水池构筑物结构设计在给排水工程中的要点探究

水池构筑物结构设计在给排水工程中的要点探究

江莉

杭州水务设计院有限公司，浙江杭州 310000

摘要：在给排水工程中，钢筋混凝土水池构筑物是最为常见的一种水处理设施类型，本文针对水池构筑物结构设计在给排水工程中的要点，深入的分析水池结构设计应重视的规范性要点、结合截面设计、荷载组合等要点，总结水池结构设计过程中应当解决的抗浮稳定性、防渗漏以及裂缝问题。

关键词：水池构筑物；结构设计；给排水工程

给排水工程在社会经济发展的过程中发挥出了极其重要的作用。近些年来，随着我国社会经济发展脚步的逐步加快，给水排水工程项目的规模呈现出了逐年增大的趋势，数量在逐年增多，水池构筑物是给水排水工程项目中的最重要的一个组成部分，其质量直接决定着整个工程的质量情况，其造价占整个土建工程造价的70%-80%以上。如何从概念入手，掌握水池的特点和适用条件，采用合理的结构形式是水池结构设计的关键。

1、水池构筑物结构分析

市政给排水工程中的水池构筑物在实际运行的过程中，主要负责进行排污、水处理、储水、供水的功能，结构整体规模较大，需要承担较大的水土压力。钢筋混凝土水池较之于钢水池、素混凝土水池和砌体水池，具有施工简单、造价低、成型方便以及良好的防渗、防腐和耐久性等优点，因此在没有特殊要求的情况下，水池构筑物一般都会选择钢筋混凝土结构。

2、水池构筑物结构的结构特征

水池构筑物结构根据其布置的深度的不同分为地下、半地下、地上等，根据其结构特征分成了敞口型、有盖型、两层型和多格型，按照其平面形状的不同分成了矩形和圆形，根据水池构筑物壁板单元构件的高宽比又分成了混合受力型、双向板型和单向板型，根据水池构筑物的施工方式可分成整体现浇式、预制装配式水池构筑物，根据是否有预应力可分成普通钢筋混凝土水池与预应力钢筋混凝土水池。3、水池构筑物结构设计在给排水工程中的要点

3.1池体选型设计

水池构筑物设计中池体选型设计是非常重要的，设计人员要结合实际情况选择一个科学合理的体型，从而保证水池构筑物质量及整体性。

水池按照平面形状可以分为矩形水池和圆形水池。

矩形水池的特点及适用条件：

(1)水池容积相同时，矩形池占地面积较少，特别在需几个水池并列布置时，此优点更为明显。因此对场地因素的适应性强。

(2)便于工艺设备的布置和操作，可以灵活地划分区间，设置隔墙和分层分格，能充分利用构筑物的平面和空间的目的。

(3)构件分类易于模数化，施工技术较简单

(4)结构的整体性比较差，池体受力的组成因素复杂，导致矩形水池的节点设计及构造也比较复杂。

(5)矩形水池对于地基的不均匀沉降反应敏感。在温差和湿差的作用下，经常产生显著的附加应力。早期干缩效应也很明显，易于出现裂缝，需要严格地限制变形缝的间距。[1]

圆形水池特点及适用条件：

（1）受力均匀，池壁以环向受拉为主。

（2）在一般情况下，相同容积时，圆形池比矩形池所用材料少。

（3）整体性较好，受力性能较好，构造相对来说简单。

（4）施加预应力时，预应力损失小，张拉效果好。

从经济角度来说，容积3000m3以内的单个水池，采用圆形水池更为经济。3.2水池结构荷载设计

水池荷载主要包含结构和设备自重、水重、侧向水压力、土的竖向压力（池顶覆土）和侧向压力、地基的不均匀沉降等永久荷载；吊车荷载、地面堆载、池顶和操作平台的活荷载、雪荷载、风荷载、水的侧向压力和浮力、温度作用等可变荷载；以及地震等偶然荷载。

对于给水处理的水池，水容重可取 10 kN/m 3；对污水处理的水池，考虑悬浮固体等杂质的含量，水容重可取10 kN/m3~10.8 kN/m3。池外水压力应按可变作用考虑其最高计算水位不可直接引用勘察时的水位，应要求勘察报告明确。

水池池壁承载能力极限状态的结构强度验算时需计算三种结构工况:通常包括有（1）池外有土池内无水(使用阶段空池检修)（2）池外无土池内满水(施工阶段闭水试验)（3）池外有土池内满水(使用阶段满水)。多格池还有部分满水部分放空的工况，对露天水池还应考虑温差作用。

