水池設(shè)計及計算要點

河南省城市規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司 王淑慧 楊濤

水池設(shè)計及計算要點

河南省城市規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司 王淑慧 楊濤

水池根據(jù)工藝要求、地形和土質(zhì)條件可以分為地上式或地下式、開敞式和封閉式；按結(jié)構(gòu)類型分為：無梁板式水池、雙層水池、帶斗底水池、裝配式水池；按池室布局不同可以分為：單格水池、多格水池及多排多格。按配筋的方式分為：普通混凝土結(jié)構(gòu)水池、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)水池。因此，在實際工程的設(shè)計中，應(yīng)在滿足工藝要求的前提下做到布局合理、受力明確清晰及安全、經(jīng)濟實用。場地應(yīng)選擇在地基穩(wěn)定、土質(zhì)均勻的地區(qū)，避免大量的挖填方。高度一般不超過6米，埋深設(shè)計應(yīng)考慮地下水位的影響。

一、設(shè)計計算內(nèi)容

對于水池結(jié)構(gòu)設(shè)計來說，一般要進行強度、裂縫、抗浮計算，必要時還要進行抗震計算。

1.基本參數(shù)的確定。根據(jù)有關(guān)水池設(shè)計的規(guī)范、規(guī)程的具體的規(guī)定：貯水或水處理構(gòu)筑物、地下構(gòu)筑物的混凝土強度等級不應(yīng)低于C25；鋼筋混凝土構(gòu)筑物的抗?jié)B，宜以混凝土本身的密實性滿足抗?jié)B要求，混凝土中最大堿含量為3.0kg/m3。最冷月平均氣溫低于-3℃的地區(qū)，外露的鋼筋混凝土構(gòu)筑物的混凝土應(yīng)具有良好的抗凍性能，混凝土的抗凍等級應(yīng)進行試驗確定。因此，混凝土一般采用C30，抗?jié)B等級確定為S6，抗凍等級為F150，鋼筋采用HRB335。

2.抗浮水位的確定。地下水位和土層情況的不同，會使埋地式水池的設(shè)計水土壓力產(chǎn)生很大變化；基礎(chǔ)持力層的不同可能直接影響基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式和池體沉降變形情況。根據(jù)現(xiàn)行國家設(shè)計規(guī)范，地下水位應(yīng)根據(jù)地方水文資料，考慮可能出現(xiàn)的最高地下水位。一般設(shè)計均取用水文資料的最高地下水位。同時應(yīng)結(jié)合對地下水位和地質(zhì)情況的了解，綜合工藝流程要求、土建造價、運營成本、投產(chǎn)年限等諸多因素，確定水池的基底標高。

3.計算模型及荷載。設(shè)計時應(yīng)注意使水池結(jié)構(gòu)的整體滿足結(jié)構(gòu)選型及布置的合理性，保證所采用的水池結(jié)構(gòu)的計算模型與水池的實際受力狀態(tài)一致。設(shè)計階段的主要內(nèi)容有以下幾個方面。

（1）底板計算時采用的地基假定是否合理。目前計算水池地基反力的三種假定（地基反力直線分布假定、文克爾假定、半無限彈性體假定）的計算結(jié)果出入較大。但在實際近似計算中較多采用反力直線分布假定。

（2）壁板單、雙向受力的區(qū)分及支承條件（自由、簡支、固定）的確定；池體頂板、壁板、底板連接部位的支撐條件的確定。

（3）荷載最不利組合是否選擇正確。除了正常使用階段的荷載外還應(yīng)考慮施工、試水、檢修階段的荷載組合。

（4）壁面溫（濕）差的取值及出現(xiàn)的部位。具體設(shè)計時，首先根據(jù)經(jīng)驗假設(shè)壁厚進行初步的荷載和內(nèi)力計算。然后再通過對計算結(jié)果的分析來進一步確定合理的壁厚，盡量使池體結(jié)構(gòu)合理、受力明確、經(jīng)濟可靠。然后對整體結(jié)構(gòu)所有結(jié)構(gòu)件進行詳細的力學(xué)計算，得到在最不利工況下各控制斷面的內(nèi)力設(shè)計最大值。在接下來的截面配筋設(shè)計中，應(yīng)區(qū)分各構(gòu)件是否需進行裂縫控制設(shè)計，若需進行裂縫控制設(shè)計，先根據(jù)強度計算結(jié)果初步確定配筋，然后進行裂縫寬度驗算。在水池結(jié)構(gòu)中，根據(jù)水池的盛水水質(zhì)（清、污水）及其使用功能，最大裂縫寬度一般應(yīng)控制在0.2mm或0.25mm。優(yōu)先采用直徑較細的鋼筋，或較高抗拉強度的混凝土。

