摘要：一直以来，给排水工程中的管道结构和水池结构很多时候都是埋地或半埋地，受地下水或江河湖泊的地表水的浮托力影响，抗浮稳定性的问题都是结构设计的头等大事。近年来，地埋式污水处理厂的兴建，甚至已成为了污水处理厂的发展方向，该类超大规模的地下箱体结构的抗浮问题更应是结构设计的特别重要的环节。本文对管道、水池及箱体结构的抗浮相关问题进行系统的介绍，并提出各种解决方案以及需要注意的问题。
关键词：抗浮 水池结构 地下箱体 锚杆
对于城市基础设施中建设中，给排水工程占有至关重要的一席，大量的用到了管道结构、水池结构以及近年来兴建的地埋式污水处理厂的箱体结构，这些不同类型的结构无一例外的需要面对抗浮稳定的问题。因而在上述类型结构的方案设计初期，就需要考虑抗浮的问题，综和确定需要最优的水处理工艺流程的高程，以合理的减小抗浮措施的代价，使工程建设的一次投入和今后的管理运营成本之和达到最低。
一. 什么是抗浮稳定
当工程建设的主体结构位于地下水或地表水的自由液面以下时，会受到水的浮托力，若主体结构包括自重在内的恒荷载小于水的浮托力，或者整体恒荷载虽然大于水的恒荷载但恒荷载分布极不均匀，主体结构将会整体或局部漂浮，此时就发生了抗浮失稳，对主体结构的破坏将是灾难性的。工程设计规范要求抗浮稳定系数≥1.05，这里的抗浮稳定应包含整体抗浮和局部抗浮，其中抗浮稳定中的抗力应只包含恒荷载，浮托力应由最高水位确定。
二. 各类结构的抗浮一般方案
1、管道结构
一般的埋地管道自重及覆土即能抵抗浮力，不需要特殊处理；当管道管径较大而又埋深较浅（此时管道自身重量与浮力的差距比较悬殊），地下水位较高或淹没于地表水下（如穿越河道的管道），则抗浮稳定问题比较突出，一般可采用混凝包封的方式来增加自重。沿河架空管道可采取钢筋混凝土包封来配重和跨越；也可利用自承钢管跨越，在支墩处设置管卡使管道与支墩可靠连接，利用支墩的自重来提供抗力；横跨河道的架空管道则不得低于设计洪水位以保证不侵占行洪断面和防止冲毁，因而可以避免抗浮破坏。
2、一般的刚性底板水池
当池体平面布置规则且池内隔墙间距较小时（比如清水池、调节池和其他规模较小的池体），此时可按照刚性底板来进行设计。对于此类水池，因主体结构整体刚度较大，恒荷载分布较均匀，可只考虑整体抗浮即可。此时，若自重不满足抗浮要求，则可以增加底板挑土重量来配重，若有顶板也可增加顶板覆土来配重；除此之外，尚可适当增加主体结构构件尺寸来增加自重以抵抗浮托力。一般来说，采用前述配重的方式来抗浮是最经济可行的。
3、按弹性地基板设计底板或构造底板的水池
当池体较空时，池内隔墙间距较大，底板刚度相对较弱，此时不仅需要整体抗浮，更需要局部抗浮满足要求，因而一般刚性底板水池的抗浮措施不再适用。一般地下水位较低时，受内水侧向压力的一圈池壁及其下的底板按照挡水墙进行设计，其他区域的底板按照构造底板进行设计，或者按照弹性地基板设计（将除挡水墙外的底板适当减薄以减小钢筋用量）。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆当底板自重就能抵抗浮力的影响（地下水位于底板顶面以下或者地下水位仅高于底板很少时），直接采用构造底板或适当的减薄按计算不需要处的底板厚度是可行的，一般为了更好适应工艺流程，底板的顶面保持平整，底面变化来实现变厚；但是当地下水更高一些时，构造底板或减薄后的底板（甚至挡水墙处的底板也还差一点则尚需要整体降低底板给配重留出空间）无法依靠自重来抵抗浮力，此时可采取在底板上二次浇筑一定厚度的素混凝土来配重，此种情形下一般底板的底面保持平整，顶面变厚再二次浇筑素混凝土找平以达到既能满足工艺要求，又能最大限度的减小因需配重而降低底板高程的目的。当地下水已高出底板顶面很多了，此时再采用二次浇筑素砼来配重抗浮则不那么经济了，可与抗浮锚杆或抗浮桩进行技术经济比较。
