贺 诚（上海市政工程设计研究总院集团第十市政设计院有限公司，甘肃 兰州 730000）

在工业、水利、环保以及市政项目建设中水池是常见的构筑物，其中钢筋混凝土结构占很大比重，在环保、市政的污水处理工程和民用、工业的给排水工程中的应用非常广泛，水池结构一般由顶盖、底板、支柱以及池壁组成。根据有无顶盖可以将水池分为敞口式水池和封闭式水池。当水池结构的自重小于水的浮力时，会导致水池漂浮起来，致使水池结构出现整体失稳、底板开裂等问题，所以在水池设计中必须合理设计和选择抗浮方案。

1 水池分类

工业生产中的水池，与其使用功能相结合可分为三种类型。一是水处理所用的水池，常见为曝气池、滤池、沉淀池以及污水池等；二是储存型水池，比如消防用水池以及备用水池等；三是为生产行业提供使用的水池，其主要功能是将工业生产设备进行降温冷却，以确保工业生产设备能够正常稳定运行[1]。

依据水池位置与地面之间的不同关系，还可以将水池分为地上式水池、半地下式水池以及全地下式水池。

依据水池底部柱实际承载能力的不同，可以将水池分为分离式与整体式。如果地基承载力较低或者抗浮水位较高时，通常采用柱-筏板结构作为水池底板，也就是整体式水池。当底板拥有较好的地基条件，且高于抗浮水位时，会采用分离式的支柱和底板基础，也就是分离式水池。

2 抗浮计算

2.1 选取参数

在对抗浮力进行计算时，应该排除下列作用：土与池壁之间的摩擦力、池内物料重、上部设备重以及池内贮水重[2]。

在对抗浮力进行计算时，应该与实际情况相结合考虑水池顶板覆土的重度，如果相关的数据并不明确，可以取常用值16kN/m3；而池底板外挑部分上部填土应选18kN/m3的重度，且不对其扩散角的影响进行考虑；选择23kN/m3的素混凝土容重，25kN/m3的钢筋混凝土容重。

与地勘报告中所提供的抗浮设计水位相结合开展设计工作。

2.2 抗浮计算

2.2.1 整体抗浮

在计算水池整体抗浮稳定性时应使用以下公式在计算水池整体抗浮稳定性时应使用以下公式G/F=(Gtk+Gsk)/γwH1A≥Ks，其中G表示水池永久作用荷载标准值（不含池内盛水），F表示地下水浮力，Gtk和Gsk分别表示水池自重标准值及其池顶覆土中标准值，H1为底板底至抗浮设计水位之间的距离，γw表示水密度，A表示水池底板面积（算至池体底板边缘），Ks表示抗浮安全系数，也就是设计抗浮稳定系数，大多需要在1.05以上，其具体取值见表1。

表1 抗浮安全系数

2.2.2 局部抗浮

对于隔墙或立柱等支承构件的水池，局部单元或局部区格抗浮其应用公式为(gsk+gck+gbk+Gck/Acal)/γwH1≥Ks，其中gbk表示单位面积池底板自重标准值，gck表示单位面积的池顶板的重量标准数值，Gck表示单根支柱的重量标准数值，Acal表示计算板单元面积（单根支柱），其余符号表述含义与整体抗浮公式内的符号含义相同。

如果水池抗浮方案制定过程中无法使上面两个公式得到满足，就证明水池抗浮设计无法使相关需求得到满足，空池情况下会出现水浮力大于水池自身重力的问题，从而导致水池可能发生上浮现象[3]。

