CN111705846A - 一种蓄水池及其设计计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种蓄水池，包括蓄水池本体和排渗层，所述蓄水池本体包括水池池底和水池侧壁，所述水池池底和水池侧壁的四周设有排渗层；所述排渗层内设有纵横交错连通的横向集渗管和竖向集渗管，所述横向集渗管和竖向集渗管的侧壁上设有渗透孔；所述竖向集渗管与排渗管连通，所述排渗管穿过所述水池侧壁与蓄水池本体内的单向阀连通。本发明还包括蓄水池的设计计算方法。本发明通过在排渗层内设置纵横交错连通的横向集渗管和竖向集渗管，实现对排渗层内的水自动收集到蓄水池内，从而减小了排渗层对其上部建筑物的浮力，确保了建筑物的安全；通过设置单向阀，使排渗层内的地下水只能单向流动，避免地下水被污染。

Description

一种蓄水池及其设计计算方法

技术领域

本发明涉及建筑物抗浮技术领域，具体涉及一种蓄水池及其设计计算方法。

背景技术

地下水对地下建筑物的浮力大小遵循阿基米德原理，当水浮力大于建筑物重量时，若不采取抗浮措施，建筑物将会发生上浮破坏。针对地下水向建筑物施加的浮力，目前主要有主动抗浮和被动抗浮两种方式。其中，被动抗浮均是以水池底板为抵抗浮力的传力构件，将浮力传递给地基中的锚固构件(如抗浮桩基、岩土锚杆等)并进而传递到岩土地基中，即所谓的锚固法；也有借助配重体的重力直接作用到水池底板上进行抗浮，俗称配重法。由于被动抗浮设计造价高或对地基要求较高，因此实际生活中较少采用该抗浮方式。

而目前采用的主动抗浮主要是通过设置永久排水设施将地下结构周围的地下水通过人工定期将水排到较低区域，使得地下结构受到的水浮力小于建筑物自重，实现建筑物整体抗浮。但是人工定期排水，管理相对麻烦，且增加了人工成本。因此需要一种价格低、能适合各种地基又可以实现自动排水抗浮的技术。

发明内容

本发明针对现有技术中被动抗浮设计造价高、地基要求高，主动抗浮管理繁琐，增加人工成本的问题，提供一种可实现自动排水抗浮的蓄水池及其设计计算方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种蓄水池，包括蓄水池本体和排渗层。

所述蓄水池本体包括水池池底和水池侧壁，所述水池池底和水池侧壁的四周设有排渗层。

所述排渗层内设有纵横交错连通的横向集渗管和竖向集渗管，所述横向集渗管和竖向集渗管的侧壁上设有多个渗透孔。

所述竖向集渗管与排渗管连通，所述排渗管穿过所述水池侧壁与蓄水池本体内的单向阀连通。

本发明的有益效果是：本发明通过在排渗层内设置纵横交错连通的横向集渗管和竖向集渗管，实现对排渗层内的水通过排渗管自动收集到蓄水池内，节省了人工排水的成本，并减小了排渗层对其上部建筑物的浮力，确保了建筑物的安全；同时减小了建筑物用于抗浮的工程量，减少了投资成本；通过设置单向阀，使排渗层内的地下水只能流入蓄水池而不能反向流动，避免地下水被污染，保护了地下水资源。

在上述技术方案的基础上，本发明为了达到使用的方便以及装备的稳定性，还可以对上述的技术方案作出如下的改进：

进一步，所述单向阀包括连接的上阀体和下阀体，所述上阀体和下阀体之间设有浮球，所述下阀体内设有限位柱。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：通过在阀体内设置浮球，利用浮球受到水的浮力上下移动的原理，实现水的单向流通，结构简单合理，可靠性高；通过设置限位柱可避免浮球将单向阀的出水口堵住，从而保证排渗层的水正常流通至蓄水池内。

进一步，所述上阀体为圆台形。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：通过将上阀体设置为圆台形，可避免浮球向上移动出现卡滞，而导致无法正常工作的情况；同时确保浮球向上移动能够堵住单向阀的入水口，避免蓄水池内的水反向流动，保证地下水的清洁。