在分析水池侧向荷载时，由于水池通常是基坑开挖施工，水池外侧是回填土，侧向土压力一般均按照主动土压力计算，按照如下公式进行计算：EA=KA×γ×H，上述公式中，EA为主动土压力，KA为主动土压力系数，H为土体的高度，KA=tan2（45°-ψ/2），其中ψ为土体的内摩擦角。从上述公式中可发现，主动土压力值与土体的容重、高度、土体的内摩擦角等参数有关。侧向水压力可按照公式PW=γW×HW，其中HW为水池内水深。

竖向荷载主要包括池体自重、设备自重、水重、池顶活荷载、池顶覆土重。

设计人员还要考虑到温度对水池的影响，如果水池构筑物壁面温度相差比较大，温度变形收到约束作用的限制而不能自由变形，会在结构中产生收缩应力或温度应力，特别是当水池的长度较长时，约束作用沿长度方向累积，从而导致应力增大，导致水池出现裂缝。所以如果水池构筑物施工

期间气温比较低要格外关注施工质量。设计人员要对温度变形进行控制，如水池构筑物结构中设计膨胀加强带或滑动层。

地基的不均匀沉降，也是直接影响水池构筑物质量的关键性因素。不均匀沉降将导致上部结构出现内力重分布，上部结构构件因此产生附加内力，进而影响结构承载能力及正常使用。因此设计人员要深入分析水池构筑物的各部分沉降量，还要考虑到混凝土水池结构的整体稳定性。

地震引起的荷载对水池有较大的危害性，因此设计水池时要分析地震荷载的影响。地震荷载主要是地震引起的水平向惯性力，包括水池自身的惯性力、池内水的惯性压力和水池周围土的惯性压力。

3.3水池池体结构设计

根据工艺需要，水池可设计为敞口水池，也可采用顶盖封闭即为有盖水池。顶盖根据结构形式的不同，可以分为梁板式、无梁楼盖式、壳体式、桁架或网架式等。水池顶板通常承受自身自重、设备自重、覆土重等永久荷载，池顶和操作平台的活荷载、雪荷载等可变荷载。水池的壁板为竖向结构构件，一般为受弯构件，厚度一般在250mm~500mm之间。水池壁板根据与顶板的连接方式不同，顶端可视为自由端、铰接端、弹性固定端及固定端。水池壁与底板可视为固定端。根据池壁板件的边界条件，可以区分为四边支承和三边支承一边自由，同时根据板件的高度和长度的比值可以进一步区分单向板和双向板。若水池平面尺寸较大，池壁高度又较高时(比如H≥7.0m)，往往在壁板上设置扶壁以改善壁板受力情况。

为了让水池底板能够更好地满足池壁的固端约束，一般水池结构底板的板厚为水池壁厚度的1.2-1.5倍左右。水池设计一般采用天然地基方案，底板结构计算可采用地基反力按直线分布，认为底板固定支承于垂直壁板上。

3.4水池构造设计

水池构筑物构造设计中，设计人员首先要对水池的整体受力结构强度进行分析，一般情况下强度等级不得低于C25,严寒和寒冷地区不低于C30，要严格控制混凝土中水胶比和骨料级配。水池采用抗渗混凝土防水，抗渗等级采用P8。水池构件的混凝土保护层最小厚度，板为30mm，梁柱为35mm，底板下层筋有垫层取40mm，若为污水水池，通常保护层最小厚度还需增加5mm。水池构筑物的池壁内表面和底板上表面、顶板下表面等与污水(气)接触的部位均需设置防腐蚀层。水池池壁与顶板、底板交界处应设置腋角，两垂直向侧壁与侧壁的结合部位也适宜设置。腋角的边长应大于150mm，并应配置构造钢筋，一般可按池壁或顶、底板截面内受力钢筋的 50%。

3.5水池抗浮设计

当地下或半地下水池底板的板底标高位于地下水位以下，设计人员还要考虑到水池外的水浮力可能会造成的影响，避免抗浮力不足导致水池池体上浮。设计人员深入分析本工程项目地质勘查报告，确定水池构筑物的抗浮水位，这样才能保证水池构筑物的使用功能，保证水池构筑物设计的合理性。要详细计算水池的整体浮力、局部浮力，抗浮力只计算不包括池内贮水或物料重、上部设备重及池壁与土之间的摩擦力的荷载。水池进行整体抗浮验算时，可按照如下公式进行计算：G/（γwH1A）≥Kt，上述公式中，G为水池总重标准值(kN)，γw为地下水密度（可取10kN/m3），H1为地下水顶面至池体底板的距离(m),A为水池底板的投影面积( m2)。Kt为设计抗浮稳定系数(即抗浮安全系数)，一般 Kt≥1.05。对于中间加设支柱或隔墙等支承结构的封闭水池和多格水池应做局部抗浮验算，可按下式计算：(Gsk+Gck/)/（γwH1Acal）≥Kt,其中Gskw为池体单根支柱范围内的覆土重，Gck为池体单根支柱范围内的自重，Acal单根支柱所辖的计算板单元面积(m2)[2]。

