塑料模塊組合水池

余雪松 徐志通

一、引言

水池是常用的貯水設施，其主要的功能是水的儲存與調節。近年來，出現了一種雨水滲透池，池體的側壁有滲透孔，儲水能滲入地下，這類水池常用于雨水利用系統，收集降雨徑流入滲地下，涵養地下水。通常，水池由鋼筋混凝土預制或磚砌而成，耗費能源和土地資源；施工周期長、工序繁多；在因故拆除時建筑垃圾會對環境產生污染；同時，受建材特性和施工方式的限制，建成滲透水池側壁的大量開孔也有較大的難度。

塑料模塊組合水池的開發成功，是給水排水領域的一項重大革新，它與鋼筋混凝土儲水池的最大區別是：使用了一種用于搭建儲水池的塑料模塊，塑料模塊通過連接件組裝在一起，構成水池骨架，周邊采用不同的土工材料包覆，分別做成普通儲水池或滲透式儲水池。

二、塑料模塊組合水池構成與運行

1.水池構成

塑料模塊組合水池由水池池體和附件組成，附件主要包括進水井、出水井、鼓風通氣系統。

圖1 塑料模塊組合水池構成示意圖

塑料模塊通過連接卡連接在一起，組成水池骨架。在水池骨架的外圍包覆不透水的土工膜構成儲水池，包覆透水土工布構成入滲池。

進水井做成沉沙井型，水池進水管從水池進入池體，管口設截污罩。

鼓風通氣系統用于水質保潔，進氣管從水池側面下部進入。

透氣帽設于水池頂部。

水池的構成詳見圖1。

2.工藝流程

在圖1中，收集的雨水，用雨水管送入水池進水沉沙井，在沉沙井中，雨水中大顆粒的泥沙沉積下來。進水沉沙井用水池進水管與塑料模塊組合水池池體相連，水池進水管裝有進水三通，水池充滿后多余的雨水從溢流管溢出。儲水用塑料模塊組合水池向用戶供水時，啟動設于水池出水井內的供水泵打開壓力供水管上的閥門，此時，水池排污管上的排污閥關閉。當塑料模塊組合水池裝配成滲透水池使用時，一場降雨過后，流入水池內的雨水，透過包裹在水池側面的透水土工布及水池側面填砂層向土壤中滲透，涵養地下水。水池出水管在水池出水井內的閥門平時打開，檢修供水泵或清理出水井時關閉，防止水池內的雨水涌入井內。水池內部清洗時，開啟空氣壓縮機向壓縮空氣管曝氣系統供氣，沖起池底的沉泥，泥渣水由水池出水管匯入出水井內，開啟水池出水井內的供水泵，打開水池排污管上的排污閥將泥渣水排出，此時水池供水管關閉。低位通氣帽、高位通氣帽有利于水池水面上部空間的空氣流動，防止水池水質惡化。水池頂板的鋪砂層用于維持土工布的土工性能，水池底面的找平砂層用于保證水池池體均勻受力。水池基礎層土壤素土夯實是按工程需要而定的通用措施。

