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摘要：通过对某雨水调蓄池结构设计的主要技术措施及设计过程中的主要因素的阐述，可为类似工程设计提供设计参考。
关键词：雨水调蓄池；结构设计；抗拔锚杆；超长结构；抗震设计
ABSTRACT：The main technical measures for the structural design of a rainwater storage tank and the main factors in the design process can be used to provide the reference for the similar engineering design.
KEYWORD：Rainwater storage tank；Structural design；Anti-floating anchor；Overlong structure；seismic design
1引言
雨水调蓄池是一种雨水收集设施，主要作用是把雨水径流的高峰流量暂存其内，待最大流量下降后再从调蓄池中将雨水慢慢地排出。既能规避雨水洪峰，实现雨水循环利用，又能避免初期雨水对承受水体的污染，对排水区域间的排水调度起到积极作用。
2 工程概况
某工程全地埋雨水调蓄池结构呈矩形，长×宽×高（内净高）=189.5×92×14m，除局部区域有一层设备机房外均无上部结构。该调蓄池位于某河堤的外侧，距离河堤顶约16m，场地为现状池塘、空地，工程完成后调蓄池顶部覆土并作为景观水体的一部分，结构顶板面埋深4.2m，其中覆土2.2m，水深2m，从水面算起的总埋深达17.4~19.4m，局部最深处达21.4m。
地层分布，从上往下依次为素填土、砾砂、全风化粉砂质泥岩、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩，底板位于中风化泥质粉砂岩层。场地位于现状池塘内，按全水位考虑。
主要结构尺寸：柱网7.5×7.5m；框架柱600×1200；中间两道支撑梁系无楼板，主梁500×1000，环梁1500×1100；顶板大梁大板结构，板厚500，框架梁600×1200；底板采用平筏板，板厚1200mm，柱下按冲切需要局部加厚；底板下设置抗浮锚杆，主体结构剖面如图1。
3 结构设计主要考虑因素
本工程大型雨水调蓄池结构具有超长、超深的特点，且基本无上部结构，顶板覆土厚埋深大、水位变动大的特点，需要从调蓄池的使用功能入手，进而全面剖析结构的各种受力工况进行包络设计。结构设计需要进行全方位的考虑，包括结构的荷载取值及工况组合、结构体系的选择、地基基础选型、抗浮措施选型、抗震设计、结构内防腐设计、超长无缝结构设计等。
4 荷载
本工程雨水调蓄池设计主要考虑的设计荷载作用包括：
永久作用：结构自重、二次混凝土自重、外水土压力、顶部上部覆土（水）压力、设备荷载；
可变作用：内水荷载、检修荷载、施工荷载、温（湿）度变化作用；
偶然作用：地震作用。
以下对本工程调蓄池主要设计荷载进行说明，其余未说明荷载均按相关的规范要求进行取值。
（1）内水荷载。调蓄池的使用功能主要调蓄，在雨水径流的高峰流量暂存其内，待最大流量下降后再从调蓄池中将雨水慢慢地排出。为此调蓄池一般都会涉及到进水、出水及池体清洗维护等问题，对全地埋式调蓄池而言，为减小上部结构对地块的占用空间，除个别机房外一般都尽可能将其各功能区都设在地下。为此，一般全埋调蓄池的地下池体部分包括有进水区、格栅池、跌水区、泵区、储水区等。各区域的水位荷载根据其工艺专业提供的水位并考虑合理水位超高后进行取值。同时，本调蓄池的一个重要的使用特点，平常状态是空池状态，下雨时才会使用，因此内水荷载按活荷载取值。可见，抗浮状态成为了常态，抗浮设计关系到调蓄池的结构安全问题，务必重视。
（2）外水土压力。考虑基坑开挖再回填的特点，外水土压力按水土分算，土压力采用静止土压力，考虑岩层侧向力较小，静止土压力系数取0.4。
（3）地震作用。本工程按7度区，0.1g，第一组，Ⅱ类场地进行抗震作用计算，并根据《建筑抗震设计规范》[1]GB50011的“14地下建筑”章节进行抗震设计。
（4）荷载组合。本工程根据调蓄池的满水、空池等各种不利荷载组合工况进行设计，详见《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》CECS138[2]。主要的三种组合工况有：
工况1：恒载+池内有水+池外无水+池外无土；
工况 2：恒载+池内无水+池外有水+池外无土；
工况3：恒载+池内无水+池外有水+池外有土。
5 结构体系
调蓄池结构体系是由水池的使用功能和受力特点决定的，主要是竖向受力体系及水平受力体系的选择和布置。
结合各专业的功能需求，本工程调蓄池竖向受力体系采用框架结构，结构柱网尺寸满足工艺下部流槽空间的需要为7.5m×7.5m。水平受力体系方面，考虑本工程全地埋调蓄池长×宽×高=189.5×92×14m，总埋深达17.4~19.4m（局部最深处达21.4m），内水、外水土荷载都很大，外墙高度很高，如果不设置内支撑或扶壁柱，外侧壁的厚度会很大且不合理水平。为此，水平受力体系采用设置结构内支撑的型式，除顶板外，池体内部在进水池的底板标高处及某跌水板标高处设置两层水平支撑层（即无楼板及次梁的水平框架主梁），水平支撑层与外侧壁相交部位设置水平环梁，如图2。因水平支撑框架主梁受很大的水平轴向压力，为此其截面尺寸设计时是按水平轴力比≤0.75确定的。
