無梁板式水池的局部抗浮分析與設(shè)計(jì)方法

孫金勇

(福建省電力勘測設(shè)計(jì)院 福建福州 350003)

無梁板式水池的局部抗浮分析與設(shè)計(jì)方法

孫金勇

(福建省電力勘測設(shè)計(jì)院 福建福州 350003)

凈水站水池是發(fā)電廠重要的水處理構(gòu)筑物，水池的安全可靠對于保證發(fā)電廠正常運(yùn)行具有重要的意義。在地下水位較高區(qū)域，水池的抗浮穩(wěn)定是十分重要的。文章根據(jù)福建省某熱電廠工程，分析了無梁板式水池的局部抗浮原理，并提出了解決局部抗浮不足的多種措施。

無梁板式水池;局部抗浮;抗浮原理;抗浮方案

1 工程概況

在燃煤或燃?xì)怆姀S中，凈水站水池是全廠重要的水處理構(gòu)筑物，而對海濱電廠或者位于江、河、湖旁的電廠來說，地下水位往往較高，水池的抗浮穩(wěn)定就顯得尤為重要。在許多工程事故中，如水池浮起或傾斜、與支柱相連的水池頂板或底板被拉壞、與水池連接的工藝管道被拉壞等，都是由于水池的整體抗浮或局部抗浮不夠引起的[1]。因此，水池的抗浮穩(wěn)定是水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，必須引起高度重視。

該工程為福建福鼎熱電廠工程，廠址臨近沙埕灣，根據(jù)水文氣象報(bào)告、場地地形地貌特征、地區(qū)的氣候特點(diǎn)及設(shè)計(jì)地坪，并結(jié)合巖土工程勘察報(bào)告，抗浮設(shè)計(jì)最高地下水位按-2.2m(相對場坪零米標(biāo)高，以下均同)考慮。其中，凈水站無梁板式水池包括原水池、化學(xué)水池、工業(yè)消防水池、復(fù)用水池、回收水池等。

以該工程的原水池為例，分析水池的抗浮穩(wěn)定。該原水池見圖1和圖2，平面尺寸為26.5m×31.0m，底板底標(biāo)高-4.8m，頂板頂標(biāo)高1.3m，頂板上無覆土，抗浮水位-2.2m，水池內(nèi)支柱間距為3.7m×3.8m。原水池頂板厚0.2m，底板厚0.4m，池壁厚0.4m，支柱截面0.4m×0.4m，橫向支柱之間設(shè)240mm厚5.3m高的燒結(jié)實(shí)心磚砌體導(dǎo)流墻。

2 水池局部抗浮原理分析

根據(jù)《給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50069-2002)[2]，當(dāng)水池承受地下水(含上層滯水)浮力時(shí)，應(yīng)進(jìn)行抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算。驗(yàn)算時(shí)作用均取標(biāo)準(zhǔn)值，抵抗力只計(jì)算不包括池內(nèi)盛水的永久作用，可變作用和側(cè)壁上的摩擦力不應(yīng)計(jì)入，抗浮抗力系數(shù)不應(yīng)小于1.05[3]。水池內(nèi)設(shè)有支承結(jié)構(gòu)時(shí)，還須驗(yàn)算支承區(qū)域內(nèi)局部抗浮。

圖1 1#原水池平面布置圖

無梁板式水池的抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算包括整體抗浮和局部抗浮。整體抗浮是為了保證水池在地下水(含上層滯水)作用下水池不發(fā)生整體上浮或傾斜現(xiàn)象；局部抗浮是為了保證水池結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地下水(含上層滯水)作用下不產(chǎn)生超過規(guī)定允許的位移，以免頂板、底板或支柱被拉壞。無梁板式水池的整體抗浮一般可通過自重抗浮、配重抗浮、嵌固抗浮、錨固抗浮等方法解決，較容易滿足；而局部抗浮則較難滿足要求。

