摘要：孝*县供水公司供水清水池设计是一个难题，分别从抗浮、抗渗、抗震设计、沉降设计处理等方面分析，结合实际工程，详细介绍了水池的抗浮设计及措施，同时还对其他设计因素分析，可供相关技术人员参考。
关键词：工程概况；清水池；抗浮；抗渗；抗震设计；沉降处理
1 工程概况
孝昌县供水公司扩建清水池长50米，宽30米，深4米覆土0.7米厚；地质结构：第一层为种植土厚1米，第二层为粉质土（遇水成泥沙）均厚2.4米，第三层为粉质砂土均厚2.7米，第四层为砂砾石层厚1.8米，第五层为强风化岩厚2.1米，第六层为弱风化岩厚10米，常年地下水位黄海高程36.54米，场地地面黄海高程37.24米。
2 清水池外墙设计
2.1 清水池外墙
供水清水池外墙配筋计算中，如果外墙带有扶壁柱，就得区别扶壁柱尺寸大小，一律不得按双向板计算配筋，而扶壁柱按清水池结构整体分析结果配筋，又要按外墙双向板传递荷载验算扶壁柱配筋。按外墙与扶壁柱变形协调的原理，其外墙竖向受力钢筋配筋不足、扶壁柱配筋偏少、外墙的水平分布筋有富余量。建议：除了垂直于外墙方向有钢筋混凝土内隔墙相连的外墙板块或外墙扶壁柱截面尺寸较大外墙板块按双向板计算配筋外，其余的外墙宜按竖向单向板计算配筋为妥。竖向荷载（轴力）较小的外墙扶壁桩，其内外侧主筋也应予以适当加强。外墙的水平分布筋要根据扶壁柱截面尺寸大小，可适当另配外侧附加短水平负筋予以加强，外墙转角处也同此予以适当加强。
2.2 清水池底部
清水池外墙计算时底部为固定支座（即底板作为外墙的嵌固端），侧壁底部弯矩与相邻的底板弯矩大小一样，底板的抗弯能力不应小于侧壁，其厚度和配筋量应匹配，这方面问题在地下车道中最为典型，车道侧壁为悬臂构件，底板的抗弯能力不应小于侧壁底部。清水池底板标高变化处也经常发现类似问题：标高变化处仅设一道梁，梁宽甚至小于底板厚度，梁内仅靠两侧箍筋传递板的支座弯矩难以满足要求。地面层开洞位置（如楼梯间）外墙顶部无楼板支撑，计算模型和配筋构造均应与实际相符。车道紧靠清水池外墙时，车道底板位于外墙中部，应注意外墙承受车道底板传来的水平集中力作用，该荷载经常遗漏。
3 清水池抗浮和抗渗设计
3.1 清水池抗浮设计：
3.1.1 清水池抗浮设计水位：
清水池抗浮设计水位也就是地勘报告中所提的抗浮设计水位。
3.1.2 清水池抗浮稳定性验算应满足下式要求：
G≥1.05F 式中，G为水池内不盛水时水池自重等永久作用荷载，当构筑物为沉井等侧壁与土体紧密接触的结构，可计入侧壁上的摩擦力；F为地下水浮力。根据荷载规范，永久荷载对结构如有利时，分项系数则取 1.0，所以式中W取应标准值；荷载规范也规定，对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，荷载的分项系数应按有关的结构设计规范的规定采用，而目前，只有《给排水工程构筑物结构设计规范》GB50069-2002第5.2.2条和5.2.3条规定了抗浮稳定验算时地下水浮力的分项系数为1.05.