进一步，所述排渗层为砂砾石层。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：通过将排渗层设置为砂砾石，具有透水性好，成本低的优点，同时可保证排渗层的渗水充分流通至蓄水池内。

进一步，所述水池池底和水池侧壁的材质为钢筋混凝土。

采用上述进一步技术方案的有益效果是：通过将水池池底和水池侧壁的材质设置为钢筋混凝土，具有强度高，可模性好、成本低的优点。

进一步，本发明还包括蓄水池的设计计算方法，包括以下步骤：

步骤S01:获取蓄水池本体的尺寸和地下水位的埋深数据；

步骤S02:根据蓄水池的荷载，计算抗浮稳定安全系数K_w满足要求时，蓄水池外的地下水位埋深；

步骤S03:确定蓄水池侧壁安装排渗管和单向阀的高度；

步骤S04:获取集渗管的数据，并计算蓄水池的渗流量；

步骤S05:计算排渗管的管径和数量；

步骤S06:核算单向阀关闭时的，抗浮稳定安全系数K_w是否满足要求，若满足，则执行步骤S07；若不满足，则重复步骤S02至步骤S06；

步骤S07:完成计算。

采用上述设计计算方法的有益效果是：本发明的设计计算方法可以减小水池的外水压力，利用池内水来增加配重，有利于水池的稳定安全；同时由于外水压力减小，用于抗浮上的工程量较小，减小了投资；通过设置单向阀实现单向排水，防止池内水与地下水的交流，保护环境。

附图说明

图1为本发明蓄水池池内无水时，第一层单向阀安装位置的示意图；

图2为图1中A处的局部放大示意图；

图3为池内水的高度与第一层单向阀的高度一致时的示意图；

图4为第一层单向阀关闭，第二层单向阀安装位置的示意图；

图5池内水的高度与第二层单向阀的高度一致时的示意图；

图6为第二层单向阀关闭，第三层单向阀安装位置的示意图；

图7为第三层单向阀关闭时的示意图；

图8为无压非完全井渗流计算示意图；

图9为现有技术采用素混凝土配重块抗浮的示意图。

附图标记记录如下：蓄水池本体1，水池池底1-1，水池侧壁1-2，蓄水位2，排渗层3，横向集渗管4，竖向集渗管5，排渗管6，单向阀7,上阀体7-1，下阀体7-2，浮球7-3，限位柱7-4，水池1’，配重块2’。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1至图8所示，一种蓄水池，其特征在于，包括:蓄水池本体1和排渗层3。

所述蓄水池本体1包括水池池底1-1和水池侧壁1-2，为了避免水池池底1-1和水池侧壁1-2的连接处开裂，可在其连接处设置混凝土板加腑，以提高其承载力；所述水池池底1-1和水池侧壁1-2的四周设有排渗层3。

所述排渗层3内设有纵横交错连通的横向集渗管4和竖向集渗管5，所述横向集渗管4和竖向集渗管5的侧壁上设有多个渗透孔；渗透孔的直径小于砂砾石的直径，可将渗透孔的直径设置为2mm～5mm,从而保证排渗层3的水顺利流通至蓄水池内。

所述竖向集渗管5与排渗管6连通，所述排渗管6穿过所述水池侧壁1-2与蓄水池本体1内的单向阀7连通。

所述单向阀7包括连接的上阀体7-1和下阀体7-2，所述上阀体7-1和下阀体7-2之间设有浮球7-3，所述下阀体7-2内设有限位柱7-4。所述上阀体7-1设有与排渗管6连通的进水管，所述下阀体7-2设有出水管，所述浮球7-3的直径大于进水管和出水管的直径。为了保证浮球7-3能够顺利浮起，可将浮球7-3设置为空心的塑料球。

所述上阀体7-1为圆台形。为了便于浮球7-3上下移动，可将圆台内设置为光滑的旋转曲面。

所述排渗层3为砂砾石层。

所述水池池底1-1和水池侧壁1-2的材质为钢筋混凝土。

本发明蓄水池的设计计算方法，具体包括以下步骤：

步骤S01:获取蓄水池本体1的尺寸和地下水位的埋深数据；

例如某地区要求设计一个平面尺寸长(L)×宽(B)＝21m×9m。目标工作容积为不小于600m³的蓄水池。工程区地下水位埋深较浅，位于自然地面下h₄＝0.5m。

根据工程经验，确定池壁厚度b₁＝b₂＝0.25m，底板厚度h₃＝0.25m，池顶超出地面高度h₁＝0.2m。蓄水池工作净深度h₂＝3.75m，此时工作容积为653m³，满足设计要求。

