水池的抗浮设计

钱启军

摘要:在给排水构筑物的设计中，水池的结构计算固然重要，水池的抗浮设计同样重要，直接影响水池的结构布置方案，影响整个水池的造价。故针对水池抗浮使用的地下水位选择及各种抗浮措施在其适用条件及经济性、可行性上进行分析。

关键词:地下水位，抗浮措施。

1概述

净水厂、污水厂等水处理构筑物多为地下结构或半地下结构。当这些构筑物的地下水水位较高，或者距离江、河、湖、海较近，水池抗浮就是设计中经常遇到的问题。当水池内无水的工况为抗浮设计最不利的工况，如果浮力大于水池抗浮力，水池就会漂浮起来，拉断给水及排水等管道接口，造成安全事故。因此合理的确定地下水位，合理的确定抗浮措施，是水池抗浮设计的关键。抗浮措施主要分为”压”和“拉”两大类，“压”法主要有加大自重抗浮、顶部压重抗浮、基底配重抗浮；“拉”法是水池构件与可靠地基之间通过抗拔桩或锚杆的拽来抗浮。这些方法各有特点，有不同适应条件，设计人员应在设计中仔细分析、多方比较；根据土质、环境的不同，结合地域经验和施工单位技术情况选用不同的抗浮措施。

2合理确定地下水位

水池设计中抗浮设计与地下水位的确定有直接的关系，地下水位是水池抗浮设计的前提，地下水对于水池是一种荷载，直接影响水池的结构。在水池无法满足靠自身重量抗浮时，附加抗浮措施，也直接影响水池的壁厚、配筋，故合理确定地下水位至关重要。由于地下水位未掌握好而引起结构选型错误及抗浮不够等工程事故时有发生。根据现行国家设计规范，地下水位应根据地方水文资料，考虑可能出现的最高地下水位。一般设计均取用水文资料的最高地下水位。在50年设计基准期内，一般水工构筑物地下水可变作用的取用按“工程结构可靠度设计统一标准”原则确定，不考虑罕遇洪水的偶然作用。但值得注意的是，有些工程地质勘察报告所提供的地下水位未能从地方水文资料分析得出，而仅反映勘测期间的地下水位情况。如果详勘在当地枯水期进行，所提供的地下水位标高将无法被设计取用，或导致结构计算的失误。所以设计人员应详细了解当地的水文情况，对未满足设计要求的地质勘察报告予以补充。要求考虑当地有无暴雨、台风的影响，是否会出现由于地表水不能及时排除而引起地下水位提高。当构筑物距离江、河、湖、海距离较近时，应考虑江、河、湖、海的水位达到最高时对本构筑物的影响。由于水池的标高多为管道标高控制，调整空间不大，故当抗浮水位很高时，应合理确定抗浮措施。

3.合理确定抗浮措施

《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》CECS138：20025.2.4条内容为：当水池承受地下水（含上层滞水）浮力时，应进行抗浮稳定验算。验算时作用均取标准值，抵抗力只计算不包括池内盛水的永久作用和水池侧壁上的摩擦力，抗浮抗力系数不应小于1.05。水池内设有支撑结构时，还须验算支撑区域内局部抗浮。

此条表示为

1.05Ｆｗｋ≤∑Nwki+γg∑Gki

式中：Fwk--地下水浮力标准值=ΡgV；

Gki--建筑物自重及压重标准值；

γg--永久荷载的影响系数，取0.9～1.0；

ＮKｉ--抗拔构件提供的抗拔承载力标准值；

由于池内无水时为抗浮设计的不利工况，故抵抗力只计算不包括池内盛水的永久作用。水池侧壁的摩擦力大小与回填土土质，施工措施和质量等有关，故不宜控制，宜作为抗浮储备。故不计水池侧壁上的摩擦力。

