钢筋混凝土矩形水池结构设计总结

王庆

摘 要：设计钢筋混凝土矩形水池结构时，除应满足承载能力极限状态计算和正常使用极限状态验算外，尚应满足水池的一些基本设计规定和抗浮稳定性验算，本文将对这些重要的基本设计规定、抗浮设计、防腐、防渗设计进行总结。

关键字：钢筋混凝土水池；基本设计规定；抗浮设计；防腐防渗

1 引言

钢筋混凝土水池作为一种常见的特种结构，广泛地应用于工业与民用建筑中的给水、排水及消防工程中。实际工程中因抗浮稳定不满足，未采取防腐防渗等措施而造成的工程事故时有发生，所以我们设计钢筋混凝土矩形水池结构时，不仅要关注承载能力极限状态计算中强度计算和正常使用极限状态验算中的裂缝验算，还要对水池抗浮、防腐蚀、防渗和其他一些基本设计规定足够重视，从而达到安全、经济的目的。

2 水池的一些基本设计规定

2.1 水池的防水等级

水池防水等级及渗漏标准的划分，可参照《地下工程防水技术规范》（GB50108-2008）的划分方法。《石油化工钢筋混凝土水池结构设计规范》（SH/T 3132-2013）对于石油化工企业常用水池按其重要性、介质腐蚀程度及防水要求给出了具体的防水等级，可直接选用即可，当工艺有更高要求时按更高要求执行。

2.2 水池的抗渗等级

市政给水排水工程中，水池混凝土的抗渗等级要求按最大作用水头与混凝土厚度的比值确定。当比值小于10时，应采用S4；当比值为10～30时应采用S6；当比值大于30时，应采用S8；混凝土的抗滲等级应根据试验确定。当市政给排水工程中的水池混凝土的密实性满足以上抗渗要求时，一般不再作其他抗渗处理。

石油化工项目中，水池混凝土的抗渗等级按水池防水等级确定，当水池防水等级为四级时，混凝土抗渗等级为P6；当水池防水等级为二、三级时，混凝土的抗渗等级为P8。随着目前施工水平、材料科学水平的提高，以及环境保护要求的提高，在进行石油化工项目的水池设计时，如有防渗要求，除应满足《石油化工钢筋混凝土水池结构设计规范》（SH/T 3132-2013）中对水池材料和构造的要求外。尚应满足《石油化工工程防渗技术规范》的有关要求。

2.3 水池的抗冻等级

建于严寒和寒冷地区的外露水池宜设置外保温设施，当无保温措施时，应有抗冻等级要求。水池混凝土的抗冻等级按最冷月平均气温确定，当最冷月平均气温在-3℃～-10℃时，混凝土抗冻等级采用F150；当最冷月平均气温低于-10℃时，混凝土抗冻等级采用F200；当工艺专业有更高要求时按更高要求执行。

2.4 水池伸缩缝最大间距

当大型矩形水池的长度、宽度较大时，应设置适应温度变化作用的伸缩缝。伸缩缝间距应按水池设计规范中的规定执行。一般，对于市政工程中水池的伸缩缝最大间距可采用《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》中表6.2.1的规定；对于石油化工项目中水池的伸缩缝最大间距可采用《石油化工钢筋混凝土水池结构设计规范》中表3.12的规定。当普通混凝土水池设有后浇带，或者补偿混凝土水池设有膨胀加强带时，伸缩缝的间距可根据工程经验适当增大，不受规范列表数值限制。

3 水池的抗浮设计

3.1 水池抗浮稳定验算

当地下式及半地下式水池承受地下水浮力时，应进行水池结构的整体抗浮稳定验算；当水池内设有立柱、隔墙等支撑结构时，还应验算其支撑区域内的局部抗浮稳定性。

水池结构的整体抗浮稳定性应满足下式要求：

[GkQf] [>][Ks]

