浅谈清水池的抗浮处理及计算

浅谈清水池的抗浮处理及计算
浅谈清水池的抗浮处理及计算
摘要：在清水池的结构设计中，抗浮设计往往成为制约结构设计的重要影响因素之一。

本文简要介绍了清水池几种不同的抗浮设计方法，并结合工程实例予以详细计算。

关键词：清水池;抗浮设计;抗浮锚杆
Abstract: In the structural design of the clear water tank, anti-floating design often becomes one of the most important factors influencing structure design. This paper briefly introduces the anti-floating design method of water pool is different, and in combination with the project example to be calculated in detail.
Key words: clear water pool; anti-floating design;
anti-floating anchor
中图分类号：TU991.34+3文献标识码：A文章编号：
1、概述
清水池为储存水厂中净化后的清水，以调节水厂制水量与供水量之间的差额，并为满足加氯接触时间而设置的水池。

同时，清水池还具有高峰供水低峰储水的功能。

因为清水池的储水作用，所以一般清水池的容积和面积较大，因此清水池抗浮设计往往成为制约结构设计的重要影响因素之一。

GB50069-2002《给水排水工程构筑物结构设计规范》中5.2.3条指出：抗浮验算属于承载能力极限状态计算的强制性条文。

因此本文简要阐述清水池的抗浮方法及其相关的抗浮计算。

2、清水池的抗浮方法
清水池的抗浮设计主要有抗和放两个方向。

所谓抗，就是利用配重，锚固等方法进行硬抗；所谓放，就是用降水等方法，降低水位从而减少水的浮力。

常用的抗浮方法有配重抗浮、锚固抗浮、降水抗浮
等。

2.1配重抗浮
配重抗浮就是给水池附加其它重量以用于抗浮，一般有4种方法。

1）在底板上部设低等级混凝土压重；
2）加厚底板；
3）在底板下配重；
4）在顶板上部覆土压重。

配重抗浮的优点是简单可靠，当构筑物自重与浮力相差不大的时候应尽量采用配重抗浮，这样对工程造价影响较少，投产后也没有管理成本。

2.1.1在底板上部设低等级混凝土配重
使用该方法，混凝土配重将加大水池的埋深，将导致增加挖方、排水及基坑支护的费用，配重也增加了基底应力，引起较大的地基变形，见图1。

图1在底板上部设低等级混凝土压重
2.1.2加厚底板
加厚底板也增加池体的总体埋深，增加挖方、排水及基坑支护的费用。

虽然壁板的计算长度不会增加，但是很多情况下底板的受力较少，按构造配筋即可。

这时候增加底板的厚度按最小配筋率设置的构造配筋将会增大，增加造价。

2.1.3在底板下配重
底板与挂重部分混凝土需要用钢筋连接，施工比较麻烦，当地下水对钢筋和混凝土具有腐蚀性时在底板挂混凝土的方法需谨慎使用，见图2。

图2在底板下配重
2.1.4在顶板上部覆土压重
在顶板上部覆土压重不会加厚底板，效率较高。

但是覆土压重会加大顶板的荷载，增加顶板配筋及板厚，所以覆土压重的重量不宜过大，见图3。

图3在顶板上部覆土压重
2.2锚固抗浮
2.2.1锚杆
锚杆是在底板与其下土层之间设置拉杆，当底板下有坚硬土层且深度不大时，设置锚杆较为经济方便；但有机质土、液限WL>50%和相对密度Dr<0.3的地层不得作为永久性锚杆的锚固地层。

锚杆直径一般取150mm~180mm。

2.2.2抗拔桩
抗拔桩是利用桩与土的摩擦力来抵抗浮力，可以采用灌注桩或预制桩。

抗拔桩的设置可以与池体的基础受力模式总体考虑。

在淤泥层较厚的地区，可以采用桩基础作为清水池的基础形式，桩基础同时起到抗拔桩的作用。

2.3降水抗浮
降水抗浮的思路是不硬抗浮力，而是通过降低地下水位从而减少浮力。

具体的做法是在构筑物的底板下设置反滤层，在构筑物周边设降水井，降水井与反滤层之间用盲沟相连。

降水抗浮的优点是工程造价低，但也有其明显的缺点：
1)可靠性差，反滤层很容易被堵塞，使水位难以下降到底板以下；
2）如果遇到非正常排空，将会发生构筑物上浮，出现工程事故。

