钢筋混凝土水池的设计与施工

钢筋混凝土水池的设计与施工摘要：

本文介绍了钢筋混凝土水池分类方法及应用的重要性。:水池结构有其特定的技术要求，如抗渗、防腐等。设计时，首先进行各种不同的荷载组合，其次进行强度计算、抗裂度和裂缝宽度验算。只有这样才能保证水池结构设计的技术与经济合理性。并从施工技术措施等方面介绍了钢筋混凝土水池裂缝的预防及控制方法。

关键词：现浇钢筋混凝土构筑物水池结构设计施工技术

钢筋混凝土水池的设计与施工

一、钢筋混凝土水池分类及应用

钢筋混凝土水池根据结构形式分为圆形水池、矩形水池；单格水池、多格水池。根据埋置深度分为地上式、地下式、半地上式。根据池体高度和宽度(或直径)的关系分为浅池、深池等。

工业厂矿中需要建有各种贮水池和其它处理水的构筑物，这些水池从用途上可分为两大类:一类是水处理水池，另一类是贮水池，由于多系建于地下或半地下，质量较好又可节省材料。水池埋人地下后，温度及风化作用等因素影响较小，而且池壁外土压力能平衡部分或全部池壁内的水压力。因而，采用材料又依据水池容积耗费材料等而定为砖砌池壁及钢筋混凝土池壁两大类。

钢筋混凝土水池在炼油化工建设中是一种应用极为广泛的构筑物，大量用于储存水、油和污水等介质，在炼油厂给排水工程中最常见的是清水池、蓄水池、隔油池、中和池、曝气池、沉淀池、反应池及消防水池等。根据施工条件，在设计时分为预制装配式和整体现浇式，但无论是矩形还是圆形、预制还是现浇的池体，由于多种原因产生变形所引起的池体结构裂缝(包括池顶板、壁板、底板)都是难免的，都要使裂缝严格控制在规范允许的范围内(一般水池裂缝规范允许。同时，在给排水工程的污水处理厂设计中，水池的设计占很大比重，其土建投资约占整个处理厂土建总投资的70%一80%，因此，水池结构设计的技术与经济合理性显得尤为重要。

二、钢筋混凝土水池的结构设计

1.结构设计应符合的规定

①各种结构类别、形式的水池均应进行强度计算。根据荷载条件、工程地质条件和水地质条件，决定是否验算结构稳定性。

②钢筋混凝土水池应进行抗裂度或裂缝宽度验算。在荷载作用下，构件截面为轴心受拉或小偏心受拉的受力状态时，应进行抗裂度验算，在使用阶段荷载作用下，构件截面为受弯、大偏心受压或大偏心受拉的受力状态时，应进行裂缝宽度的验算。

③预应力混凝土水池尚应进行抗裂度验算。

2荷载及荷载组合

各种荷载

水压

这里指池内水压，是水池的主要荷载之一。习惯上将水池按满水来计算水压。从荷载观点来看，可将水池分为恒水位类和变水位类。当我们设计时采用同一安全系数并控制裂缝宽

度时，它们间的安全储备实质是不同的。

土压力

池外有填土的水池，土对池壁的侧压力通常用朗肯理论计算主动压力，但土的侧压力变化因素很多，如回填土的密实度、粘结力、内摩擦角等。实践证明，用朗肯理论计算土压力偏于安全。

地下水压力

地下水压对水池底板的托浮力是威胁水池底板安全的一种主要荷载，设计时应予以重视。为了抵消地下水对底板的影响，在用无梁板作为底板时其经济有效的办法是以池底浮土来平衡，而采用增加结构自重的方法是不经济的。当地下水位低于池底而不考虑地下水压时，需采取措施排除地表

温、湿度荷载

由于环境的影响，造成结构物产生温度或湿度的变化，从而引起结构物体积变化，当这种体积变化受到约束时，就会产生应力。通常将温度差及湿度差称之为温、湿度荷载。

池壁中的季节温、湿差对结构的内力影响是一个极其复杂的问题。对于圆形水池可不考虑温、湿度荷载，但对矩形的长壁，须按规范规定设置伸缩缝。

2. 2荷载组合

水池的荷载组合可归纳为以下几种:

