水池抗浮方案的分析和比较

水池抗浮设计方案的分析与比较
提要对目前在水池抗浮设计中常用的各种方案进行了较为深入的分析，并针对各种抗浮措施在其适用条件及经济性、可行性上进行比较。

有利于在工程设计中采用更为经济、合理的抗浮方案。

关键词水池抗浮，抗浮设计，抗浮措施
1 概述
在市政、环境、水利和工业项目建设中，有大量的埋地式水池构筑物。

对于建设在地下水位较高地区的埋地式水池，其抗浮措施是设计中必需解决的重要问题之一。

目前在抗浮设计中常用的方法有自重抗浮、压重抗浮、基底配重抗浮、打抗拔桩抗浮或打锚杆抗浮等多种。

这些方法各有特点，针对不同的建设场地和不同结构体型的池子，选用不同的抗浮措施，会对结构受力和工程造价产生较大的影响。

2抗浮设计方案的分析与比较
水池的抗浮计算公式为：
G/F≥1.05
式中：G为不含池内盛水的水池自重等永久作用荷载，当构筑物为沉井等侧壁与土体紧密接触的结构，可计入侧壁上的磨擦力；F为地下水浮力。

下图为水池考虑整体抗浮时的抗浮力示意图：
其中：G1为池体自重；
G2为池内压重；
G3为池顶压重；
G4为池壁外挑墙址上压重；
G5为池底板下部配重；
N1为池底抗浮桩或锚杆的抗拔力。

在水池内设置支承结构时，水池还需验算局部抗浮，其抗浮力示意图如下：
此时各抗浮力均为每一支承单元内的值。

2．1自重抗浮
自重抗浮即通过提高池体结构自重G1来达到抗浮的目的。

此种方法一般适用于水池自重与地下水浮力相差不大的情况下。

增加自重一般通过增加水池池壁或加厚底板来实现，这样会增加混凝土用量，但由于结构厚度的增加，可以减小池内配筋，降低配筋率，所以适当的增加结构厚度，其造价的增加幅度并不很大。

同时，此方法加大了结构件的截面，提高了结构刚度，对池体结构本身进行了加强。

采用自重抗浮对于原设计水池截面配筋率相对较大的水池最为经济适用，若原水池截面配筋率不大，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，这样池体造价会大幅上升，宜考虑采用其它抗浮措施。

根据工程实践，在自重与地下水浮力相差在10%以内的情况下，通过增加结构自重抗浮具有较好的经济性。

若自重与地下水浮力相差达15%，考虑到1.05的抗浮系数及由于结构尺寸加大新增的浮力，结构自重需增加的量一般可表达为：
0.15G1×25/(25-10)×1.05=0.263G1
可见此时池体需加重25%以上才能满足抗浮，此时应考虑结合其它措施抗浮，以达到经济合理的效果。

2．2压重抗浮
压重抗浮是通过在池内、池顶或池底外挑墙趾上压重来抗浮。

池内压重即增加G2抗浮，一般需将池体落深，在池内填筑压重混凝土或浆砌块石等其它材料来达到抗浮的目的。

此法增加了基坑深度和池壁高度，但一般不会增加池底所受的不均匀荷载反力，对底板的内力影响较小。

池顶压重则增加G3，常用于埋地式水池或半埋地的水池，如自来水厂的清水池、吸水井和一些埋地式污水处理构筑物等等。

采用此法，可充分利用池顶覆土种植绿化或作为活动场地。

但池顶压重会大大增加池顶板和底板的荷载，使顶底板的结构厚度和配筋都相应增加。

在外挑墙趾上压重增加了G4，它不增加基坑深度，但一般均需将底板外挑较大范围，增加基坑面积，并且对邻近建构筑物或管线等的布置造成一定的影响，另外会增加池底所受的不均匀荷载反力，使池底板的内力增大。

