1常用地下結構抗震設計理論

自20世紀末，全球各地區均記載了強震對地下結構所造成的破壞，隨后關于地下結構的抗震技術研究進入了一個快速發展期。我國許多相關行業都曾推出關于結構抗震的行業規范。然而，最開始的抗震設計規范理論并不成熟，抗震設計方面的規定只是單純地套用地上結構所受地震時的加速度反應公式，或者僅僅對圍巖水土壓力進行一定程度的放大，計算結構較實際情況有很大誤差。針對各相關行業中抗震設計理論方法，大概可以總結為擬靜力法、反應位移法、反應加速度法、時程分析法等幾種。例如，在給排水工程設計領域，《室外給水排水和燃氣熱力工程抗震設計規范》（GB50032—2003）[1]針對地下水池結構，提出應對結構施加動土壓力、動水壓力、自重慣性力作用，然而該計算方法是從振型分解反應譜演變而來，計算時僅考慮對靜水土壓力考慮一定程度的增大，并未詳細解釋該計算理論。自20世紀90年代以來，日本經歷了數次強震影響，地下結構破壞嚴重，大型軌道交通車站、城市給排水網絡均有不同程度的破壞，這迫使日本地下結構抗震方面的研究有了較大理論突破。2009年的日本下水道抗震工法指南中羅列了一系列抗震設計方法[11]，并分別給出了適用范圍，這些計算方法考慮了土與圍巖在地震時的相互反應，甚至一定程度上考慮了地震時水的劇烈晃動效應影響。1.1擬靜力法。考慮結構在地震作用下受到自重慣性力、動水壓力、動土壓力，并采用相應的計算理論分別求出各部分受力，進而得出地震荷載組合值（見圖1）。1.2反應位移法。考慮在地震時地下結構的變形受周圍地層變形的控制，地層變形的一部分傳遞給結構，使結構產生應變、應力和內力，如圖2所示。在此基礎上，再分析有內水工況下水池的動力響應，而內水的地震動力響應較為復雜，而比較簡單的處理方式仍然是采用靜力模擬的方式來分析水壓力，即考慮動水荷載與地震荷載的最不利組合。1.3反應加速度法。當采用有限元方法分析結構受力時，可針對土層與結構在發生最大位移時，通過對模型施加反應加速度，再分析結構的動力響應。該方法可參見《城市軌道交通結構抗震設計規范》（GB50909—2014）（見圖3）。1.4時程分析法。當結構、土層復雜，抗震要求較高時，可采用時程分析法具體分析，即通過有限元模型建模，并輸入地震波，分析模型在輸入的地震波工況下的動力響應。2018年頒布的《地下結構抗震設計標準》（GB/T51336—2018）[9]在一系列抗震設計規范基礎上做了較全面的補充和完善，幾乎囊括了地下污水處理廠可能會涉及的各種結構類型。然而地下水池與傳統的不帶水結構形式仍有很大差異。