2. 2. 1水压+自重、

这是水池结构设计的基本组合。

2. 2. 2水压+自重+冬季温差

综合温差、湿差和水压的共同作用，当壁面冬季温差的绝对值大于夏季壁面湿差(化为等效温差)的绝对值时，这种情况是最不利组合。

2. 2. 3土压+自重

这是指池外有覆土的水池，当有地下水时还应包括地下水压，这种组合是水池荷载的基本组合之一，当水池建成后运营前以及水池放空期间均属此种荷载组合情况。

根据上述几种情况，可归纳为如下两类:①无覆土的水池，池壁的荷载应取上述四种组合的最不利情况求得内力。②有覆土的水池，可不考虑2. 2. 2和2. 2. 3这两种组

合。

3.截面设计的关键性问题

3. 1强度设计的安全系数

水池强度设计的基本安全系数，根据规范取，附加安全系数则宜按顶盖池壁等荷载的变异性来定，底板的附加安全系数与基本安全系数的乘积为强度设计的总安全系数。

水池顶盖强度设计的附加安全系数

顶盖所承受的荷载是自重、覆土重、活载等，其中自重和覆土重所占比例最大。由于土的容重随密度和含水量而变，其变异性较大，因此附加安全系数取1.。是合适的。

池壁强度设计的附加安全系数

池壁主要承受土压和水压，水深一般取满池计算，水的容重差别极小。土压强度一般用朗肯主动土压力理论，是略偏大的。从而说明池壁荷载的取值一般是高限，且变异性很小，因此附加安全系数取，即能满足结构设计要求。

底板强度设计的附加系数

池底实际上是与地基共同工作的，一般情况下计算水压及均布荷载均偏大。底板强度设计的附加安全系数取，即能满足结构设计要求。

3. 2关于裂缝问题的探讨

根据对已建成水池所作的调查，水池裂缝一般为竖向裂缝。这些裂缝有两种:一是贯穿性裂缝，由混凝土收缩引起的;二是出现于池壁外侧的表面裂缝，其逐步扩伸至全截面。另外，在工程实践中发现，所有的外挑现浇走道板都产生严重裂缝，并随之扩展到池壁，因此有必要考虑到预制装配式走道板，或作现浇走道板，每隔3m一4m设伸缩缝一道。

水池裂缝计算时，由于潮湿环境下混凝土干缩性较小，其裂缝增大系数取值可以适当减小，取较为合适。在选用钢筋强度等级时，虽然受裂缝宽度的限制，不能充分发挥其强度作用，但由于I、11级钢筋差价不大，且11级钢筋比I级钢用量可减少20%，所以采用11级钢筋在技术上和经济上都比较合理。

3. 3构造配筋

水池池壁的构造配筋，宜按矩形和圆形水池加以区分。

对于地面式矩形水池池壁，因对湿差和温差的影响甚为敏感，为避免产生贯穿裂缝，池壁水平向的最小构造配筋率每侧不小%为宜。对于无顶盖的水池往往在池壁顶部先开裂，宜在顶部每侧放置不小于2根②16的水平向钢筋。

对于圆形水池池壁的环向最小构造配筋率，其外侧的最小构造配筋率不宜小于%，内侧不宜小于%;对于外池有覆土的水池池壁，其内、外侧宜对称配置，但全截面总配筋率不宜小于% 。

水池底板最小构造配筋率，对于无顶盖的敞口水池，其底板上层钢筋的最小构

造配筋率不宜小于%，其下层配筋率及有顶盖的水池底板配筋率不小于%。

3. 4经济配筋率

对于矩形水池，当上端自由，下端固定的竖向截面池壁时，其最大配筋率在%左右尚属经济；其它矩形水池的池壁，某一界面的最大配筋率可达到%左右亦属经济范围。

4.设计中的构造措施

良好的构造措施是保证结构安全、适用、稳定的条件，所以必须予以足够的认识。水池实际上是空间结构，其自身的约束和外界条件的约束影响都十分复杂，因此对于温、湿度应力的计算还偏于近似范畴，在设计计算过程中，除根据具体条件作应力计算外.还必须采用一系列综合性构造措施。

(1)底板伸缩缝处理措施。在伸缩缝底部加卧梁来防止在长期的使用过程中，及在各种荷载作用下池底板发生错位变形;在伸缩缝的止水带处，加槽形附加钢筋以加强薄弱部位，以保证结构变形处的耐用性。

