张陆桓

（中国核电工程有限公司，北京 100840）

当地下构筑物的自身重量不能抵抗地下水浮力时，地下的构筑物将会产生上浮力，导致结构变形破坏[1]。尤其对于埋地式水池而言，没有复杂的结构构造，一般情况下仅依靠自身池壁和地板的重量抵抗水浮力，经常遇到结构抗浮能力不能达到设计要求的情况。设计人员一般都会进行抗浮设计，并结合具体场地与施工条件进行全面考虑。不同体量的工程需要进行不同的抗浮设计，设计方案是否合理对结构安全与工程造价均有较大影响。

本文主要基于水池抗浮稳定性设计验算要求，总结水池抗浮设计计算方法，并分析数种抗浮设计方案，同时结合具体设计实例，总结分析抗浮设计过程中方案的选择方式与思路。

结构抗浮能力主要是指结构阻止在水浮力作用下整体上浮的能力，即结构抗漂浮的能力。水池可能发生整体上浮，也可能局部区域抗浮能力不足造成结构破坏。通常情况下，对于无支柱的水池，仅需验算水池的整体抗浮能力；
如果水池有支柱，还需考虑水池的局部抗浮能力[2]。本文重点讨论无支柱水池的相关内容。

在《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2011）[3]中，简单描述了抗浮稳定性验算的方法，即：

式中，Gk为建筑自重及压重之和，kN；
Nw，k为浮力作用值，kN；
Kw为抗浮稳定安全系数，一般情况下可取1.05。其中建筑自重及压重之和包含了池体自重、池内压重、池顶压重、池壁外挑墙趾上部土压重、池底下部板配重等一系列抵抗力；
浮力作用值为池底阴影面积内产生的水浮力。

解决水池上浮的问题一般有多种方案，有时单一的方法即可使水池的抗浮能力达到要求，有时需要结合多种抗浮方案联合解决。在水池的抗浮计算中，通常采用水池的最不利状态，即空池状态进行计算。目前抗浮计算中常用的方法有自重抗浮法、配重平衡法、摩擦抗浮法、延伸底板法、锚固抗浮法等。

3.1 自重抗浮法

自重抗浮法是通过提高池体结构总重量达到抗浮的目的。通常情况下，考虑最不利因素，水池的自重不包括池中设备重量以及其他安装、使用荷载。在水池自重与地下水浮力相差不大的情况下，通常采用增加池壁及顶、底板的尺寸达到增加自重的目的。该方法是抗浮方案中最简单且易于操作的方法，但增加构件尺寸会提高混凝土使用量，从而提高造价。但由于构件厚度的增加，可以减少池壁与底板的配筋率，减小钢筋量，在一定程度上也提高了水池结构的刚度，增强了池体局部抗弯、抗剪、抗冲切的能力。根据工程实践，自重与地下水浮力相差在10%以内的情况下，采用增加结构自重来达到抗浮目的具有较好的经济性[4]。

3.2 配重平衡法

配重平衡法的大致思路为增加除水池自身结构自重外其他附加恒载的量值，用于平衡池体所受的水浮力。配重抗浮经常采用的有池顶覆土、底板上部设低等级混凝土压重、在底板下部设低等级混凝土挂重等方法，最终目的均是增加池体的非结构自重。该方法简单可靠，不会增加投产后的额外管理维护成本，但较大的配重会增加基底压力，引起较大的地基变形[5]。同时，不论是在池底或在池顶增加配重，均会使底、顶板受力增加，从而增加底、顶板的配筋量及构件厚度，甚至在一些情况下，为了避免“强梁弱柱”的问题出现，还要增大池壁的构件尺寸及配筋量。当采用底板下设混凝土挂重的方法时，选取的底板边缘挂点会使底板的受力变化较小，但由于底板和挂重部分混凝土须用钢筋连接，施工比较麻烦，尤其当地下水具有一定侵蚀性时，该方法需谨慎使用。

3.3 摩擦抗浮法

地下水池池壁与土壤间存在摩擦力，可以在一定程度上抵抗水池的上浮。摩擦力的大小与土壤的侧压力、土层的物理性质和池壁外侧的光滑程度有关，也与回填深度与回填质量有关。但由于该摩擦力与很多因素有关，在实际工程中极难确定，计算结果的可靠性不强。同时，地下水池池壁与土壤间的摩擦力对水池的抗浮帮助并不大，因此，在实际工程中很少考虑摩擦力带来的抗浮效应。