此外，還要注意一些次要構(gòu)件對內(nèi)力分配的影響。如水池中常用的一些隔墻、導(dǎo)流墻，當(dāng)采用砌體墻時，一般可作為荷載作用于池體結(jié)構(gòu)上。而一旦采用現(xiàn)澆混凝土壁板時，則應(yīng)考慮其對池體結(jié)構(gòu)的支點作用，因為這會改變主體結(jié)構(gòu)內(nèi)力的分配和傳遞。還有，池體變形縫的設(shè)置位置和類型的不同往往會改變變形縫周邊構(gòu)件的受力情況。

三、算例

某污水廠排泥泵站，混凝土:C30；鋼筋:HRB335；最大裂縫寬度:0.20mm荷載。池頂活荷載標準值：2.0kN/m3。池邊地面堆積活荷載：10kN/m3。準永久值系數(shù)：0.5。池外覆土深度：4.0m；最高地下水位：2.3m。地下水重度：10kN/m3鋼筋混凝土重度：25kN/m3。土壤重度：20kN/m3（強度計算時）。地下水位以下土的浮重度：10kN/m3。主動土壓力系數(shù)：0.5。

I號壁板：計算簡圖如1圖所示。

圖11 號壁板工況

1.荷載計算。

（1）池內(nèi)有水，池外無土。最高水位按滿池4.6米，池內(nèi)水水重度：10.8kN/m3，q=4.6×10.8=49.7kN/m2。

（2）池內(nèi)無水，池外有土。地下水位以上土側(cè)壓力：q1=1.7 ×0.5×20=17kN/m2。地下水位以下土側(cè)壓力：q2=2.3×0.5×10= 11.5kN/m2。地下水側(cè)壓力：q3=2.3×10=23kN/m2。則：

池邊地面堆積活荷載側(cè)壓力q4=10×0.5=5kN/m2。

2.壁板內(nèi)力計算，三邊固定，頂邊簡支，

按一端簡支，一端固定單向板計算。

第一種工況：池內(nèi)有水，池外無土。

則固端最大彎矩：

水平：Mcx=0.035XqXl2=40.1kN·m/m。

跨中：My=0.0298XqXl2=34.1kN·m/m。

第二種工況：池內(nèi)無水，池外有土。

則固端最大彎矩：

M20=（1/8）XqXl2=14.4kN·m/m，

My0=M1+M2=79.2+14.4=93.6kN·m/m。

水平：Mcx=（0.035X51.5+0.076X5）X4.82=50.4kN·m/m。跨中最大彎矩：

查《給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》第二版，配筋如表1所示。

表1 配筋情況（h=400，保護層厚度35mm）

四、構(gòu)造措施

1.一般規(guī)定。混凝土水池壁板及底板厚度不宜小于200mm，頂板厚度不宜小于150mm。水池的壁板的拐角及頂、底板的交接處，宜設(shè)置腋角。腋角的邊寬不應(yīng)小于150mm，并應(yīng)配置構(gòu)造鋼筋，一般可按墻或頂、底板截面內(nèi)受力鋼筋的50%采用。

2.變形縫和施工縫。大型矩形水池的長、寬度較大時應(yīng)設(shè)置伸縮縫。伸縮縫間距一般為20或30米。為了便于模板的支護及混凝土的澆筑，一般在離池底及腋角以上500處留置施工縫。

3.鋼筋構(gòu)造。敞口水池池壁的頂部宜配置水平向加強筋，內(nèi)外兩側(cè)各不小于3根，間距不宜大于100mm，直徑不宜小于壁板受力鋼筋，且不小于16mm。對有抗裂要求的構(gòu)件（處于軸心受拉或小偏心受拉狀態(tài)），其鋼筋應(yīng)采用焊接連接。

五、小結(jié)

綜上所述，水池設(shè)計我們應(yīng)結(jié)合具體工程建立正確的計算模型，計算準確無誤，在采取可靠可行的構(gòu)造措施保證模型的正確條件下，還要確保水池經(jīng)濟和正常使用。