(2)池壁伸缩缝处的处理措施。在池壁伸缩处，加设加强柱来防止在长期的使用过程中及各种荷载作用下池壁发生扭曲现象。

(3)室外保温措施。为了有效的解决严寒气候对池壁的冻害，多年来不断地采取改进措施，取得了显着效果(一般池顶有保温，池底埋入地下)。一般来讲，构造措施以做在标准冻层下2/3处为妥。

(4)降水间题。一般地下式水池，当地下水位较高时，应采取有效的降水措施，使地下水位线保持在施工线以下最低300mm处为宜，必须确保混凝土强度达到80%以上时，才可上升。

(5)暗梁暗柱的设置。现浇钢筋混凝土水池最容易在角偶处出现裂缝，因此必须在池壁角偶处，池壁与底板角偶处设置加强措施的构造梁、柱，使薄弱部位的含钢率增大，增强结构的抗扭、抗裂性。

(6)池壁顶部增设圈梁。

(7)池壁上大于300mm的孔洞，均在洞口配置加强筋。

5.设计中应注意的问题

抗浮问题的解决办法如下:

(1)小型池可以通过适当外挑底板伸出长度来解决抗浮问题，目前工程实践中外挑出400 ^-1500mm左右，效果很好，既解决了抗浮间题，又避免了资金的大量浪费。

(2)当池体的浮力大到外挑底板已不能适应解决时，应采用桩基来锚浮抗拔以抵抗浮力作用。从工程实践来看，用钢筋棍凝土压浆桩或电动沉管灌注桩效果最佳。此桩有如下优点:沉桩效率高，施工速度快，表面粗糙度高，同土体间的摩擦力大，锚浮能力强。龙虎泡水源各种抗浮池体中全面应用压浆桩锚浮，取得了非常好的效果，值得借鉴和推广。

关于底板计算问题的分析

(1)按单向板或双向板简支嵌固于池壁上的矩形板来计算，这种计算方法取用基底反力的作用力，仅适用于每格底板至少有一边在6m以下的情况，若在6m以上则已无法控制截面及配筋。

（2）弹性地基梁板法:此方法适用于荷载沿底板的长度方向均匀分布的长条块。沿底板的横向截取单位宽截条按弹性地基上的梁计算，一般按实践经验来看长度与宽度比大于1. 5时便可以应用此方法

(3)无梁楼盖法:池壁为浅池，沿纵横两个方向各截取一个封闭替代框架来计算。

抗渗与抗冻

抗渗是水利中水池的必要要求，一般都控制在S6-S8，均是引人混凝土外加剂来达到目的，如掺人适量的膨胀剂来填塞棍凝土中的孔隙。

对于季节性严寒地区，露天地上、半地上池体存在着严重的冻融循环问题，因此必须引人抗冻外加剂来达到规范中的要求，或者采取有效的保温措施。

抗震

以往常规设计中多数水池只要着重计算地基土壤应力，水池的抗浮稳定性池底荷载及池壁荷载，而对水池的抗地震性却并未经抗震验算，却大都经受住了较强地震的考验。因此，对水池的设防烈度一般认为可以从7度开始，设计烈度就采用当地基本烈度，无需调整，况且，对水池具有破坏性的地震荷载主要是水平方向的地震惯性力，包括水池的自重惯性力，动水压力和动土压力。

一般地说，钢筋混凝土水池本身具有相当好的抗震能力。因此，对于设计烈度为7度的地面式及地下式水池，设计烈度为8度的地下式钢筋混凝土圆形水池，设计烈度为8度的平面长宽比小于，无变形缝的有顶盖地下式钢筋混凝土矩形水池，只需采取一定的抗震构造措施，而不作抗震计算。由于圆形水池的池壁沿环向和竖向两个方向受荷载，在池内水压力或池外土压力作用下，池壁在环处于轴心受拉或轴心受压状态，在竖向则处于受弯状态，受力比较均匀明确，因此，圆形水池较矩形水池具有更好的抗震性能。

震害调查说明，当设计裂度为8度时如果圆形水池池壁采用组合构造池壁，由钢筋混凝土圆梁(环梁)承担环向水平拉力或者由环梁及砖壁共同承担环向水平拉力，以及矩形水池池壁在拐角处，每30 -- 50cm灰缝内加设不少于3--8的水平钢筋。如果是8度或9度区矩形水池采用钢筋混凝土池壁者，在拐角处水平方向的里外层配筋率平均在%以上。上述水平钢筋应伸人相邻拐角池壁内，长度均在lm以上，将能收到增强拐角处的强度和刚度的效果。