6 地基基础
本工程调蓄池底板位于强~中风化泥岩，地基承载力特征值，远大于调蓄池自重+内水重量+顶板覆土重量+设备荷载+活载，为此可采用天然地基。基础为筏板基础，底板厚度1200mm，柱下底板部位受柱对底板的冲切力控制，局部较厚至1.4~1.6m不等。
7抗浮设计
本工程抗浮设计水位取至景观常水位以上，整个调蓄池淹没在抗浮水位以下，且使用状态时调蓄池常常出现空池状态，为此抗浮设计是调蓄池设计的重点。目前常用的抗浮措施主要有增加结构配重、抗拔桩和抗浮锚杆等，如表1。经综合比较，本工程底板位于强~中风化泥岩，推荐采用抗浮锚杆+顶部覆土作为主要抗浮措施。因为岩层锚杆更能有效发挥其抗拔力，其二抗浮锚杆布置在板下与底板的共同作用，能有效减小底板结构的位移和弯矩，节约工程费用。
8 外侧壁设计主要考虑因素
池体外壁板的总高度达17.4~19.4，为此需要考虑对外侧壁合理设置支点，常用的主要方法为设扶壁柱或水平支撑梁系。因侧壁厚度大，初步估算底板侧壁厚度需要1.0~1.4m，可见侧壁本身厚度大，刚度也很大，这要求为侧壁提供的支点自身要有足够的刚度（通长支点刚度≥3倍被支撑构件刚度，方可认为具有一定刚度的弹性支点），为此如果设置扶壁柱，则扶壁柱的墙外平面内刚度要求很高，扶壁柱截面尺寸会很大，初步估算扶壁柱间距约3~4m，尺寸约2.5~3m，扶壁柱突出墙面给建筑防水和土建施工均带来很大麻烦。为此，本工程借鉴基坑内支撑的做法，在调蓄池内部一定高度设置了2道水平支撑梁系+侧壁环梁，将高大外侧壁板沿竖向分成3段，利于外侧壁的设计。
另外，考虑本工程调蓄池在正常使用状态下完全置于水下，外水土荷载应作为恒载考虑，外侧壁裂缝控制配筋时需要考虑其准永久系数为1.0。
9顶板设计
关于调蓄池顶板的结构布置考虑如下：柱网尺寸7.5×7.5m，顶板面埋深4.2m，其中覆土2.2m，水深2m，板面附加恒载=4.2×10+2.2×8=59.6kPa，荷载较普通地下室顶板荷载大，根据《地下工程防水技术规范》[3]要求的最小防水板厚为250mm。适用本工程顶板结构布置方式主要有大梁大板、无梁楼盖、井字梁、十字梁等，经过详细的工程量对比、施工工期分析，最终选择了大梁大板结构，板厚500，框架梁600×1200。因顶板厚度很大，计算中考虑用弹性板6模拟其平面外刚度以减小框架梁的配筋。
10 抗震设计注意问题
本雨水调蓄池规模很大且对系统运行具有重要的作用，需根据《建筑抗震设计规范》[1]的“14地下建筑”章节进行抗震设计：其抗震设防类别为乙类，抗震等级为三级。根据《建筑抗震设计规范》[1]14.3.1和14.3.2，中柱的纵向钢筋总最小配筋率增加0.2%，顶板宜采用梁板结构。
11 结构内防腐设计
通常情况，流域内受污染的初小雨水会截流入调蓄池，且本工程流域未进行雨污分流，根据《城镇径流污染控制调蓄池技术规程》[4]，“3.10.6 调蓄池应设置必要的防腐措施”，为此结构设计需考虑池体内部的防腐。根据《工业建筑防腐设计规范》[5]，本工程调蓄池内防腐采用树脂玻璃鳞片胶泥，厚度≥2mm。
11 超长无缝结构设计
现浇钢筋混凝土水池结构当长度和宽度较大时，通常设置一定数量的永久伸缩缝来控制裂缝，这些伸缩缝必须贯通水池的顶板、池壁、底板。需设置双排梁、柱结构，并采取止水措施，给调蓄池带来整体性和抗震性差、止水材料易老化而引起漏水、修复困难等弊病。本工程雨水调蓄池，其混凝土结构属超长、大体积结构，采用无缝设计，需控制因不设永久伸缩缝产生的裂缝宽度在允许范围内，以满足调蓄池的使用功能要求。
本工程主要采取以下的主要技术措施：设置后浇带、采用补偿收缩混凝土、提高配筋率、选用低水化热材料、施工温控措施、制定合理的保温保湿养护措施等。实践证明，在设计、施工、建设等相关单位的密切配合下，对超长地下调蓄池的通过采取有效的措施，对规范规定的永久伸缩缝的间距，可以有条件的突破，可以不设永久伸缩缝，采用结构无缝设计。
12结论
通过对某雨水调蓄池结构设计的主要技术措施及设计过程中的主要因素的阐述，可为类似工程设计提供参考。
参考文献：
[1]GB 50011-2010，建筑抗震设计规范（2016年版）[S]
[2]CECS 138：2002，给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程[S]．
[3]GB 50108-2008，地下工程防水技术规范[S]
[4]CECS 416：2015，城镇径流污染控制调蓄池技术规程[S]
[5]GB 50046-2008，工业建筑防腐设计规范[S]
论文作者:钟润文
论文发表刊物:《基层建设》2017年第8期
论文发表时间:2017/7/13
标签：荷载论文; 结构论文; 雨水论文; 顶板论文; 底板论文; 工程论文; 壁柱论文; 《基层建设》2017年第8期论文;