埋地式水池局部抗浮设计方法研究

黄锦炫

民航中南机场设计研究院（广州）有限公司 广东广州 510000

摘要：埋地式水池在机场工程中具有重要的功能，必须保证其抗浮稳定。本文结合规范公式梳理并分析水池抗浮设计措施，采用有限元法对某水池进行局部抗浮验算，提出水池构件抗力有利作用的考虑方法，为工程设计提供参考。

关键词：埋地式水池；局部抗浮；有限元法；构件抗力

前言

在机场工程中，为保证机场供水排水的功能需求、同时避免影响地面景观，常在供水站、污水处理站旁设置埋地式水池。在地下水位较高的地区，常出现水池浮起、倾斜、与支柱相连的水池顶板底板破坏、设备管道破坏等情况，归根到底均是由于水池的整体抗浮或局部抗浮稳定性不足引起。因此，水池的抗浮稳定设计显得尤为重要。当前常规水池结构设计软件进行局部抗浮验算时，均将计算区域单独隔离，忽略水池构件抗力的有利作用，导致结构设计偏保守，造成不必要的浪费。本文梳理并分析水池抗浮措施，结合工程实例，提出采用有限元法进行水池局部抗浮验算，为工程设计提供参考。

1抗浮设计措施

根据《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》，当水池承受地下水浮力时，应进行抗浮稳定验算，包括整体抗浮稳定验算和局部抗浮稳定验算。整体抗浮是保证水池在水浮力作用下不发生整体上浮或倾斜的破坏。局部抗浮是保证水池在水浮力作用下不发生构件承载力破坏、变形过大、裂缝过宽等情况。《建筑工程抗浮技术标准》（以下简称“《抗浮标准》”）^[1]指出整体抗浮和局部抗浮的验算公式均采用G/N_w,k≥K_w，其中G为结构自重、附加物自重、抗浮结构及构件抗力设计值总和；N_w,k为浮力设计值；K_w为抗浮安全系数，一般取1.05。由计算公式可见，可通过增大结构自重、附加配重、锚固抗浮、加大结构承载力与刚度、减小水浮力等方法解决水池抗浮问题。本文将上述方法分为主动抗浮、被动抗浮两类。

1.1 主动抗浮

主动抗浮是指在水浮力产生前主动采取措施保障水池抗浮稳定性，包括下列方法：①自重抗浮：通过增大水池顶板、底板、侧壁的厚度，主动平衡水浮力。工程经验表明，当水池自重与水浮力相差小于15%时，采用本方法可得到良好的经济效果。当自重与水浮力相差较大时，增大自重收效甚微。②配重抗浮：通过水池顶板覆土、底板面附加混凝土配重、底板下设置素混凝土平衡层等方式，主动平衡水浮力。水池顶板覆土适用于全埋地式水池，其缺点为增加顶板荷载。底板面附加配重适用范围较广，但会增大水池侧壁的计算高度，不利于其受力。板底附加素混凝土平衡层则需要在平衡层与底板间设置拉结钢筋以保证下拉力的传递。③减小水浮力：通过注浆法填充水池底板以下土层颗粒间的空隙，降低其透水性，将水池底板与地下水隔离，免受或折减水浮力，但处理效果需要由试验测定，难以量化。或通过在底板下设置反滤层和导流盲沟，将地下水排至区域地势更低的位置，但要求建设场地有稳定顺畅的出水口，结构工程师难以把控。

1.2 被动抗浮

被动抗浮是指在水浮力产生后采取措施保障水池抗浮稳定性，包括下列方法：①锚固抗浮：通过设置锚杆或抗拔桩，对水池产生下拉力，从而平衡水浮力。②加大结构承载力与刚度：通过加大结构承载力与刚度，使水池顶板、底板、支柱等结构构件在水浮力作用下不发生破坏，向上位移小于规范限值与管线变形允许值。

2 基于有限元法的局部抗浮验算方法

由于《抗浮标准》未明确抗浮验算时构件抗力设计值的计算方法，且难以针对不同类型的埋地水池提出统一的理论计算公式。本文基于有限元法指出水池局部抗浮的验算步骤，具体如下：①建立空水工况的有限元计算模型；②施加覆土、土压力、水压力、水浮力等恒（活）荷载；③有限元计算分析；④根据内力计算结果进行构件截面设计；⑤验算水池变形、裂缝。以下结合工程实例进行逐步解释。

2.1 工程概况

本工程为某机场消防泵房的配套地下消防水池。水池内长×宽×高为12.9×12.9×4.0m，顶板、底板、侧壁厚度分别为0.3m、0.45m、0.4m，覆土厚度为0.35m，比室外地面高0.45m。在水池内跨度三分点设支柱4根，截面为0.3×0.3m。支柱与侧壁间用梁拉结，底板采用暗梁，截面为400×450mm，顶板梁截面为300×450mm。根据岩土工程勘察报告，本工程抗浮设计水位按地面标高取值。

2.2 计算模型与荷载

采用Midas Gen软件建立水池计算模型，侧壁、顶板、底板均采用板单元，梁、柱采用梁单元模拟。以侧壁底部为固定铰支座，施加荷载：①恒荷载：底板自重 、顶板自重 、覆土荷载 ，侧壁土压力；②活荷载：侧壁水压力、水浮力 。

2.3 计算结果

水池各构件的内力计算结果与截面设计结果见表1；变形示意见图1。

表1 水池内力与截面设计结果

注：①梁采用对称配筋，顶底钢筋一致。②表中为柱全部纵筋。③变形限值按l₀/400取^[2]。

图1 水池变形示意图

由表1可见，水池空水时，在水浮力作用下，构件承载力、变形、裂缝宽度均满足规范限值的要求，可认为不会发生局部抗浮破坏。

3结语

本文根据《抗浮标准》抗浮验算公式，梳理水池抗浮措施，基于工程实例指出水池局部抗浮验算的步骤，得出主要结论如下：

（1）水池的抗浮措施分为主动抗浮与被动抗浮两类。其中主动抗浮包括增大结构自重、附加配种、减小水浮力等；被动抗浮包括锚固抗浮、加大结构承载力与刚度。

（2）水池抗浮验算时，规范未明确构件抗力有利作用的计算方法，建议采用有限元法进行水池局部抗浮工况计算，验算构件的承载力极限状态与正常使用极限状态，均满足规范要求时，则可认为水池不会产生局部抗浮破坏。

参考文献

1[?] 建筑工程抗浮技术标准（JGJ 476-2019）[C]. 中华人民共和国行业标准, 中国建筑工业出版社, 2019.

2[?] 混凝土结构设计规范（GB 50010-2010）（2015年版）[C]. 中华人民共和国国家标准, 中国建筑工业出版社, 2015.

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