此法可直接利用外挑墙趾上的回填土自重或填筑毛石等自重较大的材料抗浮，若直接利用回填土，考虑到回填土的不均匀性及填挖的不确定性，一般应乘0.8~0.9的折减系数。

它常用于一般中小型的水池抗浮，但不宜用在平面尺寸较大的水池，对需考虑局部抗浮的水池也不适用。

2．3池底配重抗浮
池底配重抗浮即增加G5，是在水池基础底板以下设配重混凝土，通过底板与配重混凝土的可靠连接来满足抗浮要求。

其典型例子就是在沉井结构设计中，如果井体的自重不足以满足抗浮要求，可在底板与封底混凝土间设置拉结短筋，利用封底混凝土的自重抗浮。

此
法用于一般水池时，其受力情况近似池内压重抗浮，它不需增加池壁高度，但要保证底板与配重混凝土的可靠连接，并且其配重材料一般应采用标号不小于C15的混凝土。

基底配重抗浮一般比池内压重抗浮更为经济，但若池内压重可在工程所在地就地取材采用块石等，则造价可能比基底配重更低。

2．4打抗拔桩抗浮或打锚杆抗浮
打抗拔桩抗浮或打土层锚杆抗浮对池体的受力情况相似，它们是通过桩或锚杆的抗拔力N1来抗浮。

此类方法对大体积埋地水池的抗浮相当有效，它不仅能满足池体的整体抗浮，还能通过合理布桩或锚杆，很好地解决大形水池的局部抗浮问题。

打抗拔桩或打土层锚杆是利用桩或锚杆的锚固力来抗浮，抗拔桩的抗拔力由桩体与土的摩擦力和桩身抗拉强度中取小值，一般情况下由桩体与土的摩擦力控制。

为增加桩体摩擦力，桩径越小则同体积桩体的表面积越大，摩擦力也越大。

另外，由于大部分水池为平板基础，若单桩抗拔力过大，对底板的集中荷载作用明显，必须进行局部加强或改变底板结构形式才能承受抗拔力，这样使造价进一步増加。

所以，抗拔桩一般宜选用桩径较小，单桩抗拔力相应较小的桩进行密布。

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及避免由于接桩不牢固造成抗拔力损失。

由于桩端承载力对抗拔力无帮助，所以一般无需打入硬土层。

锚杆抗浮分为岩石锚杆和土层锚杆二种。

岩石锚杆适用于基础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。

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。

岩石锚杆和土层锚杆设计适用的规范为“ GB 50330-2002”和“GB50007-2002”中有关内容，上海地区可按上海市标准“DBJ08-40-94”中有关内容设计。

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。

当水池座落于软弱土层上时，抗拔桩结合承重桩和沉降控制桩一起设计，可具有很好的经济性。

2．5其它抗浮方式
除上述抗浮方案外，还有降水抗浮和设观察井抗浮等方式，它们是通过降低地下水位或通过观察地下水在低水位时才允许排空水池的方法抗浮。

此类方法由于易造成生产运行和管理方面的不便，在市政给排水工程设计中应用很少，此处就不再展开论述了。

2．6工程设计实例
此处以“山东省枣庄市台儿庄区污水处理厂工程”中二沉池为例，选择几种不同的抗浮方案进行比较。

本工程地质土层情况为：
1层粉质粘土层
f ak=160Kpa 厚1.2m
2层粘土混姜石层
f ak=180Kpa 厚2m
3层粘土层
f ak=200Kpa f rb=28Kpa 厚度>10m
地下水抗浮设计水位为场地设计地面下1.3m。

二沉池为内径42m圆形锥底水池，内底面埋深3.4~4.5m，地上部分高1.6m。

池体自重G1=27508KN；浮力F=39285KN
其截面简图如下：
分别采用压重抗浮、打抗拔桩抗浮和打土层锚杆抗浮的方案进行计算比较。

（1）压重抗浮：采用池内压重与池周外挑墙址上压重结合的方式。

将原锥形池底做成平底后在池内填筑毛石混凝土形成锥底，另外底板外挑墙址上填土分层压实。

其截面简图如下：
此法增加工程量如下：
池壁增加钢筋混凝土重G1’=1096KN
池内填筑毛石混凝土重G2=25386KN
池壁外挑墙址上土重G4=2436×0.8=1949KN
总浮力变为F’=53048KN
总抗浮力为∑G =G1+G1’+G2+G4=55939
∑G/F’=55939/53048=1.054>1.05满足
（2）打抗拔桩抗浮：采用D400预应力混凝土管桩，壁厚95mm，桩长10m。

单桩抗拔力设计值N1=200KN
共需桩数=(1.05F-G)/200
=(39285×1.05-27508)÷200
=69根
经布桩后取72根
总抗浮力为∑G =G1+72N1=41908
∑G/F=41908/39285=1.07>1.05满足
（3）打土层锚杆抗浮：采用锚杆长8m，直径150，锚固体为M30水泥砂浆，杆体采用1Ф25螺纹钢筋。

锚杆抗拔力设计值
N1=πd f rb /1.3
=(28×π×0.15×8)÷1.3
=81KN
共需锚杆数=(1.05F-G)/81
=(39285×1.05-27508)÷81
=170根
总抗浮力为∑G =G1+170N1=41278
∑G/F=41278/39285=1.051>1.05满足
抗浮设计技术经济比较
抗浮方式压重抗拔桩土层锚杆
施工复杂程度常规施工技术，对工期影
响不大。

需增加打桩工种，打桩和试
桩对工期有一定影响。

施工时的技术控制对质
量起关键作用，需专业队
伍施工。

抗浮增加工程量钢筋混凝土池壁44m3；毛
石混凝土1015 m3；基坑
挖方1100 m3。

长10米D400预应力混凝土
管桩72根。

ø150，长8m砂浆土层锚
杆170根。

增加投资401282元136857元82855元
根据以上对比可见，本池由于平面尺寸及浮力较大，自重较轻，其自重与地下水浮力相差达30%，所以采用压重抗浮的造价大大增加，明显不经济。

采用打抗拔桩或土层锚杆抗浮较为合适，其中尤以土层锚杆更为经济，但土层锚杆对施工队伍的要求较高。

本工程考虑到做土层锚杆抗浮在当地缺乏经验，所以未采用锚杆抗浮；另外，整个工程仅此池子下打桩对施工管理和工期有所影响。

最后经工艺调整后将水池整体抬高0.5米后采用压重抗浮。

3结论
综上所述，抗浮设计的原理虽然简单，但其方案的不同对结构受力及工程造价会产生较大的差异。

工程设计中，为了达到经济、可靠、易操作的目的，抗浮设计方案往往由几种不同的措施组合而成。

另外，进行抗浮设计时还必需综合考虑工程所在地的具体情况，做到就地取材，因地制宜，尽量符合当地的施工力量现状和习惯做法，以便在确保质量的前提下做到既经济又合理。