根據(jù)規(guī)范[2]相關(guān)規(guī)定，局部抗浮驗(yàn)算應(yīng)滿足式(1)：

(1)

式中：

q1—頂板自重及頂板上覆土單位面積重標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)

q2—底板單位面積重標(biāo)準(zhǔn)值(kPa)

Lx—x向柱間距或柱心到池壁中心距離(m)

Ly—y向柱間距或柱心到池壁中心距離(m)

G—單根柱重及單位區(qū)格內(nèi)導(dǎo)流墻重(kN)

ηfw—浮托力折減系數(shù)

γn—地下水重度(取10kN/m3)

Hw—底板在地下水位下的埋深(m)

K—抗浮安全系數(shù)

以該原水池為例，

q1=25×0.2=5kPa，

q2=25×0.4=10kPa，

Lx=3.7m，

Lv=3.8m，

G=25×0.4×0.4×5.5+19×0.24×5.3×3.4=104kPa，

ηfw=1.0，

Hw=2.6，

K=1.05，

則抗浮系數(shù):

故該水池局部抗浮不滿足要求，需采取相應(yīng)措施才能保證結(jié)構(gòu)的抗浮穩(wěn)定。

3 水池局部抗浮方案

根據(jù)局部抗浮驗(yàn)算公式，若需要提高局部抗浮系數(shù)以滿足局部抗浮穩(wěn)定要求，可通過提高抵抗力或減小上浮力來解決。具體來說，主要包括以下幾種解決措施。

(1)結(jié)構(gòu)自重抗浮

主要方法為增加水池頂板、底板厚度，這種方式適用于抗浮地下水位較低或水池自重與浮力相差不大的情況。工程實(shí)例統(tǒng)計(jì)結(jié)果與技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較可知，在水池自重與浮力相差小于15%的情況下，可以通過增加結(jié)構(gòu)自重來滿足水池局部抗浮要求；否則，需要增加頂板、底板厚度較大，增加的結(jié)構(gòu)荷載較大，混凝土工程量與用鋼量增加較多，將造成工程方案的經(jīng)濟(jì)性較差。自重抗浮較其他抗浮方式安全可靠。

(2)增加配重抗浮

主要方法為池頂覆土、底板上部設(shè)置毛石混凝土或其他低強(qiáng)度等級混凝土配重、底板下部設(shè)置素混凝土配重平衡層。

池頂覆土方式適用于地下式或半地下式水池，池頂覆土后可用于廠區(qū)綠化區(qū)、活動場地、停車場等；但這種方式也會增大水池頂板承受的荷載，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮因覆土增加的永久荷載和可變荷載的作用，保證結(jié)構(gòu)的安全。底板上部設(shè)置配重層的方式適用于豎井等結(jié)構(gòu)，通過封底混凝土的自重來抵抗上浮力的作用；但該方式會使水池池壁的計(jì)算高度增大，影響水池結(jié)構(gòu)的計(jì)算，若要解決該問題，可在底板上部配重層頂面按照構(gòu)造要求增設(shè)剛性地坪作為池壁的水平約束。底板下部設(shè)置配重平衡層的方式適用范圍較廣，通過底板下吊的混凝土重量來平衡上浮力的作用；該方式需要在底板和配重平衡層之間設(shè)置拉結(jié)鋼筋，保證兩者之間傳力可靠。

