摘要:水池是一种较为普遍的特种结构,在工业上,特别是给排水工程、石油化工等方面有很大用途。该文讨论地下工业用水池的各种结构,并探讨了结构设计的要点、应当完成的各项要求和在设计时需要注意的事项,以期有所帮助。
关键词:地下水池；工业水池；结构设计；应用研究
地下水池用途广泛,既可以做工业用途,也有用作民用的情况,后者如化粪池等。对于工业用的地下水池结构设计进行研究有其必要性,随着现代社会经济发展,各类建筑必将获得更为广泛的应用。
1水池结构的应用
水池是用来储存液体的建造物,根据其储存液体的不同,在给排水工程(储存水)、石油(储存石油)和化工(储存化学药品等)等各种领域发挥其作用。地下工业水池主要有沉淀池、污水池、储油池等。
2水池的分类
2.1建筑材料水池按建筑材料分可分为钢筋混凝土、预应力混凝土和砖石3种不同的水池。钢筋混凝土水池容积较大,抗渗性和抗裂性等性能都比较出色。预应力混凝土水池则专门为防止渗透和开裂而设计,对于各种荷载组合都有极好的表现,因此,具有较大水池容量。而砖石水池的优点在于取材方便,相对而言抗渗性能和抗裂性能都较差,且对地基有较高的要求,容量较小,一般都不超过五百方。2.2施工方式按施工方式区分,水池有现浇和装配式两种钢筋混凝土水池。前者施工简单,因此应用较广;后者对于混凝土的早期开裂有着很好的预防作用(因其预制过程中已经经过了干缩),因此施工进度也较快。2.3安装位置按照安装位置来区分的话,主要有地下水池、半地下水池,以及地上水池和架空水池4种类型。不过后两种类型,即地上水池和架空水池不在该文讨论范围之内,因此不予讨论。地下水池的优点在于水池内部环境不容易受到大气环境的影响,可以保持水池内部相对的稳定,其所受到的应力也较小。池壁外的土和池壁内的液体可以在压力上相互抵消,因此所受到的应力效果较小。其主要问题在于埋池深度对顶盖和底板压力荷载的影响,这与地上水池有很大区别。这点容易察知,因为地下水池顶盖和底板所承受的荷载还需包括其上部岩土的压力,埋得越深,压力越大。此外不论是地下式还是半地下式的水池,对于地震都具有良好的抵抗作用,这也是为什么地下水池被用于储藏的原因。2.4水池形状水池的形状可以分为圆形和矩形两种,也可以分为单格水池和多格水池,或者开口水池和封闭水池。矩形水池的施工较为方便,对于场地的要求也不高,具有节约用地的效果,可与多个水池进行组合。圆形水池主要为池壁受到环向拉力的效果,所以,对于三千方的大型池时,应当采取预应力圆形池,而如果池深较浅,也可以采用矩形池。要根据实际需要设计形状和尺寸,并针对施工场地的地质状况和材料、施工条件采取不同的建造工艺。注意水池的强度,如,钢筋混凝土水池的强度要在C20以上,而预应力混凝土水池的强度则应当在C30以上。
3地下水池结构的设计
3.1设计要点设计地下水池之前要充分收集资料,如,地质水文、气象等资料,关于建筑材料的情况也要了然于胸。再考察水池的受力,进行受力分析,选择地下水池合理的结构形式。一般来说,小型水池对应砖石水池,中、小型则对应装配式和现浇的钢筋混凝土水池,大型水池建议使用预应力混凝土水池的形式。总之根据环境特点和使用需求,采用相对应的水池形式。进行结构设计时,则应当注意水池的强度和抗裂度在各种荷载组合的情况下是否满足要求,并且要注意水池的稳定性,对于渗透、冻裂和侵蚀的抗性情况如何,这些都要在结构设计中加以考虑,并且,针对地下水池结构的特点,还应当对池壁和底板在温度变化之下所受到的应力进行计算。3.2荷载组合地下水池的荷载组合,如果加以归纳的话,总共可以分为4种。第一种包括结构的自重和池内满水压力,这种荷载组合情况一般出现在水池的试水阶段。第二种组合则考虑雪的荷载,此外还包括结构自重、内外液体压力和外土压力,注意池内部有时没有液体压力的情况。