常用的抗浮方式为被动抗浮，主要包括自重抗浮、压重抗浮、抗浮锚杆或抗拔桩抗浮。自重抗浮主要是加大水池底板、池壁、顶板的自重，压重抗浮主要是利用顶板覆土、底板配重。实际工程设计中，往往几种抗浮方式组合使用。常用的是自重抗浮+压重抗浮，这种方式往往比较经济，第二种方式是自重抗浮+抗浮锚杆或抗拔桩抗浮，这种方式造价相对较高，施工比较复杂。除此以外，也可以采用主动抗浮的方式，即在水池底板下部设置反滤层,在水池周边设置降水井,二者采用盲沟相连,通过降水解决抗浮问题。但此种方法可靠性较低,通常实际工程应用中常采用被动抗浮的方式。

设计人员首先要对施工区域水文特征进行深入调查，明确地下水的设计特征，确定抗浮设防水位，从而设计出可行性较强的抗浮方案。抗浮设防水位可分为施工期抗浮设防水位和使用期抗浮设防水位。施工期与使用期可采用相同的抗浮设防水位；拟采取地下水控制措施的工程可采用不同的抗浮设防水位。场地及其周边或场地竖向设计的分区标高差异较大时，宜按划分抗浮设防分区采用不同的抗浮设防水位[3]。受到一些地质灾害因素的影响，水池构筑物工程建设所在区域地下水无法及时排出，也会导致地下水位升高，设计人员要全面分析工程地下水位的实际情况，保证设计方案的科学性和合理性。

3.6水池构筑物防渗漏设计

混凝土水池防渗体系可从内外两类措施来构建，一类是增强混凝土自身防渗性能，如采用防水混凝土材料浇筑形成结构自防水体系；另一类是在混凝土基层表面粘贴柔性防水材料、喷覆渗晶涂膜材料构成附加防水体系。混凝土结构自防水主要通过改善混凝土材料组分、增加材料密实度来实现防水；而柔性外包防水，是指采用防水卷材或防水涂料对结构进行外包防水，从而实现总体防水目的。建筑防水应以混凝土结构自防水为主、柔性外包防水为辅[4]。水池防水等级要求很高，通常采用多道设防的复合防水层法。

混凝土水池的裂缝问题是普遍存在的问题,它的成因包括混凝土收缩应力、温度应力、混凝土养护问题、施工措施不到位、池体不均匀沉降、设计配筋不足等。故对温度变化敏感的大型清水池设计时应考虑减少大体积混凝土收缩的措施，可考虑三种方式：一是按规范每隔 20m~30m 设伸缩缝一道，内设橡胶止水带，灌填聚氨胶泥密封止水；二是设置后浇带，待40天后即混凝土收缩完成后再进行后浇带混凝土的施工，后浇带砼加10-12%水泥用量的微膨胀剂加以补偿，且加强后浇带部位砼的养护措施；三是不设伸缩缝和后浇带，于混凝土中加入适量的膨胀剂，限制膨胀率>2.5x10-4，自应力值>0.35MPa；微膨胀剂的掺量为 8%，并在 30米左右设置一条加强带，即不设缝的连续施工方法。在水池构筑物材料设计方面，设计人员要与项目整体设计方式进行结合，综合性的分析水池构筑物所处区域的地基情况以及气候环境特征，准确计算水池构筑物各个结构的强度、裂缝的宽度等各参数。设计人员还要对可能引起结构开裂的问题进行严格的控制，比如针对性地分析一些潜在的裂缝，合理的控制施工过程中的温度，保证施工质量满足相关标准。

结束语

总之，都市规模的扩大为市政给排水工程提出的新要求，水池构筑物的规模不断扩大，数量不断增多，设计人员在进行水池构筑物结构设计的过程中一定要深入踏勘现场的实际情况，明确影响水池构筑物结构安全性、适用性的因素，结合具体情况，对水池构筑物的各个构件进行合理的设计，掌握水池构筑物结构设计的要点，保证设计方案的可行性，全面提高水池构筑物结构设计的水平。

参考文献：

[1]给水排水工程结构设计手册（第二版）

[2]王昌前．矩形钢筋混凝土水池的结构分析与设计［D］． 湘潭: 湘潭大学，2015

[3]建筑工程抗浮技术标准 JGJ 476-2019

[4]窦春雷.多道抗渗漏设防混凝土水池质量缺陷诊断与治理［D］.  燕山大学

，2018