对于砌体池壁要求，砖标号不低于MU10，水泥砂浆不低于M5，另外顶盖搁置在池壁上的长度不小于20cm。

对于采用预制顶盖的板缝间应用M10水泥砂浆灌严，板与梁连接不少于三个角焊接，顶盖与池壁边连接处座浆不低于M10水泥砂浆，当设计裂度为8度时，砌体池壁

顶部应设置钢筋混凝土圈梁，顶盖与圈梁应有牢固的锚固。

对于钢筋混凝土池壁的要求与对砌体池壁的有关要求大体相同。另外，为了避免池内柱网剪裂，应适当增加柱子的纵向配筋和加密柱两端箍筋是必要的。

综上所述，当设计烈度为8度时纵向配筋率不少于%，柱子两端1/6净高度范围内箍筋间距加密至不超过l0cm，当设计裂度为9度时，柱子纵向配筋率不少于%，两端1/6净高度范围内箍筋加密，间距不超过l0cm。

水池由于经常贮存水体，并承受一定的水压，所以，对于混凝土及砖的技术要求除了必须满足设计强度外，还应保证它的防水性能，以及在长期使用条件下不致损坏而具有需要的耐久性能，即水密性、耐蚀性、抗冻性以及耐磨性等。

除上述措施外，尚需合理的选用水泥品种，在水池工程中，凡在水中与地下的结构，选用火山灰质硅酸盐水泥或砂渣硅酸盐水泥最为适宜，其标号不得低于混凝土标号的两倍。

此外，混凝土中掺用塑化剂、加气剂等都能显着提高混凝土的水密性、抗冻性及耐蚀性。

三、施工质量的控制

施工质量的好坏，对混凝上水池裂缝的预防和控制有直接关系，会影响整个工程的进度和质量，影响装置的正常生产。

1.后浇缝与伸缩缝

考虑到混凝上在施工过程中，释放的水化热会产生较大的温度变化和伸缩作用，导致池底板和壁板的裂缝，从而影响水池的抗裂、抗渗及耐久性，所以在施卫中采用设置“后浇缝”的办法来弥补可能产生的裂缝。在现浇整体钢筋混凝土结构中，只在施工期间保留的临时性温度收缩变形缝，称为“后浇缝”，根据具体情况保留一定时间，再进行填充封闭，后浇成连续整体的无伸缩缝结构，这种缝只在施工期间存在，所以也是一种特殊的施工缝。

后浇缝是一种扩大伸缩缝间距、甚至取消伸缩缝的有效措施，国内一些大型五程中应用后浇缝来取代伸缩缝已有先例。如武钢“一米七”工程建设的冷轧、热轧、水处理E 程取消了伸缩缝，不但对结构抗震、防渗有利，也便于施工。

2.后浇缝的设置原则

根据温度和收缩的变化规律，一般混凝土现浇结构的温度变化上要来自气候影响、水化热及构筑物投入使用后产生的散热温差。混凝土入模后，经24-y 30h可达到最高温度，最高水化热引起的温度比入模温度高约30-35 C，此后由于不同的散热条件，降温速度也不同(因养护措施不同)，经10-15天降至环境温度。在这期间，若养护得当，混凝土收缩量约占总收缩量的15%，可能出现早期裂缝;此后3-6个月，混凝上收缩完成60%一80%，可能出现中期裂缝;一年左右混凝土收缩完成95%，可能出现“后期裂缝”。结

构裂缝的出现过程，基本上可分为这三个活动期，施工一年以后，若无特殊情况，结构将处于“稳定期”。当然，遇外界恶劣条件，温湿度急剧变化如狂风、烈日、寒潮等因素，也随时有引起结构裂缝的可能。

从以上分析看，一般地下、半地下结构遭受的最大温差是在施工期间，因此一些现浇混凝土结构出现裂缝大多在“早期、中初期”。如水池一般在工程未投入使用和使用初期，可能出现裂缝、漏水现象，使用一段时间后，有些微小裂缝会慢慢闭合。结构尺度是影响温度应力的又一因素，若将结构分成若干段，每段的长度尽量短，可有效地减小温度收缩应力。在施工后将这若干段再浇成整体，使前后两部分的温差和收缩应力叠加小于混凝上的设计抗拉强度，这就是利用“后浇缝”的办法控制裂缝的基础，并可在一般工程中达到不设置永久伸缩缝的目的。后浇缝的间距在正常施工条件下约为20--- 30m。

