礦山圓形鋼筋混凝土蓄水池的設計與研究

張國勝，陳彥亭，劉克昭

（河北鋼鐵集團礦業有限公司，河北 唐山 063000）

1 引言

礦山圓形鋼筋混凝土蓄水池的設計中既要滿足給排水工藝要求，還要兼顧安全、經濟、實用的原則。在設計過程中要認真分析所有細節，按照相關規范設計出符合要求的工程項目。

2 礦山圓形鋼筋混凝土蓄水池簡介

鋼筋混凝土材料蓄水池有抗滲性優異、后期維護費用低、使用壽命長的特點，在各種水利工程項目中應用廣泛。蓄水池的設計可以采用明露地面上或埋在地下 2種方式。對于明露地面的蓄水池，設計時要考慮極端寒冷天氣的抗凍設計。蓄水池的容量通常在 20～10000m3。

3 礦山圓形鋼筋混凝土蓄水池的設計

3.1 水池材料設計

蓄水池的鋼材應按照 GB 50017—2014 《鋼結構設計規范》進行選擇，混凝土鋼筋選用標準應執行 GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》。

混凝土的抗滲設計：抗滲等級 P 是利用 28d 齡期的標準混凝土試件，執行嚴格的試驗規范標準檢測混凝土試件承受的靜水壓力的最大值來確定抗滲等級。根據混凝土靜水壓力測試時能承受的最大壓力 ， 可以劃分成 0.4MPa、0.6MPa、0.8MPa、1.0MPa、1.2MPa5個級別，對應靜水壓力值設置成P4、P6、P8、P10、P125 個抗滲等級。對于礦山企業圓形蓄水池，需要選擇抗滲等級大于 P6 的混凝土。選擇配置混凝土的骨料時，應選擇含泥量低，質地、級配滿足標準要求，粗骨料的平均顆粒直徑小于 40mm 的骨料。

混凝土酸堿含量設計：蓄水池用混凝土在施工中應按照工程需求添加合適的外加劑。成分采用粉煤灰和火山灰質的硅酸鹽水泥，不能用早強劑作為抗凍劑。蓄水池中存儲介質的pH 小于 6.0時，應進行防酸蝕防腐處理。蓄水池用混凝土的堿含量應符合規范中標準值的限定。

3.2 水池荷載計算

從結構方面分析，蓄水池需要承受的荷載主要包括：永久性荷載、可變荷載、隨機荷載。永久性荷載包括蓄水池及蓄水池附屬設備的自重、蓄水池的側向土壓力、覆土自重對蓄水池造成的壓力、蓄水池內部介質的壓力；可變荷載包括地下水或地表水產生的水壓力、側向壓力、水流壓力、水浮力、溫濕度差產生的應力；隨機荷載指蓄水池使用周期內發生的短暫的突變荷載，一般考慮負載較大，如重物從高處落下，重力勢能對蓄水池產生的沖擊等，這種情況要依據工程環境及模擬使用狀態對突變荷載進行分析。

3.2.1 池頂荷載

封閉式蓄水池頂板部分的荷載包括永久荷載和可變荷載，可變荷載包括池上行人及堆放的臨時物品產生的荷載，一般取 1.5kN/m2。永久荷載包括頂板自重、防水層自重、覆土自重。頂板的自重按照設計尺寸和材料密度進行重量計算確定。防水層一般較輕，計算重量忽略不計。覆土自重用覆土的厚度的土壤密度進行計算，一般厚度設計在 0.2～0.8m。

3.2.2 池壁荷載

池壁是水池設計的關鍵部分，池壁荷載包括池壁自重、池內水的側向壓力、池外土的側向壓力等。池壁的自重計算需要依據圖紙的尺寸和所用材料的密度進行計算，池內水的側方向水壓按照水池填滿水時的狀態進行計算。池壁側填土的側向壓力按照主動土壓力計算，土的參數根據勘察數據進行數值取用。