当清水池自重及其地面以上作用的永久荷载标准值的总和不满足式G/≥1.05的要求，应采取抗浮力措施。工程设计中主要利用的是结构的自重来抗浮力，只有当结构自重小于水浮力时，才采取相应的抗浮措施。
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图1 整体抗浮时的水池抗浮力 图2 局部抗浮时的水池抗浮力
图1为考虑水池整体抗浮时的抗浮力示意图。图中，G1为池体自重；G2为池内压重；G3为池顶压重；G4为池壁外挑墙趾上压重；G5为池底板下部配重；F1为池底抗浮桩或锚杆的抗拔力。
对设置有中间支柱的封闭式水池，除验算整体抗浮稳定性外还需验算局部抗浮。验算时，局部抗浮力按图2考虑。图中，各抗浮力均为每一支承单元内的值。
3.2 抗浮措施：
3.2.1 自重抗浮
自重抗浮即通过提高池体结构自重G1来达到抗浮的目的。此法一般适用于水池自重与地下水浮力相差不大的情况。
自重的增加一般通过加大水池池壁或底板来实现，这样做虽然会增加混凝土用量，但由于结构厚度的增加，可以降低池壁与底板的配筋率，减小钢筋用量，所以适当地增加结构构件的截面，对造价的增加幅度并不很大。同时，构件截面的加大，相应也提高了水池结构的刚度。
采用自重抗浮对于原设计水池截面配筋率相对较大的水池最为经济适用。但若原水池截面配筋率不大，增大截面后，有可能使结构构件为满足最小配筋率而增加钢筋用量，池体造价会因此上升，这时宜考虑采用其他的抗浮措施。
3.2.2 压重抗浮
压重抗浮是通过在池内、池顶或池底外挑墙趾上压重来抗浮。
池内压重即增加G2抗浮，一般需将池体落深，在池内填筑压重混凝土或浆砌块石等其他材料来达到抗浮的目的。此法增加了池壁高度和基坑深度，但一般不会增加池底所受的不均匀地基反力，故对底板的内力影响较小。
池顶压重即增加G3，常用于埋地式或半埋地式水池，如自来水厂的清水池、吸水井和一些污水处理构筑物等。采用此法，可充分利用池顶覆土种植绿化或作为活动场地，但池顶压重会大大增加池顶板和底板的荷载，使顶、底板的结构厚度和配筋都相应增加。
外挑墙趾上压重即增加G4，这样做不需增加基坑深度，但一般均需将底板外挑较大范围，以增加基坑面积，并且可能对相邻的建筑物、构筑物或管线等造成一定的影响，另外会增加池底所受的不均匀地基反力，使池底板的内力增大。此法可直接利用外挑墙趾上的回填土或填筑毛石等自重。
较大的材料抗浮。若直接利用回填土，考虑到回填土的不均匀性及填挖的不确定性，一般应乘0.8~0.9的折减系数。此法常用于一般中小型水池的抗浮，但不宜用在平面尺寸较大的水池，对需考虑局部抗浮的水池也不适用。
3.2.3 池底配重抗浮
池底配重抗浮即增加G5，是在水池底板以下设配重混凝土，通过底板与配重混凝土的可靠连接来满足抗浮要求。其典型例子就是在沉井结构设计中，如果井体的自重不足以满足抗浮要求，可在底板与封底混凝土间设置拉结短筋，利用封底混凝土的自重抗浮。此法用于一般水池时，其受力情况近似池内压重抗浮，不需增加池壁高度，但要保证底板与配重混凝土的可靠连接，并且其配重材料一般应采用强度等级不小于C15的混凝土。基底配重抗浮一般比池内压重抗浮更为经济，但若池内压重可在工程所在地就地取用块石等，则池内压重抗浮的造价可能比基底配重抗浮更低。
3.2.4 打抗拔桩抗浮或打锚杆抗浮