2地下結構抗震設計方面存在的問題

2.1地下污水處理廠池壁抗震受力計算。在分析水池池壁的抗震承載力時，地震作用力的取值存在一定爭議。從工程設計的角度來說，水池結構應該遵循《室外給水排水和燃氣熱力工程抗震設計規范》（GB50032—2003）[1]，然而水池通常隸屬于市政工程，而同屬于市政工程的軌道交通結構則遵循的是《城市軌道交通結構抗震設計規范》（GB50909—2014）[8]。這兩本規范所規定的抗震設計理論和方法截然不同，目前各行業的抗震設計理論各有其特點和適用性，見表1。2.2水池中水的地震作用分析。水池結構與其他地下結構最大的不同點就是內部水的作用。地震工況下，水一方面受到地震力的作用，產生慣性力、晃動力等效應；另一方面，水的晃動進一步對水池中其他構筑物產生二次作用疊加，形成復雜的受力體系。在核動力工程中，白文婷等人分析了流固耦合對矩形水池的地震反應譜的影響，認為單向水池池壁在長邊跨中處流固耦合效應明顯，而在其他部位反應譜放大不明顯[10]。然而在復雜水處理構筑物中，考慮到結構需要首先滿足工藝要求，難以完全避免不規則或局部薄弱點的出現，此時應盡可能合理布置池壁和框架，避免較大流固耦合效應的不利作用。2.3地下污水廠的抗震構造措施研究。由于水池屬于一種工業構筑物，設計時需要優先考慮使用功能，而不是結構最大的規則性和合理性，因此合理設置抗震措施、規避嚴重影響其抗震性能的布置形式，成為工程設計人員需要研究的方向。然而由于水池結構在強度方面通常具有一定的安全余量，其抗震性能和良好的抗震構造措施布置尚未得到足夠重視，設計中仍然存在很大的隨意性，這給水池的抗震性能帶來了一定的安全隱患。2.4地下結構設縫形式對抗震設計的影響。大型的水處理構筑物長度方面遠超《混凝土結構設計規范》（GB50010—2010）規定的可不設縫的間距，因此大型水池尤其是大型地下污水處理廠、調蓄池等構筑物很難避免結構變形縫的設置。然而與地上結構設置的抗震縫不同，地下結構無法設置留有一定間距的抗震縫，而必須以“引發縫”“完全縫”的形式布置，且中間需要埋設中埋式或外貼式止水帶，從而滿足防水要求。然而如此緊貼在一起的結構設縫形式盡管可以滿足溫度作用下的變形效應，卻在抗震工況下形成一個復雜的受力點，若將縫兩側結構看成獨立部分，則在地震作用下，理論上兩側結構在變形縫處可能發生碰撞破壞。

3地下水池抗震特點與設計要點

地下水池通常存在于大型地下污水廠、城市雨污水泵站、調蓄池等工程中。根據整個地下水池埋設深度，還可以分為半地下結構、全地下結構；若根據水池頂部是否加蓋，可以分為有蓋水池和無蓋水池。一般情況下，依據《給水排水工程鋼筋混凝土水池結構設計規程》（CECS138：2002），池壁需要在靜水壓力、靜外水土壓力下達到正常使用極限狀態工況下的裂縫控制要求，因此池壁結構比同規模的建筑結構中的剪力墻有更大的抗側剛度，且整個構筑物通常為一種扁平式結構，整體性也比較好，所以通常情況下，水池具有良好的抗震性能。然而作為一種地下結構，水池外池壁受到土層位移影響，借鑒反應位移法的概念，水池在其高度范圍內存在差異土層約束位移影響，進而使外部結構受到外力產生彎矩，而這種差異變形影響有必要進行分析和研究的。對于以池壁為主的水池結構，整個結構的抗震性能受到很多方面的影響，影響較大的是結構的整體性。3.1水池整體剛度強弱。對于地下水池，水池頂部一般設鋼筋混凝土現澆蓋板。有現澆鋼筋混凝土蓋板的水池，整體水平剛度較大，整體分析時，無論水池是否完全埋置于土層中，其上下表面的側向力差異均較小，或者說其側向反應位移差較小。通過有限元分析發現，一個10m左右水平跨度的水池結構，其上下表面處產生的反應位移差僅為毫米級，因此形狀規則的有蓋水池受地震作用很小，幾乎可以忽略不計（見圖4）。3.2是否穿越復雜土層。按照傳統的反應位移法，其適用于均質土層或土層性質相近的多層土層，而對于土層起伏較大、土性變化較大的地層，其土層在地震作用下的反應位移差異也較大，若地下結構設置于此類環境的圍巖中，則受到的地震反應位移約束差異也很大，結構受力將變得比較復雜。為了減小復雜土層對結構地震作用下的受力影響，在基坑開挖時，將地下結構兩側圍巖進行一定范圍的超挖，并用土回填，形成類似于一種軟墊層的包裹體，在一定程度上降低地震力的影響。3.3結構強弱構件設置要點。水池結構中存在大量厚薄不均的池壁、隔墻、梁板、柱子等構件，剛度差異較大，其中池壁結構類似于民建結構中的剪力墻，具有很高的抗側剛度；而梁、板、柱等構件所組成的結構類似于框架結構，抗側剛度較弱，在地震工況下，地震力的傳遞和分配是一個復雜的力學體系。結構設計時應盡可能考慮由抗側剛度較大的墻體來承受地震力，避免較大的側向力作用在薄弱構件上（見圖5）。例如，水池結構中常出現的外挑渠道即屬于一種“上剛下柔”的結構，筆者認為應盡可能避免，或采取必要的構造加強措施。又如，某水池中央設置一根穿層柱，即使水在地震作用下可以耗能減震，但流體作用力對于抗側力構件是一種破壞效應，如圖6所示。