3.4 延伸底板法

延伸底板法是将水池底板向外延伸形成悬臂底板，悬臂底板上覆盖有回填土，可以抵抗上浮力。悬臂底板的覆土厚度较深，对于埋地式水池来说，覆土厚度可从底板顶面计算至自然地面标高，因此悬臂底板上的附加恒载极大，可起到有效的局部抗浮作用。本质上来说，延伸底板法是特殊的配重平衡法。考虑到经济性，悬臂板不能挑出太长的距离，因此延伸底板法仅可作用于池壁外侧较小区域。对面积较小的埋地式水池而言，延伸底板法的抗浮能力是极为突出的。但当地下结构面积较大时，延伸底板法由于只能作用于外墙附近，因而其抗浮能力对整体结构极为有限。另一方面，扩大底板面积使基坑开挖面积增大，挖填土方量及支护结构周长都会相应的增大，水浮力也会相应增大。因此，该法适合于不受场地限制的规模较小的地下构筑物，如对面积较大的地下结构物，延伸底板法可配合其他抗浮措施在地下室外墙附近局部采用。

3.5 锚固抗浮法

锚固抗浮法主要是在水池底部设置桩或者锚杆，利用其抗拔力平衡水浮力。虽然桩和锚杆的实现方式有所不同，但其均可有效解决埋地式水池的抗浮问题。

埋地式水池绝大多数的抗拔桩为摩擦桩，端承桩基本不会使用。虽然抗拔桩工程目前施工工艺较为成熟，施工过程质量也易于控制，但额外的桩基工程会对整个工程的工期与经济性造成一定的挑战。另外，由于桩径越小，相对摩擦面积就越大，所以在相同条件下使用桩径较小的桩是合理的。同时，水池底板基本为平板，因此单桩抗拔力也不宜过大，否则会使底板产生应力集中。因此，抗拔桩宜选用桩径和单桩抗拔力较小的桩进行密布，以减小或避免水池底板应力集中[6]。

锚杆多用于水池板底距坚硬土层或基岩不大的情况，此时将池底与基岩通过锚杆相连可以有效地解决抗浮问题，该种锚杆称为岩石锚杆。直接连接一般土层的锚杆也有使用，虽然这种锚杆造价相对较低，但影响该锚杆抗拔力的因素过多，故此处主要介绍岩石锚杆。因锚杆的布置密度相比抗拔桩更密，对池底板的整体作用更接近于均布荷载，有利于底板的抗渗抗裂性能[7]。但锚杆的使用具有一定的局限性。当水池内无水时，锚杆处于受拉状态；
当水池内满水或外部地下水位降低时，锚杆处于受压状态。在受压条件下，锚杆的工作状态并不能很好地描述。另一方面，锚杆的施工较为专业，需要使用专门的设备以及进行特定的实验，对建设人员的施工能力有一定的要求。更重要的是，当地下水有腐蚀性时，锚杆的耐久性得不到保证[8]。

除了以上抗浮方案外，还有设观察井抗浮、降低地下水位抗浮等方法，但这些方法在实际施工中程序复杂、操作困难，有一定局限性，应用较少。

以某处理厂的雨水提升井为例，对该井进行抗浮计算及抗浮措施的分析比较。该井的主要作用为收集厂区内的雨水，通过井中设置的三台提升泵，将厂区内雨水排至厂区外。井中设置水位报警系统，当井中雨水高度达到报警水位时则进行人工干预。井顶上部为厂区内道路，且参考地勘文件，地下水位按地坪标高考虑，井口水平尺寸为4.5m×4.5m。在初始设计时，按照结构受力计算结果及相关规范规定，井壁及上下顶板的厚度需选择300mm即可满足受力要求。此时混凝土用量为38.07m3，水池构件中最大配筋处单侧配筋量为1183mm2/m。但抗浮能力并不能满足要求，抗浮计算中抗浮稳定安全系数仅为0.81，此时需采用抗浮措施。

由于该井位于道路下方且底板需设置提升泵，故没有采用配重平衡法的条件。同时该井体量较小，且下部土体为厂区其他子项建设完毕后的回填土，无论从施工难度或工程经济性考虑，锚固抗浮法是不适用的。因此，首先使用自重抗浮法，将井壁及顶、底板的尺寸改为400mm，此时混凝土用量为51.48m3，水池构件中最大配筋处单侧配筋量为1184mm2/m。修改后提升井自重增加，但对工程造价影响仅为增加混凝土用量的影响，是可以接受的。改动后重新进行抗浮验算，抗浮稳定安全系数为1.02，仍然没有达到1.05的规范要求值。故将延伸底板法纳入考虑，将底板边缘延伸500mm，此时雨水提升井的剖面图如图1 所示，混凝土用量增加为56.12m3，水池构件中最大配筋处单侧配筋量无变化。由于该提升井位于其他厂区子项的回填区范围内，因此对基坑开挖面积无影响。此时计算抗浮稳定安全系数为1.32，满足要求。

图1 雨水提升井剖面图（mm）

在进行埋地式水池的结构设计时，抗浮设计是一项必须考虑的内容。当水池的抗浮能力不满足要求时，需综合考虑工程的规模、位置、地基情况、地下水位等信息，选用一种或多种抗浮措施。通常情况下，抗浮措施需要配合使用，这样才能使工程设计更为经济合理。

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