由抗浮计算公式可知，抗浮的两个思路为增加重量及增加抗拔措施，即主要分为”压”和“拉”两大类，“压”法主要有加大自重抗浮、顶部压重、池底设置配重抗浮；“拉”法是水池构件与可靠地基之间通过抗拔桩或锚杆来抗浮。这些方法各有特点，有不同适应条件，设计人员应在初步设计中仔细分析、多方比较，根据土质、环境的不同，结合地域经验和施工单位技术情况选用不同的抗浮措施。

下图为水池考虑抗浮时的抗浮力示意图：

其中：G1为池体自重；

G2为池内压重；

G3为池壁外挑墙址上压重；

G4为池顶压重；

G5为池底配重；

N1为池底抗浮桩或锚杆的抗拔力。

3.1自重抗浮

自重抗浮即通过提高池体结构自重G1来达到抗浮的目的。此种方法一般适用于水池自重与地下水浮力相差不大的情况下。

增加自重一般通过增加水池池壁厚度或增加底板厚度来实现，这样会增加混凝土用量。当设计水池截面较小，配筋率相对较大时，此做法最为经济适用，既降低了池壁配筋率，又增加了安全性，使设计更加合理，且增加的造价不大，可以接受。若原水池截面较大，配筋率较小或接近最小配筋率时，使用此方法会造成造价增大很多，因为池壁及底板的厚度增大，还需要满足最小配筋率的要求，势必造成混凝土用量及钢筋用量大幅度增加。此方法不会造成水池底板的应力增加，也不会造成降水的费用增加，是比较简单的处理方法。

根据工程实践，在自重与地下水浮力相差在10%以内的情况下，通过增加结构自重抗浮具有较好的经济性。若自重与地下水浮力相差达20%，永久荷载的影响系数取0.95。考虑到1.05的抗浮系数及由于结构尺寸加大新增的浮力，结构自重需增加的量一般可表达为：

0.2G1×25×0.95×1.05/(25×0.95-10)=0.35G1

可见此时池体需加重35%以上才能满足抗浮，此时应考虑结合其它措施抗浮，以达到经济合理的效果。

3.2压重抗浮

压重抗浮是通过在池内配重、池顶压重或池底外挑墙趾上压重来抗浮。

池内配重一般需将池体加深，在池内填筑素混凝土或浆砌块石等其它材料（增加G2)来达到抗浮的目的。此法增加了基坑深度和池壁高度，会增加施工降水量、土方量及混凝土量，但由于配重直接作用于水池底板，故一般不会增加池底所受的不均匀荷载反力，对底板的内力计算影响较小，总体来说钢筋量增加不大。

池底外挑墙趾上压重是将底板做成外挑形式，在外挑墙趾上填筑毛石等自重较大的材料或利用回填土自重（增加G3)来抗浮。若直接利用回填土，考虑到回填土的不均匀性及填挖的不确定性，一般应乘0.8~0.9的折减系数。它常用于一般中小型（周长与面积之比相对较大）的水池抗浮，对于平面尺寸较大的水池效果不明显，对需考虑局部抗浮的水池也无较大提升。此法由于增加了外挑墙趾的压重，增加了底板的端部应力，对底板设计有一定影响，对施工降水及土方量的也有一定的增加量，对于平面面积较小的水池，经济性较好。

池顶压重是指在水池顶部增加覆土或压重（增加G4)来抗浮，常用于埋地式水池或半埋地的水池。采用此法，对于埋地式水池，可考虑美观，在覆土上种植绿化。如果规划不能使池顶凸出自然地面或半地下水池顶部不可以加高时，则需要将水池标高下落，基坑加深，施工降水量增加，池顶、池壁、底板的荷载均增加，势必增加结构的截面及配筋。当可以凸出地面或半地上式顶部可以加高时，只需增加压重即可，此时顶板的荷载增加，也会增加整个结构的截面及配筋。

