浅谈钢筋混凝土矩形水池结构设计

张楚骊 南宁市建筑设计研究院有限公司

1 前言

污水处理和治理是现阶段，各大城市发展的重中之重，污水处理厂的数量和规模逐年增大，钢筋混凝土水池建设项目越来越多。和其他钢筋混凝土结构相比，矩形水池结构对设计标准和施工质量有更高的要求，需要结合污水处理厂的实际情况，切实做好设计工作，才能最大限度上保证设计质量，提升使用效果。基于此，开展钢筋混凝土矩形水池结构设计的分析研究就显得尤为必要。

2 矩形水池结构设计的相关规定

矩形水池结构设计是需要结合污水处理厂的要求和周围的地质水文条件等进行科学合理设定。针对不同结构类别、形式的水池，在设计中需要采取不同的措施进行强度和稳定性验算。此外，钢筋混凝土矩形水池结构在设计中还要进行抗裂度和裂缝宽度的验算。保证在荷载的作用下，水池裂缝宽度小于规范规定值。以防水池开裂渗水，腐蚀钢筋。

3 矩形水池结构选型和荷载设计

3.1 结构选型

若矩形水池平面尺寸较大，埋深较浅，且结构所在区域的土质条件比较好，如基础的承载力值在150kPa，并且不存在的地下水渗透的情况，在结构选型设计时，可选择挡土墙结构，并采用构造池底。如果矩形水池的深度比较大，可在池壁外侧设置垂直方向的扶壁。在池壁和底板连接处设计时，在后期施工条件和后期运维条件的允许下，应尽量设计成止水缝的分离式结构。

根据水池壁板的宽高比，矩形水池侧壁可分类为单向板和双向板。如一块四边支承的水池壁板，当壁板宽高比大于2时，按竖向单向板计算。当壁板宽高比介于0.5～2之间时，按双向板计算。当壁板宽高比小于0.5时，大于2倍宽度部分按横向单向板计算。如果池壁的高度比较大，壁厚在设计中可选择变截面的设计方法，但需要保证底板的宽度在0.4～0.8H之间。在具体设计中，为最大限度上保证矩形水池结构设计质量，可采取分布设计的思路，细分为顶板设计、池壁设计、底板设计三种。

当矩形水池采用埋入式，且在水池埋深范围内存在地下水时，在水池设计中先应进行整体抗浮设计。首先应计算空池状态下的水池自重，后通过地质勘察报告提供的地下水位高度算出水池受到水浮力。若水浮力大于水池空池自重，则水池有被地下水顶起的风险。

此时，可采取两种措施：直接加厚钢筋混凝土水池底板厚度或保持水池钢筋混凝土底板厚度不变，降低其板面标高，并在板面设置素混凝土配重层。相比之下，前者由于增加了底板的整体厚度，在最小配筋率的控制下，势必会引起水池用钢量的提升，影响水池经济性。后者的素混凝土配重层不计入水池结构中，故对水池的用钢量影响较小，经济性能较好。一般采用此方法进行设计。

3.2 水压和土压的影响

水压是钢筋混凝土矩形水池结构设计中必须重视的内容，这里水压特指水池内水头产生的水压力，也是水池主要的荷载之一。通常在设计中，取水池满水水压进行计算。此种设计方法，考虑了水池工作中可能存在误操作致使水池满水，以及在后期工艺上存在超挖或者欠挖的问题[1]。钢筋混凝土矩形水池中，水压是水池需要承受的主要荷载，而水池中水压的大小，对水池下端弯矩会有很大影响。当水池深度较深时，水池侧壁可采用变截面设计，且配筋时可采用通长筋+附加筋的形式，既保证侧壁根部的受力要求，又能提高经济性。

土压也是钢筋混凝土矩形水池设计中必须考虑的问题，池外有填土的水池，土对池壁造成的侧压力。当池内无水时，便出现最不利工况之一。可通过朗肯理论来算出土体的主动压力。但土体的侧压力会受到很多方面因素的共同影响，比如：回填土的密实度、粘结力、内摩擦角等，采用朗肯理论计算的土体压力偏于安全性。

3.3 荷载组合

在钢筋混凝土矩形水池结构设计中，不同荷载组合，尤其独特的应用内容，具体而言，主要体现在以下几个方面。

第一，水压和自重荷载组合，是钢筋混凝土矩形水池结构设计的基本荷载组合形式。

第二，水压+自重+冬季温度差。综合考虑水压、温度差等对钢筋混凝土矩形水池结构造的共同作用，如果壁面冬季温差的绝对值大于夏季的绝对值，是钢筋混凝土矩形水池结构设计中最为不利的荷载组合形式。由于钢筋混凝土矩形水池一般都是露天结构，一年四季的温差，湿度变化是不可避免的。温差，湿差引起的结构应力很容易产生有害裂缝，也是不可忽视的。在具体设计时，按规程提供的方法计算即可。

第三，水压+自重+湿度差。如果夏季水池壁面湿差的绝对值，大于冬季壁面温差的绝对值，也是最为不利的荷载组合形式。第二，由于构筑物一般都是露天结构，一年四季的温差，湿度变化是不可避免的。温差，湿差引起的结构应力很容易产生有害裂缝，也是不可忽视的。在具体设计时，按规程提供的方法计算即可[2]。

