某消防水池变形原因分析及处理措施

(1.中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430223；2.武汉市工程咨询部，湖北 武汉 430014)

在石油化工项目中，池类结构是最重要的构筑物之一，如污水处理池、原水池、循环水站、消防应急水池、沉淀池及各类地下槽等。在地下水位较高的地区，如果水池的整体或局部抗浮不足，水池很容易发生被顶起或倾覆的破坏事故。地下水位及其变化幅度是地下水池抗浮设计的重要依据，地下水池抗浮设计中往往只考虑正常使用极限状态，对施工过程和施工完成后的地下水位变化重视不足，因而会造成施工完成后，由于抗浮不够出现局部破坏[1]。笔者根据一个典型的工程实例，分析某消防水池由于抗浮设计不足而引起水池的变形原因及处理措施。

1 工程概况

某工厂的消防应急水池为埋入式大型地下水池，水池长为60 m，宽为45 m，高度为5 m，柱网尺寸为5 m×5 m，柱截面大小为400 mm×400 mm，顶板上覆土厚度为0.3 m。结构设计中在水池东西向和南北向居中各设置一条宽度为30 mm的伸缩缝，水池底板厚度为400 mm，壁板厚度为350 mm，顶板采用梁板式结构，厚度为180 mm，水池底板、壁板、梁柱及顶板混凝土强度等级为C30，水池的抗渗等级为S6，抗冻等级为F200。水池从西到东后浇1%坡度的C10素混凝土找平层(西端找平层高度为450 mm，东端为0)。水池场地地基土为粉质黏土，承载力设计值为240 kPa。水池的±0.000相对绝对标高为60.28 m，地下水罕遇水位高度为58.00 m。该工程场地土类别为Ⅱ类，抗震设防烈度为6度。

该水池在8月初进行基坑开挖，开挖时基坑渗水，采用排水措施排除地下水，使水池四周地下水位下降，9月底水池施工完成并对四周进行回填。在12月中旬发现水池顶板向上隆起，水池中部向上拱起490 mm，连续4天每天以10 mm的速度向上隆起，水池南北向伸缩缝宽度由30 mm变为150 mm，水池底板南北向中部向上拱起，柱脚周围的底板出现斜裂缝，80%的混凝土柱(共108根柱)根部出现水平裂缝，裂缝最宽达到4 mm，但分布比较有规则性。

2 水池变形原因分析

针对出现的工程问题，业主组织施工单位、监理单位、勘察单位及设计院共同讨论并分析，发现存在以下几个问题：①该消防应急水池由于埋地消防管的标高要求，水池顶部设计标高与四周道路有7 m的高差，在详勘阶段，该处并未发现地下水，设计按照详勘报告进行水池抗浮设计，在实际施工过程中发现该区域含地下水；②在基坑开挖时大量抽取地下水，导致地下水位下降，施工完成后地下水位急剧上升；③水池施工完成后未按设计要求在顶板上覆土；④设计图纸中要求基坑回填土应用非冻胀性砂土，且应分层夯实，分层厚度≤300 mm，压实系数≥0.94。但现场施工中水池四周的回填土没有按设计要求夯实。

从设计角度来看，根据《石油化工钢筋混凝土水池结构设计规范》(SH/T 3132—2013)[2]第 8.1.1条规定，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。该消防应急水池内部设有支柱支撑结构，在施工期间地下水位急剧变化时，其浮力分布极其不均匀，可能导致部分单独的支柱支撑产生轴向位移，产生的不平衡轴力造成底板和顶板开裂。

地下水对水池的总浮力相当于水池所排出相同体积的地下水质量，一般情况下可按式(1)计算。

Qf=γwHdA

(1)

式中，Qf为地下水作用于水池底板底面上的浮力标准值，kN；γw为地下水的质度，取γw=10 kN/m3；Hd为最高地下水位距水池底板底面的距离，m；A为水池底板底面的面积，m2。

水池结构的整体抗浮稳定性应满足式(2)要求：

(2)

式中，Gk为水池的整体抗浮力标准值，包括水池结构总自重及其上作用的永久荷载标准值(压重)的总和，不包括活荷载，kN；KS为水池结构整体抗浮稳定安全系数(取1.05)。