蓄水池抗浮设计按照：

式中:

G_k——建筑物自重及压重之和(kN)；

N_w,k——浮力作用值(kN)；

K_w——抗浮稳定安全系数，等于1.05。

现状工况下抗浮计算时，荷载G_k忽略附属设施自重，不计入蓄水池内水自重等有利荷载时，计算结果偏保守。因此现状工况下荷载G_k仅考虑蓄水池自重。

浮力作用值N_w,k，根据阿基米德原理，简单的浮力作用状况下，可取蓄水池排出水的重度。

荷载G_k计算如下：

G_k＝G_k,1＝(A₁-A₂)·(h₁+h₂)·γ_c+A₁·h₃·γ_c

式中:

G_k,1——蓄水池钢筋混凝土构件自重；

A₁——蓄水池平面面积；

A₂——蓄水池池内净面积；

h₁——蓄水池超出地面高度；

h₂——蓄水池蓄水工作净深度；

h₃——蓄水池底板厚度；

γ_c——钢筋混凝土的重度。

表1荷载G_k计算表

名称

A<sub>1</sub>

A<sub>2</sub>

h<sub>1</sub>

h<sub>2</sub>

h<sub>3</sub>

γ<sub>c</sub>

G<sub>k,1</sub>

G<sub>k</sub>

单位

m<sup>2</sup>

m<sup>2</sup>

m

m

m

kN/m<sup>3</sup>

kN

kN

数据

189

174.25

0.2

3.75

0.25

25

2637.8

2637.8

浮力作用值N_w,k计算如下：

N_w,k＝A₁·(h₂+h₃-h_w)·γ_w

式中:

N_w,k——蓄水池浮力；

h_w——地下水位埋深。

γ_w——水的重度。

表2浮力N_w,k和抗浮稳定安全系数计算表

由上表2计算可知，由于地下水位较高，产生的浮力较大，抗浮稳定安全系数为0.40，小于1.05，不满足规范要求。

由于蓄水池抗浮稳定安全系数不满足规范要求，需要采取抗浮措施。采用现有的配重法进行抗浮设计，在水池1’底部增加一定厚度的素混凝土配重块2’，如图9所示，荷载G_k计算如下：

式中:

G_k,2——素混凝土配重块自重；

h_c——素混凝土配重块厚度；

——素混凝土的重度，24kN/m³。

计算得G_k＝2637.81+4553.75h₅

浮力作用值N_w,k计算如下：

N_w,k＝A₁·(h₂+h₃+h_c-h_w)·γ_w

计算得N_w,k＝6615+1890h₅

由

得

得h_c≥1.68m，

取素混凝土配重块厚度为h_c＝1.8m，满足规范要求。

实施例1：

步骤S02:根据蓄水池的荷载，计算抗浮稳定安全系数K_w满足要求时，蓄水池外的地下水位埋深；

步骤S03:确定蓄水池侧壁安装排渗管6和单向阀7的高度；

根据本发明的自动排水抗浮方法，不做素混凝土配重，而是采用降地下水位的方法，计算地下水位最小埋深h_w1，即为第一层排渗管的安装高度，如图1和图2所示。

浮力作用值N_w,k计算如下：

N_w,k＝A₁·(h₂+h₃-h_w1)·γ_w

计算得N_w,k＝7560-1890h_w1

由

得

得h_w1≥2.67m。

为了保证满足抗浮要求，对地下水位最小埋深h_w1保留一定的安全裕量，取蓄水池附近地下水位埋深h_w1＝2.75m，即第一层排渗管6的安装高度为2.75m时，满足规范要求。