第四，土压+自重。针对钢筋混凝土矩形水池外部存在覆土的水池，如果水池结构设计和运行中，会受到地下水的作用，土压+自重 就成为最基本的荷载组合形式。

3.4 底板设计

底板设计也是钢筋混凝土矩形结构设计的重要一环。水池底板通常需要承受较为复杂的荷载，其中既有因水池结构自重产生的地基反力，又有水池侧壁传递至水池底板的弯矩和剪力。同时，在考虑抗浮时，空池状态下，地下水亦会对水池底板产生竖直向上的浮托力。因此，在矩形水池底板设计中，可按照框架进行分析，假设底板为简支立于池壁之上，而池壁在侧压力的作用下，其底端的弯矩可以作为力偶荷载，全部传递给底板。按照钢筋混凝土矩形水池长宽比的不同，水池底板可分为两种，一种是单向底板，另一种是双向底板。计算时分别顺单向或双向截取截条，按单跨或多跨连续梁进行计算，以保证设计质量。

由于钢筋混凝土矩形水池施工的场地千变万化，不同场地的地下水分布情况、地基承载力等都存在较大不同，甚至是千差万别，在具体设计中，需要结合实际情况进行浮力计算和设计，在保证质量的基础上，控制成本，提升建设和运行的经济性及可靠性。如果地下水位比较低，承载力比较高时，可采取水池自重抗浮设计方法，基本上能够满足水池抗浮的需求，而且非常经济。但如果水池场地地下水位比较高，水池自重难以满足抗浮需求时，可采取水池自重和水池外壁土重共同抗浮的设计方法，此种设计方法，充分利用了池外壁土重抗压法。如果水位非常深，此种设计方法，也无法满足抗浮的需求，就需要采取桩基抗浮的方法。

3.5 水池防渗漏设计

目前钢筋混凝土水池被广泛应用在水资源处理领域，随着我国社会经济的持续发展，水资源处理量逐年加大，钢筋混凝土水池的数量也随之增多，对钢筋混凝土水池设计效果和施工提出了更高的要求，防渗漏是钢筋混凝土水池设计的重中之重，如果防渗漏设计不达标，就无法满足实际运行的需求，甚至会发生二次污染。尤其是污水处理厂的水源来源复杂，对防渗漏有极高的要求，为提升钢筋混凝土水池防渗漏能力，具体设计时可从以下几个方面同时入手。

第一，合理选择水泥的型号和种类，提升骨料的级配性能，通过多次试验配比，确定混凝土的配合比，以保证混凝土的质量符合要求。

第二，设计好混凝土浇筑速度和振捣的频次，在设计方案要明确养护的方法、时间等，避免形成裂缝，引发渗漏问题。

第三，尤其是在污水处理厂矩形水池设计中，需要加入适量的防护料，以便在混凝土表面形成保护层，杜绝水质渗透问题。

4 钢筋混凝土矩形水池结构设计要点

钢筋混凝土矩形水池结构设计具有很强的综合性，而且影响因素比较多，为保证设计质量，提升后期的运行效果，必须严格把控结构设计要点，主要包括以下几方面内容。

第一，合理选择保护层。在钢筋混凝土水池设计中，水和土相互接触的梁板构件，其混凝土保护层厚度要略大于设计厚度。在清水池和污水池设计中，保护层的厚度也要有所差异。在水池底版设计中，针对有地垫层的下层钢筋保护层设计厚度不能低于40mm，如果没有垫层，则下层钢筋保护层的厚度不能小于70mm。

第二，在钢筋混凝土矩形水池结构设计中，为最大限度上提升水池的施工质量和耐久性，需要保证受力壁板和底板的厚度不能低于200mm，常用的最小池壁厚度为250mm，顶板厚度不能小于150mm。

第三，在钢筋混凝土矩形水池结构的拐角位置，或者是顶板和底板之间的连接位置，需要合理设置腋角，必须保证腋角边的宽度不小于150mm，且腋角内配置的斜筋直径需要和池壁的受力筋直径相一致，相互之间的布设间距，应当控制在池壁受力筋间距的2倍左右。

第四，合理布置伸缩缝。如果钢筋混凝土矩形水池结构的规模比较大，需要在适当的位置布置温度伸缩缝。如果是土质地基，露天水池，每隔20m就要设置一道伸缩缝。如果是地下式后者有保温措施的水池，可每隔30m设置一道伸缩缝，有保证施工质量。

第五，为减小池壁、底板的裂缝，受力钢筋宜采用小直径钢筋和较密的间距，尽可能采用HRB335级钢筋，根据比较，在同一个工程中，采用HRB335和HRB400钢筋，配筋率相近，所以为了减少投资，尽量采用HRB335钢筋。现浇钢筋混凝土水池在角隅处容易产生应力集中现象，很容易出现裂缝，因此必须适当加强，根据工程经验，设置“暗梁”“”“暗柱”安全有效。

第六，角隅配筋。浅池池壁角隅区域的里外侧都需设置水平加强钢筋。池壁与池壁间，腋角高度c=0.8～1.0a（a为壁厚），配筋面积不小于1/2～1/3受力钢筋面积，间距为受力钢筋的2倍。池壁与底板之间，腋角高度c=0.6～1.0t（t为底板厚度）。

5 结束语

综上所述，本文采用理论结合实践的方法，分析了钢筋混凝土矩形水池结构设计，分析结果表明，钢筋混凝土矩形水池结构设计难度比较大，在具体设计中，需要考虑的因素比较多，任何一个细节控制不当，都影响总体设计效果，降低建设质量。要立足工程特点，严格把控每个细节，才能最限度上提升设计质量。