从理论上讲，后浇缝的保留时间，越长越好，一年左右为宜。但实际工程不允许拖这么长时间，因此以不少于40天为界，两个月左右更好，这样混凝土收缩可完成30%左右。

后浇缝的理想宽度为l cm左右，为了便于施工，一般取5- 10cm，混凝土结构内钢筋不断，后浇缝有企口式和直口式两种。后浇缝内可浇筑水泥、微膨水泥(普通水泥掺20铝料粉)或提高标号的混凝上，经15天潮湿养护，能有效地减小温度收缩应力。

当然，控制温度收缩缝的办法不只是限于采用“后浇缝”，对于一些大型工程，也可采用隔一段，浇一段的施工方法(即跳开一段、浇一段，也称梅花形浇筑法)，在不少j:5天的时间浇筑成整体。不论采川什么办法，日的都是有效地控制温度收缩变形引起的混凝上早期裂缝的产生。

为了严格控制由于施工因素造成的裂缝产生和发展，除严格执行设计技术要求外，施工人员还应注意以下各点:

(1)一般来讲，施工缝预留在池壁和池底交接处便于支模，但这个部位受力最大，容易造成水他渗漏。实践证明，施工缝留在底板腋角以上200- 300mm处为宜，施工缝的形式可分三种:凸口、M口及采用止水板。

(2)由于水池面积较大，一次浇筑混凝土量400m，以及要求施工中在混凝土内掺入木质素黄酸钙缓凝剂，延长混凝土早期凝固时间。另外为了满足混凝土的塌落度，施工中除了调整混凝土的配比外，还必须增加20%水泥用量的减水剂，不可单纯增加水泥用量。

(3)保持适宜的温湿度。保温的目的，一是减少混凝土表面的热扩散，减小混凝土表面温度梯度，防止产生表面裂缝;二是延长散热时间，充分发挥混凝土强度的潜力和材料的松驰特性，使平均总温差产生的拉应力小于混凝上的抗拉强度，防止产生贯穿性裂缝。混凝土浇灌后，强调保持潮湿养护，刚浇灌不久的混凝上处于凝固硬化阶段，水化速度快，潮湿条件可防上止混凝土表面脱水而产生干缩裂缝。

(4)严格控制水灰比，一般在左右，lm混凝土水泥用量在320kg左右，据测定，Im

混凝土中每增减10kg水泥，温度相应升降IC。砂、石中含泥量不超过3%。

(5)延长养扩，时间，提高养护质量，水池竣工后及时回填土或加强临时性维护措施，尤其避免不加维护任其过冬。

除合理的设计外，建筑物的施工过程是确保其质量的关键，因而施工人员的技术水平、劳动态度、施工队伍自身的管理水平等，都将直接影响结构的质量，不按设计及规范要求进行施工，必将增大发生开裂渗漏的可能性。因此，设计人员应对施工方做好技术交底工作，使施工技术人员明确设计意图并严格按图纸进行施工，尤其重视对施工关键问题的研究和处理，才能确保建筑物的质量，否则再好的设计方案也会因某一施工环节处理不当而出现各种各样的质量问题，给业主和有关各方造成不同程度的经济损失。

总之，钢筋混凝土水池的设计与施工都应严格按规范、规程操作，控制各项技术指标，才能达到理想的效果。

注释：

[1]水灰比：是指混凝土中水的用量与水泥用量的比值。

[2]后浇缝：指的是在混凝土浇筑过程中，因设计要求或施工需要分段浇筑而在先、后浇筑的混凝土之间所形成的接缝。

[3] 伸缩缝：是指为防止建筑物构件由于气候温度变化（热胀、冷缩），使结构产生裂缝或破坏而沿建筑物或者构筑物施工缝方向的适当部位设置的一条构造缝。

参考文献：

[1] 朱彦鹏. 特种结构. 武汉：武汉工业大学出版社，2000

[2] 郭彩兴，韩瑞芳. 水池结构的设计与施工技术山西太原，1999

[3] 刘新民，韦日演. 特种结构分析. 北京：国防工业出版社，

[4] 刘志鸿. 特种结构. 北京：冶金出版社，

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姓名：蒋荣

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