关于水池结构设计的几点探讨

关于水池结构设计的几点探讨

【摘要】本文从结构专业的角度谈谈对水池设计中所涉及的地下水位的确定、荷载及荷载组合、伸缩缝的设置、后浇带的作法及设计和施工配合等新问题。

【关键词】钢筋混凝水池；地下水位；荷载及荷载组合；伸缩缝；后浇带

随着我国经济建设的快速发展和综合国力的增强，尤其是石油化工行业的不断发展扩大，人们的生活、工业生产和环境保护的需要，水池类构筑物工程的建设逐年增多。

钢筋混凝水池是工业与民用建筑中一种常见的构筑物，被广范应用于工业与民用建筑的给水、污水、消防工程中。钢筋混凝土矩形水池作为特种结构，被广范应用于工业与民用建筑的给水、消防、排污工程中。钢筋混凝土矩形水池（以下简称水池）池体结构一般由池壁、底板和顶盖（是否封闭加盖由工艺需要决定）所组成。水池按有无顶盖，可分为无顶盖的开敞式池、有顶盖的封闭式池和带走道板的半封闭池；按安置方式，可分为地上式、半地上式、地下式。本文就结构专业的角度对水池设计所涉及的一些新问题，进行了简要的论述。

一、设计地下水位的合理确定

水池的设计和地下水位的标高密切相关。由于地下水位未掌握好而引起结构选型错误及抗浮不够等工程事故时有发生。根据现行国家设计规范，地下水位应根据地方水文资料，考虑可能出现的最高

地下水位。一般设计均取用水文资料的最高地下水位。尤其值得注意的是，有些工程地质勘察报告所提供的地下水位未能从地方水文资料分析得出，而仅反映勘测期间的地下水位情况。假如详勘在当地枯水期进行，所提供的地下水位标高将无法被设计取用，或导致结构计算的失误。所以设计人员应具体了解当地的水文情况，对未满足设计要求的地质勘察报告要求予以补充。要求考虑当地有无暴雨、台风的影响，是否会出现由于地表水不能及时排除而引起地下水位提高。结构设计人员应结合对地下水位和地质情况的了解，和水工艺设计人员一起决定水池的基底标高，综合工艺流程要求、土建造价、运营成本、投产年限等诸多因素，制定出设计方案。

二、荷载及荷载组合

1.各种荷载。

水压。这里指池内水压，是水池的主要荷载之一。水压力应按设计水位的静水压力计算，但现在一般将水池按满水来计算水压力。这是因为：一方面很可能存在误操作而造成满池时可保证结构的安全；另一方面今后工艺上有可能挖掘潜力而超过原设计水位。

土压力。池外有填土的水池，土对池壁的侧压力通常用朗肯理论计算土的主动压力。但土的侧压力变化因素很多，如回填土的密实度、粘结力、内摩擦角等。实践证明，用朗肯理论计算主动土压力偏于安全。土的各参数可按岩土勘察报告所提供的实际数值取用。但在初步设计或缺乏资料时，土的内摩擦角可取30，土的重度可取18。当地面无堆载时，地面活荷载可按1.5～2.0kn/m2考虑。

地下水压力。地下水压对水池底板的托浮力是威胁水池底板安全的一种主要荷载，设计时应予以重视。为了抵消地下水对底板的影响，在用无梁板作为底板时，其最经济有效的办法是以池底浮土来平衡，而采用增加结构自重的方法是不经济的。当地下水位低于池底而不考虑地下水压时，需采取措施排除地表滞水。

温、湿度荷载。由于混凝土硬化过程中产生的水化热、工艺要求以及季节变化等，造成池壁产生膨胀和收缩。当变形受到约束时，在池体中产生相应的温度或湿度应力。温度应力和湿度应力是导致混凝土池壁产生裂缝的主要原因，对于冬夏季或早晚温、湿差大的地区，温、湿度荷载计算是不可忽略的。由于环境的影响，造成结构物产生温度或湿度的变化，从而引起结构物体积变化，当这种体积变化受到约束时，就会产生应力。通常将温度差及湿度差称之为温、湿度荷载。

2.荷载组合

水池设计中通常考虑以下3种荷载组合：

①池内水压+ 自重（对应工况为：池内有水，池外无土）。这是水池结构设计的基本组合。

②池外土压+ 自重（对应工况为：池内无水，池外有土）。这是指池外有覆土的水池，当有地下水时还应包括地下水压，这种组合是水池荷载的基本组合之一，当水池建成后运营前以及水池放空期间均属此种荷载组合情况。

③池内水压+ 自重+ 冬季温差。综合温差、湿差和水压的共同作

用，当壁面冬季温差的绝对值大于夏季壁面湿差（化为等效温差）的绝对值时，这种情况是最不利的组合。

④池内水压+ 自重+ 湿差。综合温差、湿差和水压的共同作用，当夏季壁面湿差（化为等效温差）的绝对值大于冬季壁面温差的绝对值时，这种情况是最不利的组合。

根据上述几种情况可知：第①组合为地上式水池的必需组合，第①、②组合是半地上式水池和地下式水池的必需组合，第③、④组合用于冬夏季或早晚温、湿差大的地区，并且没采区任何保温措施的水池。

三、水池内力计算中值得注意的问题

水池的内力计算主要包括池壁内力计算和底板内力计算。不同边界条件和地基反力模型的选取，对水池的内力计算结果有很大的影响，下面分别谈一谈池壁和底板内力计算的方法及其中应注意的问题。

1. 池壁的边界条件假定和内力计算

1.1 池壁的边界条件假定及应用：

①开敞式水池池壁的边界条件可假定为三边固接、顶边自由的板。

②有顶盖的封闭式水池池壁，视其与顶板的连接情况，池壁的边界条件可假定为三边固接、顶边铰接（或弹性支承）的板。当池壁与顶板整体连接，且池壁线刚度为顶板线刚度的5倍以上时，可假设池壁顶端为铰接，否则为弹性支承。

2 底板内力计算

2.1 地基反力的分布规律及底板内力计算的常用方法

在地基反力作用下，池底可视为简支于池壁上，池壁间距对池底反力分布有影响，当池壁间距小至使两邻池壁刚性角重叠时，变形与反力比较均匀，不计弯矩。当池壁间距增大，变形与反力的不均匀分布愈加显著，甚至可能出现跨中反向挠曲引起与地基脱开现象，反力向池壁下集中，前者可以按地基反力为线性分布进行计算，而后者弯矩的变化已不可忽视。

实际工程中，常采用静力平衡法或考虑池底与地基相互作用的内力分析方法来计算水池底板内力。当使用静力平衡法计算时，假定地基反力按线性分布，只要求满足静力平衡条件，忽略变形协调条件，所以计算结果是相当近似的，此法适用于计算池型小、容积小的小型水池，是一种适宜手工计算的简便方法。当使用考虑池底与地基相互作用的内力分析方法时，地基反力模型一般采用winkler 弹性地基模型（winkler弹性地基模型假设，地基表面某点的沉降与其他点的压力无关，把地基土体划分成许多竖直的土柱，每条土柱可用一根独立的弹簧来代替，如果在这种弹簧体系上施加荷载，则每根弹簧所受的压力与该弹簧的变形成正比），这种模型主要是以模拟天然地基土在荷载作用下实际应力一应变关系从而比较准

确地解决变形协调关系，得到接近于实际的反力分布和变形规律，但在求解过程中采用了数学解析法和数值计算法，计算繁琐，必需借助计算机进行数值计算。近年来，一些专家借助于计算机分析，