3、抗浮计算
3.1抗浮验算的安全系数
基础抗浮稳定性应符合下式要求：
Gk——建筑物自重及压重之和（只计入永久作用且采用标准值）Nw,k——浮力作用值（地下水对建筑物的浮托力标准值）
Kw——抗浮稳定系数，一般情况下可取1.05
在进行整体抗浮验算的同时，应对结构自重较小的区域进行局部验算；在地下水作用下，底板构件应具有足够的强度和刚度，并应进行水浮力作用下的抗弯、抗剪和抗冲切承载力验算；当抗浮力验算不满足要求时，应采取抗浮措施。

3.2.抗浮锚杆的计算
3.2.1抗浮锚杆的轴向抗拔承载力
粘结型锚杆
qsia——第i土层的锚杆锚固段侧阻力特征值
li ——第i土层的锚杆锚固段有效锚固长度
3.2.2抗拔锚杆体的横截面面积As
式中As——抗拔锚杆钢筋或预应力钢绞线横截面面积；
Ntd——荷载效应基本组合下的锚杆轴向拉力设计值；
Rt ——锚杆竖向上拔力；
fy ——钢筋或钢绞线的抗拉强度设计值；
ξ2 ——锚筋抗拉工作条件系数，永久锚杆取0.69。

3.2.3锚杆钢筋与砂浆体之间的锚固长度还应满足下式验算要求
式中n——钢筋或钢绞线根数；
D——单跟钢筋或钢绞线直径；
fb——钢筋或钢绞线与锚固注浆体之间的粘结强度设计值
ξ3——钢筋与砂浆粘结强度工作条件系数，对于永久性锚杆取0.60，临时性锚杆取0.92
3.3抗拔桩的计算
基桩抗拔承载力特征值可按下列公式计算
式中Rta——基桩抗拔承载力特征值；
Tuk——基桩抗拔极限承载力标注值；
Gp——基桩自重，地下水位以下取浮重度，对于扩底桩按表确定桩、土柱体周长，计算桩、土自重；
ui——破坏表面周长，对于等直径桩取ui =πd；
qsik——桩侧表面第i层土的抗压极限侧阻力标注值；λi——抗拔系数
4、工程实例
4.1工程概况
广东省从化市某水厂清水池，平面尺寸48米×30米，池总高度6.38米，见图4。

其中地下部分4.1米，地上部分2.28米（包括1米覆土）。

因该厂区靠近流溪河，根据地质资料显示，地下水位取室外标高。

结构采用无粱楼盖式，柱距4.2米×4.3米。

图4清水池平面图
4.2抗浮验算
根据该工程场地地质条件，清水池采用天然筏板基础，基础持力层为粉质粘土层。

因地下水位高，采用在底板上部设低等级混凝土压重、加厚底板、在底板下配重等形式，需要加大开挖深度，且浮容重部分才可用于抗浮。

因此拟采用池顶覆土1米用于配重抗浮且用作绿化土壤，（见图5）抗浮不足部分，采用锚杆抗浮。

图5清水池剖面图
4.2.1抗浮计算
本清水池为无梁楼盖式底板，应计算局部抗浮。

经计算，单根柱子区域池体自重+池顶1米覆土产生的总抗浮力为598.40kN。

按池体的抗浮设计水位为地面±0.00计算，单根柱子分摊的池体浮力为740.46kN。

则局部抗浮系数为598.4/740.46=0.85<1.05，抗浮不满足要求。

4.2.2锚杆设计
按每2.10m×2.15m范围布置一条锚筋，则单根柱承重区域
4.2m×4.3m范围内布置4条锚筋，取锚杆直径D=150mm，长度10米，主要地层为可塑粉质粘土层。

单条锚筋抗拔力：
锚杆钢筋截面面积
取2Ф25，则 As=982mm满足要求。

锚杆钢筋与锚固砂浆间的锚固长度
取la=10000mm满足要求，按Nak=90KN计算。

4.2.3局部抗浮验算
则局部抗浮满足要求。

5、结语
清水池的抗浮设计应结合地基土层及构筑物的埋深、平面尺寸等实际情况选择使用，从而达到安全可靠，节省造价、管理维护方便的目的。

本工程综合运用顶板上部压重，锚杆等方式抗浮，节约了工程造价。

项目现已建成投入使用，运行效果良好。

参考文献
[1] 给水排水工程设计手册.第二版.中国建筑工业出版社
[2] GB50069-2002《给水排水工程构筑物结构设计规范》
[3] GB50007-2011《建筑地基基础设计规范》
[4] GB50330-2002《建筑边坡工程技术规范》
[5] 《全国民用建筑工程设计技术措施——结构（地基与基础）》2009
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