地下水池是貯存消防用水和生活調節用水的地下構筑物,是大中型設計項目中建筑給水排水系統的一個重要組成部分。但是水池進水管管徑的確定容易成為一個被忽視的問題。管徑太小的話補水量不夠，在設計時考慮的往往是較大管徑會比較小管徑更加安全有保障，其實稍加計算就可以發現情況并不是如此。

首先討論一下生活水池。筆者本人曾經在多次設計中不計算水池的進水量隨意選定水池進水管徑為DN100或DN150甚至DN200,當然如此管徑足以滿足水池補水水量要求和建筑用水水量要求，但選擇大管徑進水管無疑為地下泵房水漬的發生埋下隱患。眾所周知，為防止水池進水閥（包括進水浮球閥、液壓進水閥等）發生故障所設置的水池溢流管如果接至室外的話，即使有水封井加裝防逆水封閥,由于溢流管很少使用,水封井內水封蒸發無水，實際起不到應有的作用。同時水封井與地面相連，井內存水也很可能存在污染,對水池水質存在嚴重影響。為防止水池水質污染，水池溢流管一般設在泵房內，同時設置潛水泵排水池溢流水。按規范要求潛水泵集水池的有效容積不得小于最大一臺潛水泵5min的流量。以排干溢流水為目的潛水泵的流量理應與水池溢流水量相同。但是溢流管的溢流量是很難確定的，溢流量是隨溢流水位升高而增加的。為確定水泵流量只有以水池進水量為依據。下表為不同管徑和壓力下浮球閥進水量，供參考。

依據表1可以估算潛水泵的流量。試取DN100的進水管即使在室外壓力僅為0.15Mpa的條件下其5min的流量就為

Q1=24.2×60×5=5.94m3;

在室外壓力為0.3Mpa的條件下其5min流量達到

Q2=34.2×60×5=10.26m3;

地下水池是貯存消防用水和生活調節用水的地下構筑物,是大中型設計項目中建筑給水排水系統的一個重要組成部分。但是水池進水管管徑的確定容易成為一個被忽視的問題。管徑太小的話補水量不夠，在設計時考慮的往往是較大管徑會比較小管徑更加安全有保障，其實稍加計算就可以發現情況并不是如此。

首先討論一下生活水池。筆者本人曾經在多次設計中不計算水池的進水量隨意選定水池進水管徑為DN100或DN150甚至DN200,當然如此管徑足以滿足水池補水水量要求和建筑用水水量要求，但選擇大管徑進水管無疑為地下泵房水漬的發生埋下隱患。眾所周知，為防止水池進水閥（包括進水浮球閥、液壓進水閥等）發生故障所設置的水池溢流管如果接至室外的話，即使有水封井加裝防逆水封閥,由于溢流管很少使用,水封井內水封蒸發無水，實際起不到應有的作用。同時水封井與地面相連，井內存水也很可能存在污染,對水池水質存在嚴重影響。為防止水池水質污染，水池溢流管一般設在泵房內，同時設置潛水泵排水池溢流水。按規范要求潛水泵集水池的有效容積不得小于最大一臺潛水泵5min的流量。以排干溢流水為目的潛水泵的流量理應與水池溢流水量相同。但是溢流管的溢流量是很難確定的，溢流量是隨溢流水位升高而增加的。為確定水泵流量只有以水池進水量為依據。下表為不同管徑和壓力下浮球閥進水量，供參考。

依據表1可以估算潛水泵的流量。試取DN100的進水管即使在室外壓力僅為0.15Mpa的條件下其5min的流量就為

Q1=24.2×60×5=5.94m3;

在室外壓力為0.3Mpa的條件下其5min流量達到

Q2=34.2×60×5=10.26m3;