3.3池底设置配重抗浮

池底设置配重池是指在水池基础底板以下设配重混凝土抗浮（增加G5），通过底板与配重混凝土的可靠连接来满足抗浮要求。此法原理与压重抗浮基本一致，但不增加池壁高度，只增加基坑深度，受力与原结构变化不大，有不错的经济性。但施工要求高，其配重材料一般应采用标号不小于C15的混凝土，需要保证底板与配重混凝土的可靠连接，具体做法可在底板与配重混凝土间设置拉结短钢筋，实现其共同工作。

3.4打抗拔桩抗浮或打锚杆抗浮

抗拔桩抗浮或打锚杆抗浮对池体的受力情况相似，它们是通过桩或锚杆的抗拔力N1来抗浮。此类方法对大体积水池的抗浮相当有效，它不仅能满足池体的整体抗浮，还能通过合理布桩或锚杆，很好地解决大形水池的局部抗浮问题。

根据《建筑桩基技术规范》JGJ94-2008规范中抗拔桩的计算公式

Nk≤Tgk/2+Ggp（5.4.5-1）

Nk≤Tuk/2+Gp（5.4.5-2）

Tgk=（1/n）ul∑λiqsikli（5.4.6-2）

Tuk=∑λiqsikulli（5.4.6-1）

Nk为荷载效应标准组合的计算的基桩拔力

Λi为抗拔系数

Qsik为桩侧表面第i层抗压极限侧阻力标准值

ul为桩身周长

li为桩周第i层土厚度

从上述计算公式中可以看出基桩的抗拔力只与土的桩侧阻力有关，与桩端阻力无关，故抗拔桩无需打入硬持力层。

抗拔桩宜采用小直径桩，因为桩径越小则同体积桩体的表面积越大，摩擦力也越大，经济效果越好。由于大部分水池为平板基础，若单桩抗拔力过大，对底板的集中荷载作用明显，必须进行局部加强或改变底板结构形式才能承受抗拔力，这样使造价进一步増加。所以，抗拔桩一般宜选用桩径较小，单桩抗拔力相应较小的桩进行密布，这样使水池底板受力均匀，对水池的局部抗浮也很有利。

锚杆抗浮根据地质情况分为岩石锚杆和土层锚杆二种。岩石锚杆适用于基础直接座落于基岩上的情况，计算公式按《建筑地基基础设计规范》GB50007-20118.6节内容进行计算，由于锚杆直接插入基岩灌浆，岩石锚杆的抗拔力较大，故此时锚杆有很好的经济性与安全性。而设置在一般土层中则为土层锚杆，计算公式采用《建筑边坡工程技术规范》GB50330-20138.2节内容进行计算。土锚杆的锚固段不应设置在未经处理的有机质土、淤泥质土、液限大于50%的土层及松散的砂土或碎石土中。影响土层锚杆抗拔力的因素比较多，如土层的密实度及钢筋与砂浆之间的粘结强度等，对设计和施工的要求也比较高。采用锚杆技术造价相对于抗拔桩较低，同时锚杆的布置密度相比抗拔桩较密，对池底板的整体作用更接近于均布荷载，使水池底板的应力更加均匀。

抗拔桩施工方法属于常规技术，应用广泛，易于控制质量，较为常用。而锚杆施工具有一定的专业性，其浆液的配制及施工过程的技术控制对锚杆的抗拔效果有决定性作用，所以应由专业队伍施工。

当水池座落于软弱土层上时，抗拔桩应结合承重桩和沉降控制桩一起设计，可具有很好的经济性。

抗拔桩与锚杆的设计与地质情况关系重大，因根据地质情况具体确定其适用性，选择经济合理的设计。

4结论

综上所述，抗浮设计的前提是合理选用地下水位，合理的地下水位选用是抗浮设计的前提。

工程设计中，浮力与抗浮力的差距，规划的方式，地质条件、施工方法等都决定了抗浮措施的选用。抗浮措施的选用并不唯一，应根据具体情况具体分析，综合工程造价、工期、施工力量现状及当地习惯做法等多方面因素，选择最佳的抗浮方案，也可同一水池采用一个或多个抗浮措施联合使用，力求经济合理。