步骤S04:获取集渗管的数据，并计算蓄水池的渗流量；

获取蓄水池本体1的尺寸数据，在蓄水池的周围设置排渗设施，可将蓄水池本体1简化成无压非完全井(普通井)进行渗流计算，如图8所示。

界限厚度H_a按下式试算得出：

式中：

H_a——界限厚度；

s₀——原地下水面与井中水面的距离；

h₀——井中水的深度；

r₀——井的半径。

表3H_a计算表

名称	s<sub>0</sub>	h<sub>0</sub>	r<sub>0</sub>	H<sub>a</sub>
					单位	m	m	m	m
数据	2.25	1	10.5	8.9

水井渗流流量按下式计算：

T₀＝H_a-s₀

式中：

Q——水井渗流流量；

k——地基渗透系数；

T₀——井中水面与水平不透水层的距离；

R——影响半径；

蓄水池所在地基为细粒土，对细粒土R＝100m～200m，计算中取R＝150m。

表4水井渗流流量Q计算表

名称	k	T<sub>0</sub>	R	Q
					单位	m/s	m	m	m<sup>3</sup>/s
数据	1×10<sup>-5</sup>	6.64	150	4.66×10<sup>-4</sup>

如表4水井渗流流量Q计算表所示，蓄水池的渗流量Q为4.66×10^-4m³/s。步骤S05:计算排渗管6的管径和数量；

式中：

v——排渗管6中水流速，取0.2m/s。

计算得最小管径是d＝54mm，则侧壁最小应安装1根d＝54mm的排渗管6。

为安全起见，并结合蓄水池尺寸和开关，在水池侧壁1-2共安装12根DN50的排渗管6，满足排渗的要求。其中在水池的短边(B)方向各安装1根，在长边(L)方面各安装3根，在蓄水池的4个角各设1个排渗管6。

水池池底1-1和水池侧壁1-2设置排渗层3，所述排渗层3由透水性好的砂砾石构成，其内设置有由横向集渗管4、竖向集渗管5和排渗管6组成的集水管网，集渗管在水池地基下横向和纵向交错布置。

为方便施工，水池池底1-1砂砾石层厚0.3m，水池侧壁1-2砂砾石层厚0.5m。

在水池侧壁1-2外侧的排渗层3也设置有竖向集渗管5，集渗管均采用DN50的HDPE花管。排渗管6穿过水池侧壁1-2与竖向集渗管5相接，排渗管6采用DN50的HDPE实管。排渗管6出口位于水池内，出口接单向阀7。

实施例2：

步骤S06:核算单向阀7关闭时的，抗浮稳定安全系数K_w是否满足要求，若满足，则执行步骤S07；若不满足，则重复步骤S02至步骤S06；

当池内水位超过第一层单向阀7的安装高度，此时第一层单向阀7关闭，蓄水池附近池外地下水位开始升高。池内蓄水位2按与单向阀7的安装高度一致考虑，蓄水池附近池外地下水位按与原地下水位埋深考虑(最不利情况)，计算此时的抗浮稳定，如图3所示。

此时，由

抗浮稳定不满足要求，因此要求设置第二层排渗管。

当池内水位超过第一层单向阀7的安装高度，此时第一层单向阀7关闭。池内蓄水位2按与第一层单向阀7的安装高度一致考虑。如要求蓄水池的抗浮计算满足要求，计算此时蓄水池附近池外地下水位埋深高度h_w2，即第二层排渗管6安装高度，如图4所示。

荷载G_k计算如下：

G_k＝G_k,1+G_k,3＝(A₁-A₂)·(h₁+h₂)·γ_c+A₁·h₃·γ_c+A₂·(h₂-h_w1)·γ_w

式中:

G_k,3——蓄水池中蓄水的配重。

计算得G_k＝4380.31kN

浮力作用值N_w,k计算如下：

N_w,k＝A₁·(h₂+h₃-h_w2)·γ_w

式中：

h_w2——蓄水池附近池外地下水位埋深。

计算得N_w,k＝7560-1890h_w2

由

得，

得h_w2≥1.79m。

取蓄水池附近地下水位埋深h_w2＝1.8m，即第二层排渗管6的安装高度为1.8m，满足规范要求。

为安全起见，第二层排渗管6管径和数量与第一层排渗管6一致。

实施例3：

当池内水位超过第二层单向阀7的安装高度，此时两层单向阀7关闭，蓄水池附近池外地下水位开始升高。池内蓄水位2按与第二层单向阀7的安装高度一致考虑，蓄水池附近池外地下水位按与原地下水位埋深考虑(最不利情况)，计算此时的抗浮稳定，如图5所示。