摘要：一個好的工程產品是由設計與施工共同完成的，一個好的工程設計則需多個專業共同努力才能實現。本文從結構專業角度談水工構筑物設計中的地下水位確定、伸縮縫設置、總體布置及設計與施工配合等問題，在貫徹國家技術經濟政策的同時，做到技術先進、經濟合理、安全適用、確保質量。

關鍵詞：水工構筑物地下水位伸縮縫后澆帶加強帶

隨著我國經濟發展，國家對環境保護的日益重視，各地污水處理工程近年來逐年增多。作為配套的土建結構專業如何優化設計，在滿足水工藝要求的前提下，既保證水工構筑物今后的正常生產使用，又降低工程造價，是設計、施工人員面臨的共同任務。下面就設計中經常遇到的一些水工構筑物的問題，提出本人的看法。

1設計地下水位的合理確定

水池構筑物的設計與地下水位的標高密切相關。由于地下水位未掌握好而引起結構選型錯誤及抗浮不夠等工程事故也時有發生。地下水位不僅與土建設計有關，與水工藝設計也有關。根據現行國家設計規范，地下水位應根據地方水文資料，考慮可能出現的最高地下水位[1]。一般設計均取用水文資料的最高地下水位。在50年設計基準期內，一般水工構筑物地下水可變作用的取用按“工程結構可靠度設計統一標準”原則確定，并不考慮罕遇洪水的偶然作用。但值得注意的是，有些工程地質勘察報告所提供的地下水位未能從地方水文資料分析得出，而僅反映勘測期間的地下水位情況。如果詳勘在當地枯水期進行，所提供的地下水位標高將無法被設計取用，或導致結構計算的失誤。設計人員應詳實了解工程所在地的水文情況，對未滿足設計要求的地質勘察報告要求予以補充。要求考慮當地有無暴雨、臺風影響，會否出現由于地表水不能及時排除而引起的地下水位提高。水工藝設計人員，應結合對地下水位及地質情況的了解，與土建設計人員一起決定各構筑物的基底標高，綜合工藝流程要求、土建造價、運營成本、投產年限諸多因素，制定總體方案及各構筑物方案，以求經濟合理。例如當地下水位較高或地質剖面有流沙層時，水工藝設計者應考慮是否可適當抬高基底標高，減少浮力對結構影響及避開流沙層。

對設計在正常使用階段池內均有水，僅在檢修等特殊時段才排空的水池，可以根據實際情況，結合地方永文資料，確定一個合適的地下水位標高做設計地下水位，做到既保證使用階段結構安全和不利情況抗浮安全，又能降低工程造價、節省工程投資的雙贏目的。而這一切需要土建、水工藝設計人員共同討論并采取一系列設計及操作措施來確保安全生產及設計意圖的實現。

摘要：水池結構的設計有其特定的技術要求,如防腐抗滲等。設計時,先要進行各種不同的荷載組合,其次要進行強度計算、抗裂度和裂縫寬度驗算等。只有這樣才能保證水池結構設計的技術與經濟合理性。筆者針對水池結構的特點,從設計與施工兩方面,就水池結構的關鍵技術措施及方法進行了介紹,探討保證水池結構設計技術的經濟合理及施工的安全有效進行的方法。

關鍵詞：水池結構；設計；施工

1水池結構的設計

1.1結構設計應符合的規定

各種結構類別、形式的水池均應進行強度驗算。根據荷載條件、工程地質條件和水文地質條件,決定是否驗算結構的穩定性。鋼筋混凝土水池應進行抗裂度或裂縫寬度的驗算。在荷載作用下,構件截面為軸心受拉或小偏心受拉的受力狀態時,應進行抗裂度驗算,在使用階段荷載作用下,構件截面為受彎、大偏心受壓或大偏心受拉的受力狀態時,應進行裂縫寬度的驗算。預應力混凝土水池還應進行抗裂度驗算。