(3)錨固抗浮

主要方法為在局部抗浮計(jì)算區(qū)域內(nèi)設(shè)置抗拔錨桿或抗拔樁。抗拔錨桿包括巖石地基和土基兩種情況。當(dāng)水池坐落于巖石地基時(shí)，要求基巖堅(jiān)固完整，具有施工條件。錨桿應(yīng)根據(jù)水池內(nèi)支柱的位置直接布置在支柱底下，或者在整個(gè)水池底板下均勻設(shè)置；前者不改變底板受力情況，但需要驗(yàn)算底板在揚(yáng)壓力作用下的結(jié)構(gòu)安全，后者則使底板內(nèi)力分析復(fù)雜[4]。錨桿一般采用圓柱形，人工成孔時(shí)，宜做成錐臺形，下口略大。錨孔直徑(d1)一般為3d(d為錨桿直徑)，但不小于d+50mm。風(fēng)鎬成孔時(shí)，孔徑約為50mm～80mm。錨桿中心距不應(yīng)小于6d1。錨桿宜采用螺紋鋼筋，伸入底板的一端帶彎鉤，直徑一般大于22mm。錨固深度一般采用1m～2m，但不宜小于1m，也不得少于40d，伸入底板的長度不小于35d。將錨孔清理干凈后，濕潤表面，插入錨桿，灌入M30號以上砂漿或C30細(xì)石混凝土搗實(shí)。當(dāng)水池坐落于土基時(shí)，其錨固抗浮可參考《錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范》(GB50086)執(zhí)行[5]。

抗拔樁對水池的局部抗浮作用與抗拔錨桿類似，即通過樁與土體之間產(chǎn)生的摩擦力來平衡浮力作用。樁一般采用預(yù)制樁或灌注樁，基樁的抗拔承載力可按照《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94)計(jì)算。

(4)減小或消除浮力措施

該方法通過地基處理將水池底板下一定深度范圍內(nèi)的土體處理成不透水層或弱透水層。一般情況下，滲透系數(shù)大于1m/晝夜的巖層可認(rèn)為透水，呈層狀稱透水層；呈帶狀稱透水帶，而滲透系數(shù)小于0.001m/晝夜的巖層，稱為不透水層。

滲透系數(shù)介于1～0.001m/晝夜者為半透水或弱透水層。該方法采用灌漿法或高壓旋噴注漿技術(shù)等地基處理方法將水泥類硬化劑注入到土層當(dāng)中使其形成水泥加強(qiáng)土體，達(dá)到不透水層或弱透水層的要求；此外，在不透水層和水池墊層中間的縫隙處，通過在水池墊層中埋設(shè)注漿管后注入硬化劑以達(dá)到封堵避免水滲漏的目的。因此，處理后水池位于隔水層中，不透水層下的承壓水無法沖破隔水層，故水池底板將不受浮力作用；若地基處理后為弱透水層，則由于地下水滲流的作用，水池仍受到浮力作用，但可進(jìn)行適當(dāng)折減。

(5)導(dǎo)滲自流降水抗浮

主要方法為在水池底板下部設(shè)置反濾層、導(dǎo)滲盲溝等[6]，通過專用排水管道將水排至地勢較低的集水井或溪流中，以釋放部分水浮力作用。

該方法為永久降水措施，適用于各類有抗浮要求的地下構(gòu)筑物，但要求廠區(qū)或附近有穩(wěn)定的排水出路。在設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)采取相應(yīng)措施防止專用排水管道倒灌，同時(shí)應(yīng)考慮水位監(jiān)測措施，如在水池基坑里布置地下水位監(jiān)測井。

(6)集滲強(qiáng)排降水抗浮

集滲強(qiáng)排降水抗浮稱為管理抗浮。由于許多水池在正常運(yùn)行時(shí)內(nèi)部水位都處于較高水位，此時(shí)考慮水池內(nèi)盛水壓力的作用，水池抗浮能滿足要求；僅僅在水池結(jié)構(gòu)施工、設(shè)備安裝、水池清理或檢修等短時(shí)間內(nèi)需要考慮抗浮。因此，該方法為短期降水措施，可在水池底板下部設(shè)置集滲盲溝，在廠區(qū)合適位置設(shè)置集水井，在前述需要抗浮的時(shí)間內(nèi)將集水井內(nèi)的水抽排出去，使水池處的地下水位降至抗浮安全水位以下，以滿足水池抗浮要求。