此时，由

抗浮稳定不满足要求，因此要求设置第三层排渗管6。

当池内水位超过第二层单向阀7的安装高度，此时下两层单向阀7都关闭。池内水位按与第二层单向阀7的安装高度一致考虑。如要求蓄水池的抗浮计算满足要求，计算此时蓄水池附近池外地下水位埋深高度h_w3，即第三层排渗管安装高度，如图6所示。

荷载G_k计算如下：

G_k＝G_k,1+G_k,3＝(A₁-A₂)·(h₁+h₂)·γ_c+A₁·h₃·γ_c+A₂·(h₂-h_w2)·γ_w

计算得G_k＝6035.69kN

浮力作用值N_w,k计算如下：

N_w,k＝A₁·(h₂+h₃-h_w3)·γ_w

式中:

h_w3——蓄水池附近池外地下水位埋深。

计算得N_w,k＝7560-1890h_w3

由

得，

得h_w3≥0.81m。

取蓄水池附近地下水位埋深h_w1＝1.0m，即第三层排渗管6的安装高度为1.0m，满足规范要求。

为安全起见，第三层排渗管6管径和数量与第一层排渗管6一致。

当池内水位超过第三层单向阀7的安装高度，此时单向阀7关闭，蓄水池附近池外地下水位开始升高。池内水位按与第三层单向阀7的安装高度一致考虑，蓄水池附近池外地下水位按与原地下水位埋深考虑(最不利情况)，如图7所示。

此时由

抗浮稳定满足要求。

步骤S07：完成计算。

采用常规的素混凝土配重方法和本发明中的自动排水抗浮法来保证蓄水池的抗浮稳定。其工程量对比表如下表5所示：

表5工程量对比表

表6费用对比表(万元)

由表5的工程量对比表和表6的费用对比表可知，与常规的素混凝土配重方法相比，采用本发明的自动排水抗浮法，可节省费用约22.62万元，节省成本约54％，效果非常明显。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种蓄水池，其特征在于，包括:蓄水池本体(1)和排渗层(3)，

所述蓄水池本体(1)包括水池池底(1-1)和水池侧壁(1-2)，所述水池池底(1-1)和水池侧壁(1-2)的四周设有排渗层(3)；

所述排渗层(3)内设有纵横交错连通的横向集渗管(4)和竖向集渗管(5)，所述横向集渗管(4)和竖向集渗管(5)的侧壁上设有多个渗透孔；

所述竖向集渗管(5)与排渗管(6)连通，所述排渗管(6)穿过所述水池侧壁(1-2)与蓄水池本体(1)内的单向阀(7)连通。

2.根据权利要求1所述的蓄水池，其特征在于，所述单向阀(7)包括连接的上阀体(7-1)和下阀体(7-2)，所述上阀体(7-1)和下阀体(7-2)之间设有浮球(7-3)，所述下阀体(7-2)内设有限位柱(7-4)。

3.根据权利要求2所述的蓄水池，其特征在于，所述上阀体(7-1)为圆台形。

4.根据权利要求1所述的蓄水池，其特征在于，所述排渗层(3)为砂砾石层。

5.根据权利要求1所述的蓄水池，其特征在于，所述水池池底(1-1)和水池侧壁(1-2)的材质为钢筋混凝土。

6.根据权利要求1-5任一权利要求所述的蓄水池的设计计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S01:获取蓄水池本体(1)的尺寸和地下水位的埋深数据；

步骤S02:根据蓄水池的荷载，当抗浮稳定安全系数K_w满足要求时，计算蓄水池外的地下水位埋深；

步骤S03:确定蓄水池侧壁安装排渗管(6)和单向阀(7)的高度；

步骤S04:获取集渗管的数据，并计算蓄水池的渗流量；

步骤S05:计算排渗管(6)的管径和数量；

步骤S06:核算单向阀(7)关闭时的，抗浮稳定安全系数K_w是否满足要求，若满足，则执行步骤S07；若不满足，则重复步骤S02至步骤S06；

步骤S07:完成计算。

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