根据实际的地下水位，经计算水池的总自重为69 082.5 kN，垫层自重为7 258 kN，覆土重为21 360 kN，水池的整体抗浮力标准值97 700.5 kN，总浮力为86 548 kN，水池整体抗浮稳定安全系数为1.13，故该水池的整体抗浮满足规范规定的抗浮设计要求。

局部抗浮设计仅用于有支柱的封闭水池，若整体抗浮得到满足，而总抗浮力分布均匀，且通过池壁所传递的抗浮力所占的比例过大时，池底浮力将使支柱发生向上的位移，从而造成底板及顶板破坏。只有通过柱子及板底传递的底面单位面积的抗浮力和底面单位面积浮力得以平衡，即局部抗浮得到满足，才能避免这种危险，局部抗浮的计算式如下：

(3)

式中，Gn为局部区格或局部单元面积上抗浮力的标准值，kN；An为局部区格或局部单元承受地下水浮力的面积，m2；Ksn为局部抗浮稳定安全系数，根据规范表格池内局部区格或局部单元取1.15。

经设计院计算结构，该水池局部单元面积上的抗浮力标准值为627.5 kN，局部单元面积上的浮力标准值为780 kN，局部抗浮稳定安全系数为0.8，故该水池的局部抗浮不满足设计要求。

综上所述，由于地下水位上升，造成水池的局部抗浮不足，导致该水池中部向上隆起。由于没有及时观测到水池的急剧变化，造成发现水池变形时中部就已经隆起490 mm。

3 事故处理措施

根据现场水池的变形情况，做出如下几种方案。

(1)方案1：水池所有裂缝现场均要灌实封闭，结构性的裂缝采用环氧类防水材料灌实封闭；底板上的素混凝土裂缝采用热沥青灌实封闭。裂缝灌实封闭后，向水池内注水，按2 m高水位考虑充水。充水约2 700 m3，通过充水来增加水池的抗浮能力，但当时室外平均气温在零下20 ℃左右，水池内气温平均在零下10 ℃左右，充水后水池内水会结冰，水结冰过程对已开裂的混凝土柱可能造成更大的损伤，故取消此方案。

(2)方案2：在水池顶板上覆土，通过增加压重，提高水池的整体抗浮能力，由于设计顶板的承受荷载有限，覆土高度提高有限，故取消此方案。

(3)方案3：在水池底板沿南北伸缩缝边钻孔，排除地下水，安排2台潜水泵抽出排到积水坑的水，将池外地下水位降低，使地下水对水池的浮力减小，此方案简单易行。

根据现场实际情况综合考虑，采用方案3进行处理，在水池中部底板上钻4个直径为30 mm的孔，使其自由排水，第1天的水头高度为1.3 m，水量很大，第2天的水头高度为0.8 m，水量明显减少，第3天后，基本没有水头，排水孔只是向外冒水。经对水池顶板的相对标高测量，3天之后，水池顶部下降了420 mm，第4天以后水池下降速度明显放缓，以每天5 mm左右的速度下降，在第7天的时候达到稳定，水池中部的顶标高基本恢复到原设计标高。

水池趋向稳定后，为满足水池的局部抗浮不足，对水池采取结构加固措施，首先，在满足工艺使用条件下，将原池底板上的C10素混凝土找坡面层统一加厚为700 mm(总厚度)的素混凝土面层，新增素混凝土强度等级为C15，按原图5 m×5 m方格分缝(在施工700 mm厚素混凝土面层前应将底板已凿开的孔洞进行封堵)，水池底板增加面层见图1。其次，将消防应急水池的底板伸缩缝取消，增加纵横两道1 000 mm×700 mm的暗梁，水池伸缩缝暗梁配筋示见图2。

图1 水池底板增加面层示意

经结构加固后的水池能满足整体及局部抗浮稳定性要求。

图2 水池底板伸缩缝增加暗梁模板配筋注：图中虚线表示原有钢筋

4 结语

处理后的消防应急水池的变形基本恢复到原设计标高，没有继续发展，证明此处理方案是成功的，该方案为处理该类水池事故提供了宝贵的经验。而在实际施工和生产过程中地下水池由于抗浮设计不足而引起的工程事故时有发生，此类事故应引起广大设计及施工人员的共同关注，在事故发生初期，如立即采取切实可靠的工程技术措施，应可确保地下水池的抗浮稳定性和正常使用性。