设置抗浮锚杆或抗浮桩后，每根抗浮锚杆或抗浮桩均应均能抵抗其承担面积的净扬压力（即底板底面处的静水压力扣除底板的自重），此时因为底板在最大浮力的工况下，底板受力模型可简化为倒置的无梁楼盖，要求底板具有一定的刚度和强度，构造底板不再适用，应使底板具有相当的厚度以满足构造和受力要求。
4、地埋式污水厂的地下箱体
地埋式污水厂是将所有的生产性构筑物均集中于地下箱体内，因而地下箱体兼具有前述两种类型的水池结构的特点，尚具有平面尺寸和埋深（包括底板高差）特别大、池壁（直接影响底板的刚度和恒荷载）分布不均匀等特点，因而局部抗浮是地下箱体的一个尤为至关重要的设计内容，一般要求箱体的底板能如构造底板和弹性地基板那样满足局部抗浮。由于地下箱体一般埋深很大（一般能达到15-20m），当底板受到的地下水净扬压力很小时，可按一般的配重处理即可；当地下水埋深很浅，则一般需要采用抗浮锚杆或抗浮桩来满足局部抗浮。
对下箱体进行抗浮锚杆和抗浮桩设计时，会遇到地下水埋深特别浅，底板底面处的水头将达到接近20m，这就要求抗浮锚杆或抗浮桩布置的特别密且长度很长，有时布置的间距和长度甚至超越了常规尺寸，显然是不合理也是不经济的，这时我们在设计时应可以适当的考虑底板的刚度和强度（一般箱体的底板厚度相对轴网柱距还是比较大，具有较大的刚度）进行整体分析。通过某地埋式污水厂的整体分析发现，该箱体在整体分下底板下侧的抗浮锚杆承受的扬压力水头可降低3m左右，此案例的结果可作为在某些特别极端的抗浮条件下设计思路的参考，但需要注意的是锚杆只具有抗拉刚度，抗压刚度为零，整体分析时必须采用非线性分析，且仅在抗浮工况下考虑锚杆对底板的约束作用（其他工况下锚杆均为受压）。
三. 管理抗浮
当采用一般的抗浮措施代价特别大时，为了节约工程造价，有时也采用管理抗浮。此种抗浮方式不再采用增加配重或设置结构与地基的连接构件（抗浮锚杆或抗浮桩）来抗浮，而是在运营过程中通过人为的管理措施来利用池内水来抗浮。
对于各类平时均为盛满水的水池结构，可采取在水池周围设置地下水观测井，对地下水位进行观测，当地下水高于设计的临界水位时，不将水池放空检修或控制池内的最低水位以达到抗浮目的。当采用此种管理抗浮措施时，要严格明确运营期间的操作规章，对管理人员素质要求较高。
对于各类平时均为空池的水池构筑物（比如提升泵房），池内的某些区格允许被水浸泡(如湿式泵井)，可将外部的水体与该格水池联通，当外水高于某一高程后会进入到池内，以达到增加内水重量抗浮的目标。当采用此种管理抗浮措施时，外水进入池内可能会对池体内造成污染，需要定期的清理和维护。
四. 结语
抗浮稳定作为影响给排水工程设计方案的成败的重要内容需要引起足够的重视,在应对各种类型的构筑物及其所处的特定条件，处理的方式可以多种多样，只有因地制宜，对各种方案进行技术经济比选才能得到最优的方案。
参考文献
[1] 沈世杰，王大龄，王长祥等.给水排水工程结构设计手册[M].第二版.北京：中国建筑工业出版社，2007
论文作者:魏俊,李泽雷,白明星
论文发表刊物:《基层建设》2019年第6期
论文发表时间:2019/4/29
标签：底板论文; 结构论文; 箱体论文; 水池论文; 刚度论文; 荷载论文; 管道论文; 《基层建设》2019年第6期论文;