水池抗浮力计算及解决方法

大型排水构筑物的抗浮设计

张健

摘要：大型排水构筑物一般均有较深的埋深，当地下水位较高时，抗浮设计往往是很突出的问题，能否合理地解决这个问题，对工程的安全稳定性及土建造价有很大的影响。 关键词：大型排水构筑物 抗浮设计 配重抗浮 锚固抗浮 降水抗浮 观察井抗浮

目前，在抗浮设计上，主要采用抗与放的方法。所谓抗，即是配重抗浮、锚固抗浮；所谓放，即是降水抗浮和设观察井抗浮。具体采用哪一种方法，尚应根据工程的具体情况而定，同时还应着重考虑对工程造价的影响。下面就各种抗浮方式进行探讨并做经济分析比较。

一、抗浮方式的探讨：

（一）配重抗浮：

小型水池一般不需要配重抗浮，因其池壁相距较近, 再加上底板向外突出部分上部的土重和壁板与土的摩擦力，抗浮安全系数很容易满足规范要求。

砼的缺点之一是自重大，但事物均有两面性，抗浮时自重越大越有利。配重抗浮一般有三种方法，一是在底板上部设低等级砼压重；二是设较厚的钢筋砼底板；三是在底板下部设低等级砼挂重。一、二种方法的优点是简单可靠，当构筑物的自身重度与浮力相差不大时，应尽量采用配重抗浮，对工程造价的影响小, 投产后亦没有管理成本。但构筑物的自身重度与浮力相差较大时, 本方法将会增加工程量使土建造价提高，原因是配重部分要扣除浮力，导致配重部分的厚度增大；较大的埋深也将增加挖方量和排水费用，同时也会增大基底压力，引起较大的地基变形。如采用底板上设低等级砼压重的方法，将会使壁板的计算长度H 加大，而壁板根部的弯矩值与H 是平方关系, 这样会使壁板根部的弯矩值增长较快，弯矩值较大时，板厚和配筋也会相应增大；如采用较厚的钢筋砼底板的方法，其工程量与设低等级砼压重相差不多，壁板的弯矩值虽小，但底板的钢筋用量会有些许增加；如采用底板下设砼挂重的方法，壁板的弯矩值小，底板的钢筋用量也不会增加，但底板和挂重部分砼须用钢筋连接，施工比较麻烦，当地下水对钢筋和砼具有侵蚀性时，设砼挂重的方法须谨慎。

（二）锚固抗浮：

锚固抗浮一般有两种方法：

1、锚杆：锚杆是在底板和其下土层之间的拉杆，当底板下有坚硬土层且深度不大时，设锚杆不失为一种即简便又经济的方法；近年来，在饱和软粘土地基中，也有采用土锚技术的，也有采用短锚加扩大头技术的。锚杆的直径一般为150~180mm。锚杆抗浮有三个问题需要注意，一是受力问题，当构筑物内无水时，锚杆处于受拉状态，当构筑物满水时，锚杆又处于受压状态，锚杆的底端类似于桩端，锚杆在反复拉压状态下的工作性能有待进一步的实验研究；二是施工问题，锚杆的施工需有专门的机械，施工前要进行试验，同时，较细的锚杆在施工时有一定的难度，如何控制钢筋偏移，如何使灌浆饱满、如何避免断杆等都是施工难题，尤其是锚杆较长时，不如配重抗浮来得简便。三是适用性，当地下水对钢筋有侵蚀性时, 细锚杆的耐久性问题不易解决, 这将在一定程度上限制其适用性。

2、抗拔桩: 抗拔桩利用桩侧摩阻力和自身重度来抵抗浮力，桩型可采用灌注桩或预制桩，桩径一般为400mm ，也可采用方桩，桩距和桩长应通过计算确定，桩距不宜过大，否则会增加底板厚度，桩端最好能伸入相对较硬的土层。抗拔桩也有拉压受力问题，但其施工较简单，耐久性亦比锚杆容易得到保证。