[Qf]=[γW][Hd]A

[Qk]：水池整体抗浮力标准值，kN；

[Qf]：作用于水池底板（或平衡层）底面上的浮力标准值，kN；

[Ks]：整体抗浮稳定性安全系数，不应小于1.05；

[γW]：水的重度，kn/m3；

[Hd]：最高地下水位距水池底板（或平衡层）底面的距离，m；

A：水池底板（或平衡层）底面的面积m2；

设有中间立柱或隔墙等支撑构件的水池，局部区隔或局部单元的抗浮稳定性应满足下式要求：

[GnγWHdAn][≥] [Ksn]

[Gn]：局部区格或局部单元面积上抗浮力的标准值，kN；

[An]：作用于水池底板（或平衡层）底面上的浮力标准值，kN；

[Ksn]：整体抗浮稳定性安全系数，不应小于1.05；

需要注意的是计算抗浮力时，池内贮水重、上部设备重、池内物料重及池壁与土之间的摩擦力均不应计入抗浮力作用。

当水池的整体或局部抗浮稳定不能满足时，必须采取相应措施满足抗浮要求。

3.2 水池抗浮验算不满足时采取的措施

当建设场地水位较高，水池抗浮计算不满足时，必须采取措施使其满足抗浮要求。常见措施有：加大水池自重抗浮、增加压重抗浮、增加配重抗浮、打抗拔桩或打锚杆抗浮等。

（1）加大水池自重抗浮，就是通过加大水池自重来满足抗浮计算的一种方式，该方式适用于水池自重和水浮力差别不大的情况。比如通过加厚水池底板厚度或增加池壁厚度等均可增加水池自重，需要注意的是通过此种方式增大水池自重来满足抗浮要求时会相应增加混凝土量，但由于底板或者池壁厚度的增加，有时也可以适当减小水池配筋，若水池原来设计的截面配筋较大，加大水池构件截面尺寸不仅可以满足抗浮要求还能适当降低截面配筋，因增加水池构件厚度，其造价增加的幅度并不很大，所以此时采用这种方式就比较合适。若水池原设计截面配筋就很小接近最小配筋率，此时若增大结构构件截面尺寸虽然能满足抗浮但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，使造价大幅提高，这时候就应该考虑是否采用其他方式会更合理。但加大结构件的截面，会提高结构的整体刚度，对水池来说也是有利的。工程实践证明，在自重与地下水浮力相差在10%以内的情况下，采取增加结构自重的抗浮措施具有较好的经济性。

（2）增加压重抗浮常见措施有在水池顶板上增加覆土，加大水池底板外挑长度，在水池底板上附加素混凝土或浆砌毛石等。

在池顶板上增加覆土作为压重满足抗浮的同时会增加顶板和底板的结构厚度和配筋，加之覆土的施工都会增加水池的造价，但如果水池顶板位于地面以上，可以利用池顶覆土种植花草将其打造成休闲花园，也可以将覆土顶硬化后将其修建成篮球场等运动场地供职工使用。

加大水池底板外挑长度会使更多回填土压在水池上，从而满足抗浮要求。该方法不会增加基坑深度但会增加基坑面积，当外挑较大时也会对附近建筑物基础及地下管线造成一定影响，同时还会增大水池底板的受力，所以该方式一般适用于中小型水池，对于平面尺寸较大的水池不宜采用。

在水池底板上浇筑素混凝土或浆砌毛石等会增加底板压重，从而达到满足抗浮的目的。但这种方法会增加基坑深度，加大池壁高度。水池埋深比较深时不宜再采用这种方式，否则会增加基坑支护费用。

（3）增加配重抗浮是指在水池底板下增加配重混凝土并使之与底板可靠连接来满足抗浮要求的一种方式。此方法和底板上增加压重方式原理类似，但该方法不会增加池壁高度。所以一般情况下，此方法会比底板上增加压重方式更经济些。需要注意的是底板与配重混凝土间应可靠连接，可通过在配重混凝土内设置拉结短筋与水池底板相连。同时配重混凝土强度等级也不应低于C15。

（4）打抗拔桩或打锚杆抗浮都是通过桩或锚杆的抗拔力来抗浮。这种方法对体积较大的地下水池的抗浮效果相当好，它不仅能满足池体的整体抗浮，还能通过对抗拔桩或锚杆的合理布置，很好地解决大形水池的局部抗浮问题。