打抗拔桩抗浮与打土层锚杆抗浮的方法相似，分别是通过桩或锚杆的抗拔力N1来抗浮，即利用桩或锚杆对池体的锚固力来抗浮。此类方法对大体积埋地水池的抗浮相当有效，不仅能满足池体的整体抗浮，还能通过桩或锚杆的合理布置，很好地解决大型水池的局部抗浮问题。
抗拔桩的抗拔力设计按桩体与土的摩擦力和桩身抗拉承载力的较小值取用，一般情况下由桩体与土的摩擦力控制。桩径越小，同体积桩体的表面积越大，则摩擦力也越大。另外，由于大部分水池为平板基础，若单桩抗拔力过大，对底板的集中荷载作用明显，此时为承受此抗拔力而必须采取的底板的局部加强或改变底板的结构形式，会使造价进一步增加。所以，抗拔桩一般宜选用桩径较小、单桩抗拔力相应较小的桩进行密布。抗拔桩的桩长宜尽量控制在单节桩的长度范围内，这样可以减少接桩费用以及避免由于接桩不牢固造成的抗拔力损失。由于桩端承载力对抗拔力无帮助，所以抗拔桩一般无需打入硬土层。
3.2.4.1 抗浮锚杆：
锚杆孔直径宜取3倍锚杆直径，但不得小于1倍锚杆直径加50mm，通常取150mm，锚杆构造。锚杆宜采用带肋钢筋。锚杆孔填充料可采用水泥砂浆或细石混凝土。水泥砂浆和细石混凝土标号不能低于C30.灌浆前应将锚杆孔清理干净。锚杆承载力可通过 《建筑边坡工程技术规范》第7.2.2条确定。柱底负的轴力除以单根锚杆的承载力就可以确定柱底锚杆的根数。
3.2.4.2 增设抗拔桩
抗拔桩设计应注意，对于岩石地基，抗拔桩的计算应注意以下几点：钢筋混凝土轴心抗拔桩的正截面受拉承载力应符合下式规定：
N<fyAs（非预应力抗拔桩）；
N--抗拔桩轴向拉力设计值；
抗拔桩的裂缝应小于0.2mm。
抗拔桩桩基承载力按《建筑桩基技术规范》第 5.4.5 条确定，由于岩石地基侧阻力很大，嵌岩很短桩基抗拔承载力就很大，所以抗拔桩的承载力主要由桩身配筋和裂缝控制，抗拔桩的桩身配筋应由计算确定，当然也要满足最小配筋率。
3.2.5 在设计条件允许的情况下，尽可能提高基坑坑底的设计标高，这样就降低抗浮设防水位。比较而言，平板式筏板基础的重量和梁板式筏板基础上填覆土的重量基本相当，但后者的基础高度一般要比前者高，在保证基顶标高不变的情况下，后者的基础埋深要大于前者。从而相对提高了抗浮水位，因此采用平板式筏板基础更有利于降低抗浮水位。
3.2.6 楼盖使用宽扁梁或无梁楼盖。一般宽扁梁的截面高度为跨度的 1/22～1/16，宽扁梁的使用将有效地降低地下结构的层高，从而相对降低了抗浮设防水位。
3.2.7 增加清水池的层高来增加清水池的重量是解决清水池抗浮问题的一个直接有效的方法，但这种方法还应该结合地基土的承载力而定；在对主体结构的地基承载力进行深度修正时，增加清水池的层高可以提高主体结构的有效埋置深度，从而提高了主体结构修正后的地基承载力特征值（下有软卧土层除外）。
3.2.7.1 增加基础配重。此种方法大致有以下三种情况：增加基础底板的厚度、增加基础顶面覆土厚度、基础顶面采用容重大且价格低廉的填料。这三种方法的共同特点是：在增加基础配重用以解决抗浮问题的同时又不可避免的增加了基础的埋置深度，这样就相对地提高了地下室抗浮设防水位的高度，所以它不是一种效率很高的方法。
3.2.7.2 增加清水池顶板的厚度。这种方法的优点是：在不增加基坑底部标高的前提下，增加了清水池的重量，而且使用厚板后，清水池可采用无梁板结构。但此种方法的缺点是由于板厚有限，所以解决抗浮问题的效果也是有限的。
3.3 清水池抗渗设计：