1.2荷載及荷載組合

1水池結構的設計

1.1結構設計應符合的規定

各種結構類別、形式的水池均應進行強度驗算。根據荷載條件、工程地質條件和水文地質條件,決定是否驗算結構的穩定性。鋼筋混凝土水池應進行抗裂度或裂縫寬度的驗算。在荷載作用下,構件截面為軸心受拉或小偏心受拉的受力狀態時,應進行抗裂度驗算,在使用階段荷載作用下,構件截面為受彎、大偏心受壓或大偏心受拉的受力狀態時,應進行裂縫寬度的驗算。預應力混凝土水池還應進行抗裂度驗算。

1.2荷載及荷載組合

（1）各種荷載。

水壓。這里指池內水壓,是水池的主要荷載之一。現在習慣上將水池按滿水來計算水壓。這是因為:一方面很可能存在誤操作而造成滿池;另一方面今后工藝上有可能挖潛而超過原設計水位。

摘要：水池結構的設計有其特定的技術要求,如防腐抗滲等。設計時,先要進行各種不同的荷載組合,其次要進行強度計算、抗裂度和裂縫寬度驗算等。只有這樣才能保證水池結構設計的技術與經濟合理性。筆者針對水池結構的特點,從設計與施工兩方面,就水池結構的關鍵技術措施及方法進行了介紹,探討保證水池結構設計技術的經濟合理及施工的安全有效進行的方法。

關鍵詞：水池結構；設計；施工

1水池結構的設計

1.1結構設計應符合的規定

各種結構類別、形式的水池均應進行強度驗算。根據荷載條件、工程地質條件和水文地質條件,決定是否驗算結構的穩定性。鋼筋混凝土水池應進行抗裂度或裂縫寬度的驗算。在荷載作用下,構件截面為軸心受拉或小偏心受拉的受力狀態時,應進行抗裂度驗算,在使用階段荷載作用下,構件截面為受彎、大偏心受壓或大偏心受拉的受力狀態時,應進行裂縫寬度的驗算。預應力混凝土水池還應進行抗裂度驗算。

1.2荷載及荷載組合

摘要：水池結構的設計有其特定的技術要求，如防腐抗滲等。設計時，先要進行各種不同的荷載組合，其次要進行強度計算、抗裂度和裂縫寬度驗算等。只有這樣才能保證水池結構設計的技術與經濟合理性。筆者針對水池結構的特點，從設計與施工兩方面，就水池結構的關鍵技術措施及方法進行了介紹，探討保證水池結構設計技術的經濟合理及施工的安全有效進行的方法。

關鍵詞：水池結構；設計；施工

一、水池結構的設計

1.1結構設計應符合的規定

各種結構類別、形式的水池均應進行強度驗算。根據荷載條件、工程地質條件和水文地質條件，決定是否驗算結構的穩定性。鋼筋混凝土水池應進行抗裂度或裂縫寬度的驗算。在荷載作用下，構件截面為軸心受拉或小偏心受拉的受力狀態時，應進行抗裂度驗算，在使用階段荷載作用下，構件截面為受彎、大偏心受壓或大偏心受拉的受力狀態時，應進行裂縫寬度的驗算。預應力混凝土水池還應進行抗裂度驗算。

1.2荷載及荷載組合

摘要：本文從結構專業的角度談談對水池設計中所涉及的地下水位的確定、伸縮縫的設置、后澆帶的作法及設計與施工配合等問題。

關鍵詞：水池地下水位伸縮縫后澆帶

隨著我國綜合國力的增強，城市的不斷發展擴大，人們生活、工業生產和環境保護的需要，水池類構筑物工程的建設逐年增多。下面從結構專業的角度對水池設計所涉及的一些問題，談談本人的看法。