抗拔桩的抗拔力由桩体与桩周土的摩擦力产生，同时还应验算桩身抗拉强度是否满足，即应取二者的较小值作为桩的抗拔力。一般情况下由桩体与桩周土的摩擦力控制。一般同体积桩体在桩径越小时桩体与桩周土的接触面积越大，摩擦力也越大。实际工程中抗拔桩一般宜选用桩径较小，单桩抗拔力相对较小的桩进行密布。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，也避免由于接桩不牢而造成抗拔力损失。由于桩端承载力对抗拔力无帮助，所以抗拔桩桩端一般无需打入硬持力层。

锚杆抗浮分为岩石锚杆和土层锚杆二种。岩石锚杆适用于水池底板直接座落于基岩上的情况，由于锚杆直接插入基岩灌浆，岩石锚杆的抗拔力较大。若水池底板在一般土层中则为土层锚杆，影响土层锚杆抗拔力的因素比较多，对设计和施工的要求也比较高。采用锚杆技术造价相对较低，同时锚杆的布置密度相比抗拔桩较密，对池底板的整体作用更接近于均布荷载，有利于底板的防渗裂。但锚杆施工具有一定的专业性，其浆液的配制及施工过程的技术控制对锚杆的抗拔效果有决定性作用，所以应由专业队伍施工。

与锚杆技术相比，抗拔桩较为常用，且施工方法属于常规技术，易于控制质量。

4 混凝土水池的防腐抗渗设计

4.1 水池防腐設计

当水池内的介质或池外地面以下土及地下水对混凝土及钢筋有腐蚀作用时，应按《工业建筑防腐蚀设计规范》（GB 50046-2008）的有关规定或进行专门试验确定并采取防腐措施。需要注意的是，水池内腐蚀性介质对建筑材料的腐蚀性等级的划分是按常温介质划定的，在温度大于40摄氏度的介质作用下各类介质的腐蚀性会发生变化，有些腐蚀程度会提高，在实践中，确实出现过温度对防腐层产生破坏的工程实例。所以当池内介质的温度超过40摄氏度时，尚应考虑温度对防腐蚀材料的影响。

4.2 水池防渗设计

在石油化工项目污染防治区内的水池应进行防渗设计。首先应确定水池所在场地是一般污染防治区还是重点污染防治区。对于在一般污染防治区和重点污染防治区内的水池其混凝土强度不宜低于C30，结构厚度不应小于250mm，混凝土抗渗等级不应低于P8。除此之外，对于在重点污染防治区内的水池尚应在水池的内表面涂刷水泥基渗透结晶型或喷涂聚脲等防水涂料，或在混凝土内掺加水泥基渗透结晶型防水剂。水泥基渗透结晶型防水涂料厚度不应小于1.0mm，喷涂聚脲防水涂料厚度不应小于1.5mm。当混凝土内掺加水泥基渗透结晶型防水剂时，掺量宜为胶凝材料总量的1%～2%。需要注意水池蓄水试验应在涂刷防水涂料之前进行。

根据工程经验，当抗渗混凝土池壁和池底的厚度不大于250mm时，采用掺加水泥基渗透结晶型防水剂较为经济合理；当抗渗混凝土厚度大于250mm时，采用在普通抗渗混凝土水池内表面涂刷水泥基渗透结晶型防水涂料较为经济合理。

喷涂聚脲属于柔性防水涂料，当水池尺寸大于20m和有防腐要求时，一般采用喷涂聚脲防水涂料。当水池尺寸不大于20m时，一般采用水泥基渗透结晶型防水涂料。

5 结束语

综上，进行现浇钢筋混凝土水池设计时，设计人应考虑多方面因素。按水池基本设计规定正确确定设计参数，进行强度和裂缝计算的同时充分考虑抗浮、防腐、防渗等要求，最终使设计的钢筋混凝土水池既安全又经济。

参考文献：

[1] GB 50069—2002.给水排水工程构筑物结构设计规范 [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] SH/T 3132—2013.石油化工钢筋混凝土水池结构设计规范[S] .

[4] GB/T 50934—2013.石油化工工程防渗技术规范[S] .