在内侧。池壁水平钢筋在转角处相互弯折，池壁竖向钢筋与底板钢筋相互弯折。

(3)在水池内外表面抹水泥砂浆面层，加强整体刚度及保温防寒措施。

4 结语

本文结合工程实际情况，从钢筋混凝土矩形调蓄池的规模、选址、参数及结构计算原理等设计要点进行了全面分析。目前该工程已投入运行，调蓄池承担着输水干管停水检修期间枢纽工程关键用水点的供水任务，实现全时段正常供水，为枢纽工程的顺利建设提供了水源保证，发挥了巨大的效益。

参考文献

[1] 《室外给水设计标准》(GB50013-2018) 中国计划出版社

[2] 《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012) 中国建筑工业出版社

[3] 《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》(CECS138:2002) 中国建筑工业出版社

[4] 《混凝土结构设计规范》(GB50009-2010) 中国建筑工业出版社

作者简介：杨磊（1988-），男，陕西省岐山人，工程师，主要从事水利工程设计工作。

作者简介：杨磊（1988-），男，陕西省岐山人，工程师，主要从事水利工程设计工作。

作者简介：杨磊（1988-），男，陕西省岐山人，工程师，主要从事水利工程设计工作。