3 导致水池上浮的原因

通过分析相关的工程实践，主要有三个方面的原因会导致水池上浮：首先是设计方面的原因，其主要分为三种原因，水池设计过程中并未对水池抗浮情况进行充分研究分析；虽然水池抗浮方案已经落实，但是方案设计并没有满足实际抗浮需求；实行了不合理的抗浮设计措施。其次，是施工方面的原因，其主要分为4种原因，一是进行水池抗浮施工时没有严格遵守设计要求；二是在进行施工时没有对水池的抗浮措施进行充分考虑；三是在进行施工时排水系统有故障存在，无法使积水得到及时排除；四是在完成施工后水池附近的顶板覆土和回填土并未及时回填。最后是使用方面的原因，其主要分为两种原因，一是池附近土体和池顶覆土厚度发生改变；二是在使用水池时排水系统遭到破坏，提升了地下水位。根据上述各方面因素，在设计工作中必须对水池抗浮进行充分考虑，并与实际情况相结合完成抗浮措施的合理选择；在施工过程中必须根据图纸要求严格落实，对排水系统进行有效设置，同时为正常运行排水系统提供保障；在使用时应该保持排水系统的正常，尽量避免对水池附近覆土密度和厚度进行改动。

4 常用的水池抗浮方案

与水池上浮机理相结合，在进行抗浮设计时大多采用两种措施：一是使水池拥有更强的抗浮能力；二是对地下水产生的浮力进行降低。其中，想要使水池拥有更强的抗浮能力，主要利用加强地基与基础之间的连接，提升水池自重等措施。而想要使地下水拥有更低的所产浮力，可以通过减少地表水渗入和降低地下水位得以实现。

在选择水池抗浮方案时，应该注意其对工程造价的经济性以及结构设计的合理性的影响，与实际工程情况相结合，准确对比各种水池抗浮方案，最终选择经济性和合理性最高的方案。

4.1 水池自重抗浮

水池自重主要包括覆土承重荷载、顶板结构荷载、底板结构荷载以及池壁结构荷载，安装使用荷载以及设备装置荷载等并不计算在内。自重抗浮方法主要是指对水池自身结构重量进行合理提高。在增加水池自重时可以采取设底板外挑、提升池壁厚度以及提升底板厚度等措施。

因为提升了水池自重，也会增加其面积，自然也就提升了相应的浮力，所以自重抗浮只适用于自重加大不多可使抗浮条件得到满足以及不具备其他抗浮条件时，但是与其他抗浮方式相比水池自重抗浮更加可靠、安全。

在提升水池自重的同时大多会使混凝土用量增加，因为提升了结构厚度，会使构件的配筋率降低，导致钢筋的用量减少，所以对结构构件的截面进行适当增加，并不会大幅度提升造价。与此同时，因为拥有了更大的构件截面，水池结构刚度也会随之加强。因此，如果水池具有相对较大的配筋率，利用自重抗浮非常的适用和经济。当地下浮力与自重拥有10%以下的差异时，利用提升结构自重抗浮能够有效控制水池的整体建造成本。

4.2 水池配重抗浮

4.2.1 池底配重抗浮这种方案是将配重混凝土设置在水池底板以下，并用锚筋紧密连接底板，通过可靠的连接配重混凝土和底板来增加水池的抗浮性能，这种方案最为关键的步骤就是有效连接配重混凝土和底板，并且配重混凝土应满足C15以上的强度等级。大多情况下，与其他池内抗浮相比，池底配重抗浮更加经济。

这种方案曾被用于某污水厂工程项目，该污水厂厂址位于西宁某河道附近，抗浮水位高度为-0.5m，水池整体采用带顶板式结构，顶板铺设0.5m覆土，依据相关工程要求以及工程实际情况，水池埋深相对较深，底板顶高度设置在-7.0m，地基承载力特征值不小于120kPa，根据场地地质情况，利用天然地基能够有效满足工程实际需求。但是会导致水池浮力相对过大，所以需要借助有效抗浮方法使抗浮要求得到满足。通过方案比较与综合讨论分析，最终选择池底配重抗浮方案，详细情况见图1。