3.2.3 池底板荷載

池底板荷載包括池內水自重、水池頂板和水池壁板的自重，以及底板的覆土荷載引起的基底反向作用力。利用極限思維分析，當蓄水池底部沒有地下水時，蓄水池底部荷載主要來自基底反向作用力；當蓄水池周邊存在地下水時，蓄水池底部荷載來自基底反向作用力和地下水的浮力，地下水的浮力作用使基底反力減少。

3.2.4 溫度與濕度荷載

濕度與溫度的動態變化容易引起物體體積的改變，在蓄水池的結構構件中，由于環境溫濕度的變化，會引起混凝土結構內部應力產生變化，而這種應力變化的計算十分復雜。針對圓形蓄水池結構構件，可以忽略溫濕度的荷載計算，但是要按照規范合理設置伸縮縫。

3.2.5 地震作用荷載

相對于其他荷載，地震引起的荷載對工程具有極大的危害性，所以，設計蓄水池時，要分析地震荷載的影響。蓄水池受到的地震荷載主要是地震引起的水平向慣性力，包括蓄水池自身的慣性力、池內水的慣性壓力和蓄水池周圍的土慣性壓力。從材料來說，鋼筋混凝土蓄水池有較強的抗震性。設計時要按照相關標準進行抗震計算[1]。

3.2.6 荷載組合

進行蓄水池的承載力設計時，要考慮荷載組合情況，包括以下工況：（1）蓄水池內部空載，蓄水池周圍有土；（2）蓄水池內部滿水，蓄水池周圍有土；（3）蓄水池內滿水，蓄水池周圍沒有土。前 2種荷載組合是蓄水池在使用中的空載和滿載狀態，后一種是蓄水池完工后，沒有進行回填土之前的試水狀態。對于地上式的蓄水池只需要分析第三種荷載組合。通常來說，第一和第三種荷載組合容易引起內力的變化，設計時要對其進行驗算。

3.3 裂縫控制設計

通常通過合理的設計對裂縫能產生較好的控制，設計時主要是從控制結構構件的不均勻沉降、后澆帶的設置等措施出發。不均勻沉降的控制與蓄水池周邊的地質環境和蓄水池的結構體積及蓄水池埋置高度有關，所以，設計時要分析蓄水池構件的特性，從整體性進行設計。對于非荷載引起的裂縫控制，主要是利用后澆帶的施工進行解決。

后澆帶是在蓄水池現澆鋼筋混凝土構件中，考慮到溫度差變化和收縮變形而預留的縫隙。工程養護一定時間后，后澆帶構件的收縮變化已經基本完成，再用混凝土材料進行縫隙填充形成密實結構。后澆帶的間距由最大澆筑長度進行中計算，大多數工程控制在 20～30m。

3.4 防水設計

內壁防水層設計：內壁部分包括池頂板底面、池底板頂面、蓄水池內壁，這部分應用 1∶2 的防水砂漿進行，即利用混凝土的密實特性實現結構的抗滲防水性能和抗凍性能。通常選用標號不低于325的水泥進行混凝土配制，水灰比例應小于 0.55。蓄水池體的混凝土要達到 C25，還要控制好砂石的含泥量。

蓄水池外壁防水設計：外壁表面用 1∶2 的水泥砂漿進行均勻涂抹，還可以利用高分子特性的防水材料進行防水處理。

蓄水池周邊回填土防水設計：蓄水池主體建成后，水池周圍進行均勻的覆土回填，避免超填引起荷載變化。如果蓄水池處于地下水位較高的區域，在試水試驗完成后，立即進行回填施工，先進行蓄水池頂部回填，然后進行蓄水池周邊回填。

4 結語

對于礦山用圓形鋼筋混凝土蓄水池的設計，應依靠規范標準進行合理、全面的分析，詳細地進行荷載計算，通過設計手段控制裂縫的產生，制訂科學的設計方案，使礦山用圓形鋼筋混凝土蓄水池的設計更加安全可靠。