該方法要求考慮水位監(jiān)測措施；并在設(shè)計(jì)圖紙中明確結(jié)構(gòu)施工、設(shè)備安裝期的抗浮管理要求，同時(shí)應(yīng)將水池清理或檢修等水池內(nèi)水位較低期間的抗浮管理要求納入到水池的日常運(yùn)行管理中。

(7)在整體抗浮滿足但局部抗浮不滿足要求時(shí)，應(yīng)采取構(gòu)造措施增大結(jié)構(gòu)本體剛度，以抵抗向下支承點(diǎn)處出現(xiàn)的向上位移，避免水池支柱和頂板、底板被破壞。而要保證浮力的有效傳遞，就需要保證板剛度，板厚應(yīng)滿足受沖切承載力和受剪承載力的要求，板剛度的具體控制計(jì)算可以參考《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007-2011)對于筏形基礎(chǔ)的要求。

綜上各種水池局部抗浮方法，結(jié)合該工程的原水池案例，經(jīng)計(jì)算，水池的整體抗浮不滿足要求，另由于建設(shè)單位出于廠區(qū)的整體布置考慮，要求原水池頂面超出地面的高度不超過1.3m，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，最終選定在底板下部設(shè)置700mm厚素混凝土配重平衡層(圖2)的方法，滿足水池的整體抗浮和局部抗浮要求。

4 結(jié)語

凈水站水池是燃煤或燃?xì)怆姀S重要的水處理構(gòu)筑物，也是電廠水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，準(zhǔn)確地分析和設(shè)計(jì)水池的抗浮尤其是局部抗浮措施，對于保證發(fā)電廠安全可靠運(yùn)行具有重要的意義。

本文根據(jù)局部抗浮的計(jì)算原理，總結(jié)歸納了解決局部抗浮不足的多種措施，包括增大結(jié)構(gòu)自重、增加配重、錨固抗浮、通過地基處理設(shè)置不透水層、導(dǎo)滲自流降水、集滲強(qiáng)排降水、增大結(jié)構(gòu)本體剛度等，切實(shí)解決了工程實(shí)際中遇到的問題，可供地下水位較高的構(gòu)筑物抗浮設(shè)計(jì)作為參考。

在具體的工程實(shí)際中，應(yīng)根據(jù)各工程的實(shí)際情況，進(jìn)行多方案的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比選，選用安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的抗浮方案。

[1] 馬霖.采用頂部覆土滿足水池局部抗浮要求的設(shè)計(jì)方法[J].科技信息, 2014 (8):216-216.

[2]GB50069-2002 給水排水工程構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2002.

[3]CECS138:2002 給水排水工程鋼筋混凝土水池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)程[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2002.

[4] 沈世杰.給水排水工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(第二版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社, 2007.

[5]GB50086-2001 錨桿噴射混凝土支護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國計(jì)劃出版社, 2001.

[6] 陳小剛,馬忠武.埋置式矩形結(jié)構(gòu)局部抗浮在抗浮計(jì)算中重要性的探討[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì),2016(5):19-21.

Local Anti-floating Analysis and Design Method of Flat-slab Water Pool

SUNJinyong

(Fujian Electric Power Survey & Design Institute, Fuzhou 350003)

Water pools in water purification station are important water treatment structures of fossil fuel power plants.Safety and reliability of water pools are very significant for normal operation of power plants.In high groundwater level area, the anti-floating stability of water pools is very important.In this paper, according to a thermal power plant in Fujian Province, the local anti-floating principle of flat-slab water pool was analyzed and various measures of solving local anti-floating have been proposed.

Flat-slab water pool; Local anti-floating; Anti-floating principle; Anti-floating program

圖2 原水池A-A剖面圖

孫金勇(1985.10- )，男，工程師。

E-mail:282371137@qq.com

2016-08-26

TU991

A

1004-6135(2016)12-0070-04