只要设防水位高于清水池底板底就需要抗浮设计，这样清水池底板就必须进行抗弯和抗裂性计算。在清水池底板抗渗（抗渗等级P6）设计中，如存在较大水位时，应采用一般的梁板结构主次梁较少且梁较小，开挖工作量小、防水处理不复杂、施工周期短。当然现在经常采用的是平板式筏板基础，不仅缩短工期，而且经济性比普通的梁板结构好。在目前的设计中，主要利用 PKPM软件SLABCAD 模块进行计算。
4 抗震设计
4.1 抗震要求
清水池应采取整体抗震性设计，根据孝*市施工图审查要点，对于半清水池的埋深要求应大于清水池外地面以上的高度，才能不计其高度，总高度才能从室外地面算起。清水池的墙柱与上部结构的墙柱需统一。清水池顶板与室内外板面标高变化处，当标高变化超过梁高范围时则形成错层，需采取措施作为上部结构的嵌固部位，规范明确规定作为上部结构嵌固部位的清水池池顶楼盖应采用梁板结构，清水池顶板为无梁楼盖时不能作为上部结构嵌固部位。结构计算应往下算至满足嵌固端要求的清水池楼层或底板。孝昌供水清水池抗震等级为四级（无上部结构）。
4.2 荷载分析
清水池外墙受弯及受剪计算时，土压力引起的效应为永久荷载效应，可变荷载效应控制的组合时，土压力的荷载分项系数取1.2；永久荷载效应控制的组合时，其荷载分项系数取1.35。对于地面活荷载，同样应乘侧压力系数，设计应计算才对。清水池底板的强度计算时，根据 《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）第3.2.4条板、覆土的自重的荷载分项系数取 1.0。抗浮计算时，板、覆土的自重的荷载分项系数应取为0.9（见第3.2.4条文说明）。清水池外墙的岩土压力应为静压力，根据岩土性的不同分别采用不同的计算方法，粘性土采用水土合算，砂性土采用水土分算等。供水清水池无车荷载。
5 顶底板设计
设计中因考虑常见问题：清水池顶板板厚选用不得小于180mm，符合GB50011-2010第 6.1.14条；底板厚≧350mm；清水池混凝土底板、顶板、墙配筋应符合GB50010-2010 第 8.5.1 条及人民防空地下室设计规范GB50038-2005第 4.7.8 条等要求。
6 地下水与抗浮
地下水位及其变幅是清水池抗浮设计重要依据，实际清水池抗浮设计中不仅应考虑正常使用极限状态，还应重视施工过程和洪水期，才不会造成施工过程中由于抗浮不够出现局部破坏。
常见设计问题如：地下水位未按勘察报告确定，或勘察报告未提供计算浮力的地下水位及其变幅，违反了GB50007-2011第3.0.2，3.0.5条。
7 裂缝及控制方法
清水池外墙混凝土易出现收缩，造成结构本身和基坑边壁的约束产生较大的拉应力，可能出现收缩裂缝，清水池外墙裂缝宽度不应大于0.2mm，其配筋用量大部分由裂缝宽度验算控制。工程中很多设计将清水池防水结构构件的计算弯距调幅、下端按铰接、不考虑荷载分项系数、多层时不按多跨连续计算，清水池外墙在计算中需进行抗裂验算（符合GB50108第4.1.6 条），清水池外墙与底板连接构造应加强，建筑物超长应设施工缝或留置后浇带（符合GB50010第9.1.1 条），后浇带的位置设置恰当，增加详细的外墙施工缝或后浇带详图，依据规范设计，这样才不会产生渗漏现象。清水池整体超长，应采取相应措施，防止裂缝开展，采取的主要措施如下：
①补偿收缩混凝土，即在混凝土中渗入10~12%的UEA、HEA等微膨胀剂。需要轻微补偿收缩应力，以混凝土的膨胀值减去混凝土的最终收缩值的差值大于或等于混凝土的极限拉伸即可控制裂缝。