图1 水池池底配重抗浮剖面图

4.2.2 压重抗浮

压重抗浮就是在池底外挑部分或池顶、池内增加压重来起到抗浮的效果，池内压重就是将浆砌块石或混凝土等材料填筑在池内，在底部空间不会受到影响的情况下可以对这种方法进行利用。因为使用高度的限制，这种方法大多会对基坑深度和池壁高度进行提升，但大多情况下不会使池底所受的不均匀地基反力得到增加，所以只会在较小程度上影响底板的内力[4]。在半埋地式水池和埋地式水池中池顶压重较为适用，这种方案的优势是能够实现对池顶空间的充分利用，劣势是会导致水池底板和顶板的荷载得到极大程度的提升，必须适当增加底板和顶板的结构厚度和配筋，会在一定程度上增加水池的造价。外挑墙趾上压重就是外伸池底板，通过将砌体和填土压在趾板上，使水池整体结构拥有更强的抗浮性能。使用这种方案的主要原因在于其无需对基坑深度进行扩建增加，只需要适当增加底板外挑范围即可。但是需要注意，该方案可能在一定程度上影响到周围建筑物，从而导致水池地基反力增加，提升池底板的内力。在中小型水池抗浮中这种方案非常适用。

4.3 水池锚固抗浮

锚固抗浮主要有两种常用的方法：打土层锚杆抗浮和打抗拔桩抗浮，这两种方法主要通过锚杆或桩的抗浮力平衡水池上浮现象。这种方法对体积较大的埋地型水池具有十分显著效果，不仅能够有效满足水池抗浮需求，同时还能够通过合理布置锚杆或桩，使大型水池的局部抗浮问题得到有效解决。

锚杆抗浮大多采用土层锚杆或岩石锚杆。土层锚杆在一般土层非常适用，其特点是很多因素能够对锚杆抗拔力产生影响，拥有较低的造价，在使用的过程中需要较密的布置锚杆，能够发挥出与均布荷载相近的整体作用，对底板的防渗裂有利。

在设计抗拔桩抗拔力的过程中应该选择桩身抗拉承载力和土与桩体摩擦力之间的最小值。因为同体积的桩体，其表面积越大桩径越小，则拥有越大的摩擦力。另外，因为正常情况下水池底板都是平板结构，如果单桩部件拥有较大抗拔力，会导致水池底板需要承受过多的集中作用力，则需要对底板结构进行局部改善或整体替换，会进一步提升造价。所以，在选择时大多选择拥有较小单桩抗拔力和桩径的抗拔桩。当在软土层进行水池施工时，抗拔桩的设计应该与沉降控制桩和承重桩相结合，能够具有一定的经济性优势。

4.4 水池嵌固抗浮

这种抗浮方案主要是指利用岩石等材料的抗剪能力来平衡水池上浮力，岩石材料通常选择体积相对完整的基岩，且基岩整体厚度需要达到规定标准，同时进行适当的保护，就能够使抗浮的目标得以实现，在钢筋混凝土水池抗浮设计中这种方案被采用的次数较少。

4.5 其他抗浮方式

在上述抗浮方案外，在实际工程中还可以采用设观察井抗浮和降水抗浮等方式，就是将反滤层铺设在池底垫层下部，并将渗流管和盲沟设置在适当地点；当管理过程中需要放空水池检修时，通过查看观察井水位或地下水位的降低，只有保证水位处在设计要求水位以下，才可以进行水池排空检修。

5 结语

综上所述，通过分析和对比钢筋混凝土水池的各种抗浮设计方案，可以发现自重抗浮只适用于自重加大不多可使抗浮条件得到满足以及不具备其他抗浮条件时，但是与其他抗浮方式相比水池自重抗浮更加可靠、安全；池底配重抗浮更加经济；压重抗浮可能在一定程度上影响相邻的建筑物，会导致池底所受的不均匀地基反力增加，提升池底板的内力。在中小型水池抗浮中这种方案非常适用；水池锚固抗浮对体积较大的埋地水池具有非常理想的抗浮效果，其优势是不仅能够使池体的整体抗浮得到更好的满足，同时还能够通过合理布置锚杆或桩，使大型水池的局部抗浮问题得到有效解决。当相关人员进行钢筋混凝土水池抗浮设计时，应该根据水池的实际情况合理选择抗浮设计方案。