其余两种荷载组合对于地下水池包括地下式水池和覆土保护的半地下式水池的用处不大,即在考虑结构自重及内液体压力的情况下,分别于夏季考虑湿度差的影响和在冬季考虑温度差的影响。这类温湿度差的影响对于有覆土保护的地下水池而言几乎不构成影响,但对于地下式或半地下室水池在完成浇筑之后没有及时覆土,而长时间暴露在空气环境中的话,后两种荷载组合就必须进行计算考虑。3.3抗裂度水池的抗裂度要求自然式不漏水,因此,要重点考虑水池内部液体可能令池壁发生开裂的部位,并进行抗裂度的验算。水池的其他部位则应当对裂缝宽度进行控制,清水池不可大于0.25mm,其他水池则不可大于0.2mm,为此要进行裂缝宽度的计算。3.4稳定性地下水池的稳定性主要需要考虑地下水对水池的浮托力影响,这种影响在水池内液体很少的情况下尤为明显。地下水的浮托力等于地下水重度、地下水最高水位到水池基础地面的高度差、浮托力折减系数三者的积。非岩质地基的浮托力折减系数可以取1,而岩石地基则需要根据地基的破碎程度对浮托力折减系数加以确定。上述值乘以水池底面积就得到总浮托力。抗浮总重等于池总重、覆土总重和底面外挑部分土重的和,当抗浮总重于总浮托力的比值大于等于1.05时,我们说这个水池的稳定性良好。3.5抗渗性水池的抗渗性与所采用的混凝土的密实程度有关,一般而言,可以通过增加水泥用量来提供水池混凝土的密实度,从而提高其抗渗性。但要注意,过多的水泥用量会导致混凝土干缩量的增大,因此3600N/m3是钢筋混凝土水泥用量的极限,而预应力混凝土的用量也应当在4100N/m3以下。注意水灰比要小于0.55。可通过掺加防水料来制备高抗渗性的混凝土。3.6抗冻性抗冻性的要求主要是为了外露型钢筋混凝土水池能够应对寒冷天气对混凝土的影响,混凝土要大于C25,水灰比和水泥用量的要求与抗渗性的要求相同。此外如水池具有某种重要性,则在浇筑或装配前应当注意进行混凝土的抗冻实验,以便对抗冻标号有一个良好的控制度。3.7抗腐蚀性某些土壤具有侵蚀性,对于需要被掩埋其中,长期受到土壤侵蚀的混凝土而言,选择合适水泥和骨料十分必要。此外也要注意迎水面混凝土对钢筋的保护,其保护层的厚度应当在50mm以上。
4注意事项
4.1水池变形缝水池的变形缝是抗渗性设计需要注意的一点,实际工程中可以通过掺外加剂,或者设置后浇带的方法来调节水池伸缩缝,注意施工季节的温度因素对伸缩缝间距的影响,并控制其范围。4.2转角加腋转角加腋主要用于现浇钢筋混凝土水池结构,其池壁的拐角处、池壁与顶板的连接处,底板与池壁的连接处都需要设置腋角。且腋角的宽度要在150mm以上。腋角内配斜钢筋的直径要与池壁受力钢筋的直径相同。且腋角钢筋的间距要是池壁受力钢筋间距的两倍,如无法达到,间距也应当保持在20cm以上。4.3配筋构造要求池壁受力钢筋的直径要小,其间距一般在10～20cm之间。内侧受力钢筋、外侧受力钢筋以及构造钢筋,其配筋率要大于0.15%。实践表明,0.3%～0.8%的配筋率较为经济合理,适宜采用。4.4角隅弯矩在设计矩形水池时,应当注意四边支承壁板的长度与高度之比。如此比值大于2,则必须对水平角隅处的局部弯矩进行仔细地考量,并加以计算。
5结语
地下工业水池的设计要充分考量水池的科学合理性以及在经济上的适用性,除了以上提到的设计要点,在进行地下工业水池的设计时还应当注意对附属设备和主体结构之间存在的关系。例如:对于管道、通风口、集水坑、检修口、走道板,乃至于楼梯、操作平台与安放位置和连接构造之间关系,充分、全面地加以考量,在考虑各种综合因素后在进行设计,避免返工造成的资源浪费。
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作者：周程佳 单位：苏州建设集团建筑规划设计院有限责任公司