（三）降水抗浮：

这是抗浮设计的另一条思路，即不硬抗，而采用放的方法。具体做法是在构筑物底板下设反滤层，在构筑物周围设降水井，降水井和反滤层间用盲沟相连，当构筑物因检修设备而需要放空时，可在降水井内抽水使地下水位降至底板下，从而保证构筑物的稳定。降水抗浮的关键问题是反滤层的设计，当土的颗粒较细时，应采取可靠措施防止土粒随地下水的涨落而进

入反滤层，引起反滤层堵塞而失去作用。降水抗浮的优点是工程造价低，因采取了抗浮措施，构筑物的设计可按无地下水时考虑。当地下水位很高且地基土较软时，采取降水抗浮措施可大大降低工程造价。但降水抗浮也有其缺点，第一是可靠性，虽然构筑物在设计使用年限内放空检修的时间很短，但每年也有一二次，如反滤层被堵塞，则水位很难降至底板以下；第二，如果遇到非正常排空，将会发生构筑物上浮事故。当然，在排水工程中，可采取适当的措施，在非正常排空时使地下水自动进入构筑物内，提高构筑物的可靠度。

（四）观察井抗浮：

和降水抗浮相似，只是不设反滤层，利用地下水的涨落安排构筑物放空检修的时间。方法也很简单，在构筑物周围设若干观察井，井内标示可放空检修的临界水位线，如在一个时期内地下水位低于临界水位，则可放空检修。应该讲，在地下水位涨落差较大的地区采用本方法，是所有抗浮方法中土建工程造价最低的。其缺点是检修时间不灵活，且有一定的管理成本，非正常排空亦有可能发生上浮事故。

二、经济分析比较：

例：某排水工程终沉池, 内径40m, 池净高5m, 地下水位距池底板顶3.0m 。抗浮方法分别为：

1. 配重抗浮（设较厚的钢筋砼底板）；2. 抗拔桩抗浮；3. 降水抗浮；4. 设观察井抗浮。其工程量分别为：

1. 配重抗浮：

素砼垫层C15：134m 3；145×134=19430

钢筋砼底板C30：2904 m3；460×2904=1335840

预应力砼池壁C40：190m ;899×190+40000=210810

2. 抗拔桩抗浮：

直径400mm 沉管灌注桩，长12m ：150根；548×1.51×150=123892

素砼垫层C15：134m 3；145×134=19430

钢筋砼底板C30：594 m3;460×594=273240

预应力砼池壁C40：190m 3;899×190+40000=210810

3. 降水抗浮：

素砼垫层C15：134m 3；145×134=19430

钢筋砼底板C30：413 m3;501×413=206913

3预应力砼池壁C40：190m ;899×190+40000=210810

反滤层：726 m3;59.5×726=43197

降水井：4座；1521×4=6084

4. 设观察井抗浮：

素砼垫层C15：134m 3；145×134=19430

钢筋砼底板C30：413 m3;558×413=230454

预应力砼池壁C40：190m 3;899×190+40000=210810

观察井：3座；1521×3=4563

其土建工程造价(直接费) 分别为：

1. 配重抗浮： 1566080元

2. 抗拔桩抗浮：627372元

3. 降水抗浮： 486434元

4. 设观察井抗浮：465257元

——依据2010年全国市政工程定额。土方工程量为相对量。

需要说明的是, 本例的结果并无倾向性, 抗浮方案的确定是一个复杂的问题, 工程造价是重要因素但不是决定性因素。 3

三、结束语：

大型排水构筑物的抗浮设计是个重点，它是保证在检修工况下水池安全稳定的重要因素。抗浮设计应依据现场的地质情况，水池的埋深，抗浮设计水位高程，工程造价等因素综合确定，选择一个合理、安全、经济的抗浮处理措施。

参考文献

（1）罗井国. 钢筋混凝土水池设计的几个问题 （J ）. 黑龙江冶金，2003，（3）。

作者简介：张健（1981-），男，湖北武汉人，泛华建设集团湖北设计分公司工程师，研究方向：水工结构。