②设置膨胀带，由于混凝土中膨胀剂的膨胀变形不会与混凝土的早期收缩变形完全形成补偿，为了实现混凝土连续浇注无缝施工而设置的补偿收缩混凝土带，根据工程实践结合规范要求，建议超过60m设置膨胀加强带。
③设置后浇带，作为混凝土早期短时期释放约束力的一种技术措施。
④增加钢筋混凝土的抗拉应能力，混凝土增加抗变形钢筋，对于侧壁，增加水平温度钢筋，在混凝土面层起强化作用。侧壁受底板和顶板的约束，混凝土胀缩不一致，可在墙体上下部同时设一道水平暗梁抵抗不同拉力。
8 保护层和垫层厚度
《地下工程防水技术规范》（GB50108）对防水混凝土结构规定：结构厚度应≧250mm；裂缝宽度应≦0.2mm，并不得贯通；迎水面钢筋保护层厚度应≧50mm。防水混凝土结构底板混凝土垫层，强度等级应≧C15，厚度≧100mm，在软弱土层中应≧150mm。工程实践说明当结构厚度或迎水面钢筋保护层厚度小于规范限值，往往会是引起渗漏水现象的普遍原因，因此规范修订以后对限值作了相应的提高，这个应注意。清水池顶板钢筋应加强，保护层和混凝土垫层及强度等级应按规范实施（GB50108 第 4.1.6 条）。
9 解决清水池不均匀沉降考虑以下几种方法：
9.1 设沉降缝，让各部分分别自由沉降，相互互影响，避免由于不均匀沉降产生的内力差和沉降差，这是一种“放”的方法。但给清水池的防渗漏、基础的埋置深度和整体稳定等带来居多难度。
9.2 采用端承桩，将桩端置于坚硬的基岩或砂卵石层上。这样既满足了地基承载力要求，又避免了不均匀的沉降差。这是的“抗”的方法。但这种方法基础材料用量较多，不怎么经济。
9.3 在设计中不设沉降缝，而采取一定的措施，调整地基反力，将沉降值尽量减少在规范值内，从而减少沉降差。这是“调”的方法。
9.4 设置沉降后浇带，钢筋不能断，分段施工，待完成大部分沉降后，几部分沉降基本稳定后再浇筑后浇带，用“调”时间差的办法解决了沉降差，同时又避免了设置沉降缝带来的防水麻烦。这也是一种“调”的方法。
10 结语和讨论
10.1 计算时应根据实际情况合理选定地下室抗浮设防水位高程。地下水位的选择不仅要考虑地下水位的历史变化，还应根据城市排水设施、排水能力对地下水位的变化作出相应的预测。
10.2 抗浮设计的验算要求看似简单，但抗浮设计方案可有不同选择。常用的抗浮设计措施在方法上各有特点。抗浮设计方案选用的合理与不合理，对结构受力和工程造价将产生较大的影响。
10.3 水池的配筋由抗裂计算控制，抗裂计算需根据使用环境类别和地下水的腐蚀性确定裂缝控制等级并采取预防腐措施。
参考文献：
[1]建筑地基基础设计规范GB50007-2011
[2]建筑桩基技术规范JGJ94-2008
[3]混凝土结构设计规范GB50010-2010
[4]给水排水工程构筑物结构设计规范GB50069-2002
[5]给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程CECS-138-2002
[6]建筑抗震设计规范GB50011-2010
[7]地下工程防水技术规范GB50108-2008
论文作者:刘岳东
论文发表刊物:《防护工程》2018年第27期
论文发表时间:2018/12/14
标签：水池论文; 底板论文; 荷载论文; 外墙论文; 结构论文; 混凝土论文; 自重论文; 《防护工程》2018年第27期论文;