一、設計地下水位的合理確定

水池的設計與地下水位的標高密切相關。由于地下水位未掌握好而引起結構選型錯誤及抗浮不夠等工程事故時有發生。根據現行國家設計規范，地下水位應根據地方水文資料，考慮可能出現的最高地下水位[1]。一般設計均取用水文資料的最高地下水位。在50年設計基準期內，一般水工構筑物地下水可變作用的取用按“工程結構可靠度設計統一標準”原則確定，不考慮罕遇洪水的偶然作用。但值得注意的是，有些工程地質勘察報告所提供的地下水位未能從地方水文資料分析得出，而僅反映勘測期間的地下水位情況。如果詳勘在當地枯水期進行，所提供的地下水位標高將無法被設計取用，或導致結構計算的失誤。所以設計人員應詳細了解當地的水文情況，對未滿足設計要求的地質勘察報告要求予以補充。要求考慮當地有無暴雨、臺風的影響，是否會出現由于地表水不能及時排除而引起地下水位提高。土建設計人員應結合對地下水位和地質情況的了解，與水工藝設計人員一起決定水池的基底標高，綜合工藝流程要求、土建造價、運營成本、投產年限等諸多因素，制定出方案。例如當地下水位較高或地質剖面有流沙層時，設計人員應考慮是否可適當抬高基底標高，減少浮力對結構影響及避開流沙層。

二、伸縮縫和后澆帶的設置

1晉祠泉復流工程概況

晉祠泉出露于太原西邊山斷裂帶懸甕山腳下，屬上升泉，是太原西山巖溶地下水的集中排泄點，泉口出露高程802.53~805.26m，距太原市城區25km。由于地下水長期嚴重超采和采煤排水，使晉祠泉地下水的補給系統遭到嚴重破壞，導致泉域斷流。晉祠泉水的枯竭，給當地生態環境帶來很大的影響。近年來，隨著部分工礦企業置換利用黃河水，關閉所有中小煤礦，泉域內關井壓采范圍的擴大，以及汾河清水復流工程的實施，使得泉域內汾河滲漏段入滲補給地下水的水量逐年增加，地下水得以涵養，泉域內巖溶地下水位明顯回升。晉祠泉自1994年4月30日泉水斷流起，水位逐年持續下降。從2008年8月止跌回升后，2011年度巖溶水位回升6m。若有進一步的補水工程，地下水位繼續回升，可使晉祠泉再度出流。2002年啟動了晉祠泉水景觀工程。

2工程建設必要性

明仙溝引蓄水工程是利用引黃清徐原水直供工程輸水至明仙溝蓄水池，可補充晉祠泉域地下水并置換103號井供水任務的工程。為實現晉祠泉盡快復流，實施晉源區關井壓采，確保關井壓采后引黃供水的安全，在明仙溝內新建調蓄池，通過下滲向晉祠泉域補水，可對晉祠泉域復流起到促進作用。同時，根據可調蓄的水量，向晉祠泉域提供應急補水，可置換地下水部分供水任務。因此，建設明仙溝引蓄水工程尤為緊迫和必要。

3調蓄水池位置選擇

在滿足自流給用水戶供水的前提下，調蓄池應盡可能圍繞難老泉附近選址。晉祠泉附近為邊山開闊區域，土地肥沃，是古晉陽城舊址區域，因此村莊及文物古跡比較密集，為避免征地移民，調蓄池應選在溝谷等人口和建筑物較為分散的區域。明仙溝位于距離難老泉泉眼上游1km處，根據該區等水位線圖，晉祠泉主要由西北方向來的巖溶水補給，調蓄池位于西北方向，且距離近，故分析滲漏水會有相當一部分流向晉祠泉，對晉祠泉的恢復有促進作用。明仙溝控制流域面積5.446km2，50年一遇洪峰流量為64.6m3/s，100年一遇洪峰流量為81.4m3/s，洪水可自明仙溝調蓄池右側排洪涵下泄，不影響補水和供水水質。明仙溝引蓄水工程取水口位于清徐原水直供工程迎賓路與濱河西路交匯處，分水口管中心高程767.184m，明仙溝溝頂高程1142m，溝口高程828m。溝長4.5km，地形高程828～1142m，平均縱坡6.6%，河谷底寬20～50m，向上逐漸開闊，河床覆蓋層在0～6m左右。明仙溝溝窄坡陡，為得到較大的容量，必須修建相對高的壩體，但對下游晉祠古鎮和赤橋村防洪不利，同時蓄水會破壞一定淹沒范圍內的植被。調蓄池蓄水后，可能存在塌岸等問題。根據《小型水庫更新建設工程設計文件匯編》精神，本次在溝內下段河谷底寬最寬處（70m）選擇適宜的調蓄池位置。