三、塑料模塊組合水池受力分析計算

應用于工程中的塑料模塊組合水池應能承受可能遇到的受力情況，安全可靠。僅示一例。

1.水池頂部豎向壓力標準值的計算

圖2 水池的動荷載示意圖

（1）計算條件：

按汽10重車后排雙輪綜合影響傳遞到水池頂部考慮：

水池覆土深度 2.5m

汽10外形尺寸 7×2.5m

汽10主車 總壓力 100kN，前軸壓力 30kN，后軸壓力70kN

汽10重車 總壓力 150kN，前軸壓力 50kN，后軸壓力100kN

汽10軸距 4m，輪距 1.8m

汽10前輪著地分布寬度 0.25m，后輪著地分布長度0.2m

汽10后輪著地分布寬度 0.50m，后輪著地分布長度0.2m

（2）水池頂部輪壓標準值按下式計算：

式中:P1——輪壓傳遞到水池頂部的豎向壓力標準值（KN/m2）；

n——車輪的數量；

Q——車輛后軸單個車輪輪壓的標準值，kN；

a——車輪的著地分布長度，m；

b——車輪的著地分布寬度，m；

H——行車地面至水池地面的距離，m；

d——沿車輪的著地分布寬度方向，相鄰兩個車輪間的凈距，m。

將相應的參數代入公式有：

（3）水池頂部土壓力按下式計算：

式中：P2——水池頂部的豎向土壓力標準值（kN/m2）；

γ——回填土的重力密度20kN/m3。

將相應的參數代入公式有：

（4）水池頂部豎向壓力標準值按下式計算：

2.作用在水池上的側向土壓力的計算

（1）埋設在地下水位以上的水池，作用在水池上的側向土壓力按下式的計算：

式中：P3——作用在水池上的側向土壓力KN/m2；

K2——主動土壓力系數，與土的抗剪強度有關，按0.33選用；

γ——水池側向土的重力密度，kN/m3。取18kN/m3。

Z——地面與計算截面的深度，m，取4.5m。

代入已知值：

（2）埋設在地下水位以下的水池，作用在水池上的側向土壓力為主動土壓力與地下水靜水壓力之和，此時，作用在水池上的側向土壓力按下式的計算：

式中：P4——作用在水池上的側向土壓力kN/m2；

K2——主動土壓力系數，與土的抗剪強度有關，按0.33選用；

γs——地下水位以下水池側向土的有效重度kN/m3，取10kN/m3；

zw——自地面至地下水位的距離，取3.5m。

代入已知值：

四、塑料模塊結構設計

1.塑料模塊的基本結構

根據塑料模塊水池的受力分析及實際應用情況，將儲水池用塑料模塊設計為長方體形，外形尺寸1000×500×400（mm），模塊的兩端留有DN150、 DN125D的進水管接口各一個。考慮到塑料模塊制作方便，將塑料模塊設計成結構相同的上、下兩個單體，塑料模塊是由這兩個單體對扣而成，內部為鏤空形狀，空隙率達到95%。模塊四周留有透水條縫，從而保證了水在模塊之間可以自由流動。模塊豎向設置25個圓形承力柱和25個方形承力柱，材質為聚丙烯 （PP）。塑料模塊結構見圖3。

圖3 塑料模塊結構示意圖

2.塑料模塊的受力計算

取一個單體來進行受力分析，考慮到單體的對稱結構，為了簡化計算，取25個支撐柱來做受力分析，將約束放在25個支撐柱的端面，載荷56000N/m2加在25個支撐柱的另一端面平面上。受力如圖4。

使用SolidWorks SimulationXpress對模型進行計算，經計算各部分的應力和合位移詳見圖5、圖6。SolidWorks SimulationXpress設計分析結果基于線性靜態分析，且材料設想為同象性。 線性靜態分析設想：（1）材料行為為線性，與Hooke定律相符。（2）誘導位移很小以致由于載荷可忽略剛性變化。（3）載荷緩慢應用以便忽略動態效果。

圖4 單體受力圖

圖5 應力分布圖

圖6 合位移分布圖

由于塑料材料沒有定義屈服強度，從圖5中得出最小應力為16026.5N/m2，最大應力為2.19787e+007N/m2。

在圖6中，最小合位移為0mm，最大合位移為6.94508mm。25個支撐柱的合位移為0mm，說明25個支撐柱能夠承受56000N/m2的載荷。最大合位移發生在支持柱的連接部分，在具體的產品設計中需要考慮。

通過塑料模塊的受力分析和充分考慮產品的使用功能，塑料模塊的具體結構祥見圖7。

圖7 塑料模塊圖

五、實驗結果

經國家建筑工程質量監督檢驗中心檢測，塑料模塊抗壓承載強度為542kN/m2，約為水池頂部豎向壓力標準值的10倍；塑料模塊側向抗壓承載強度128kN/m2，約為作用在水池上的側向土壓力的5倍。

六、小結與討論

1.塑料模塊組合水池，水池材質與結構的革命性變革，使水池的功能和施工方式有了根本改變，形成了普通儲水池及滲透式儲水池兩種基本池型，表明水池已從單一的貯水功能擴展到帶有了雨水利用入滲功能。水池骨架的基本單元塑料模塊，在工廠開模批量生產，摒棄了水泥、粘土磚大量耗能的生產工藝，符合國家節能、低碳、環保的理念，節省了大量的土地資源；塑料模塊拼裝方便，組合水池的施工工序大為簡化，施工周期約比鋼筋混凝土水池縮短半月以上；塑料模塊表面光滑，不易結垢，儲水環境良好；特別是在水池拆除塑料模塊可以回收利用或異地再建，避免建筑垃圾污染環境。

2.塑料模塊組合水池沉泥的清理是業界關注的問題。本文所述的塑料模塊組合水池，采用箱筐式模塊，在模塊組成的骨架層與水池底板間留有10cm的集泥區，集泥區設壓縮空氣管及吸泥管系。吸泥時水池宜在低水位，用壓縮空氣把積泥翻起，開泵將泥水從水池排出。

3.塑料模塊的承力計算與實測結果的分析：塑料模塊抗壓承載強度為542000N/m2，約為水池頂部豎向壓力標準值的9.7倍。由于考慮到聚丙烯塑料低溫時變脆，耐老化性差等一些特性以及塑料模塊在長時間荷重下的變形蠕變特性，取比較大的安全系數是必要的。

4.建議的塑料模塊組合水池安裝要求：水池的平面外形宜為I、L、F等形式；單體水池最大容積在500m3以內；水池池頂覆土為1.0～1.5m，池底最大深度為4.5m（含覆土）；水池的地基應按工程所在地的地質情況決定。