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摘要 水池是土地整治工程中广泛应用的蓄水设施。为适应地质条件和降低成本，结合工程实例，水池建造正朝着新结构和新材料的设计方向发展。对多层复合结构水池在结构设计、施工工艺、防渗材料及性能方面对比钢筋混凝土水池进行初步分析研究，了解新型复合结构水池设计的优点和局限性，以及新型防渗材料应用的创新性，为今后不同地质条件和要求下蓄水设施的设计与施工提供科学参考。
关键词 多层复合结构水池；钢筋混凝土水池；地下排水层；温度应力；防渗材料
中图分类号 TV93 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2015）08-0221-02
Abstract Water pool is the water storage facility widely used in land consolidation project. In order to adapt to the geological conditions and reduce the cost，combined with the engineering examples，the water pool construction design is moving toward the direction of the new structures and new materials development.The structural design，construction technology，impervious materials and performance of the multilayer composite structure water pool were analyzed in contrast of reinforced concrete water tank.The advantages and limitations of new composite structure design of the multilayer composite structure water pool were introduced，and the innovative application of new impervious materials were studied in order to provide scientific references for design and construction of the storage water facilities under different geological conditions and construction requirements.
Key words multilayer composite structure water pool；reinforced concrete water tank；underground drainage layer；temperature stress；impervious material
水池是干旱、山丘等缺水区域解决人畜饮水和农田灌溉的一种重要水源工程设施。传统的水池结构有钢筋混凝土结构、灰土结构、砖砌结构、浆砌石结构、复合结构等，灰土结构对地基稳定和透水性要求过高；砖砌结构、浆砌石结构抵抗外力破坏的能力较弱；钢筋混凝土结构能适应不同地质条件，并具有丰富的施工技术和建造经验。但面对错综复杂的地质条件时，钢筋混凝土结构由于施工复杂，建造大型水池时采用的技术更加繁琐，而且钢筋混凝土结构要求造价高。在软地基或不良地质区域建设水池时，上述传统技术均存在较大弊端。实践证明，在不良地质条件下修建的传统结构水池在运行过程中均出现不同程度的开裂、塌陷等不适应性，导致水池渗漏，失去其正常的功能，造成水池寿命缩短、投入资金浪费和区域农业基础设施紧缺的结果[1-2]。该文从水池结构设计、施工工艺、防渗材料、性能等方面对传统水池和多层复合结构水池进行比较，分析其优缺点，以供蓄水设施设计与施工提供参考。
1 结构设计
多层复合结构水池是一种采用多层联合工作的结构水池，相对传统水池更能适应不良地质条件，具有较强的抵抗地基变形、排除地基内土壤水、降低地下水压力等功能。水池结构见图1。
1.1 地基层
传统钢筋混凝土水池（以下简称传统水池）处理不良地质条件时，通常采用垫层法、重锤表层夯实、桩基础、强夯挤密桩法、高压注浆固结土挤密桩、复合地基等方法[3-4]。多层复合结构水池由于其特殊结构设计，在不良地质条件下，一般采用原土夯实的方法处理地基，有时也会采用因地制宜的地基处理方法。
1.2 地下排水层
传统水池在解决地下水作用下产生的浮力时，在池体尺寸较小时，一般考虑用顶板覆土和池体重量抵抗浮力；当池体尺寸较大时，还须更加安全稳定的方法来验算整体抗浮稳定性，一般采用“区格平衡法”来解决水池的抗浮和浮力引起顶、底板变形产生的弯矩[5]。多层复合结构水池在水池底部及侧边坡设置网状地下排水沟，以降低地下水压力，防止地下水位过高和水池放空时，膜下水压力过大顶托土工膜和混凝土保护层浮起造成水池破坏。
1.3 基础垫层（降低孔隙水压力层）
传统水池对混凝土强度等级要求严格，配筋设计方面相对复杂；水池在荷载作用下，构件截面处于受弯或偏心受拉、受压状态时，必须考虑控制其构件的裂缝宽度；多层复合结构水池一般采用无砂混凝土，水池底部和侧壁无需配筋不需要考虑裂缝控制[6]。多层复合结构水池在水池底和侧壁基础开挖面上铺设基础垫层，用于稳定基础和边坡，排除地基内部的地下水，利用空隙调节基础开挖面土壤水分变化时产生的部分孔隙水压力，从而降低其液限和体变，明显提高水池稳定性与抗变形能力，并能解决由于气包铺膜不易平整问题。 1.4 变形缝
传统水池一般按照《给水排水工程混凝土构筑物变形缝设计规程》，水池的变形缝应做成贯通式，当水池尺寸较大或者温度应力过大时，需要采取加强带、后浇带和预应力等技术中的一项或者多项措施来解决[7-8]；多层复合结构水池一般在水池底板、侧墙按一定间距设置变形缝，缝宽度一般不小于20～30 mm，就能很好地解决因混凝土胀缩、地基不均匀沉降、地震等原因产生的内部应力变化引起水池不规则开裂等问题。
2 施工工艺
从基坑开挖来说，传统水池施工时需要进行基坑开挖，大型水池的基坑开挖，对地基会产生很大扰动，影响水池的稳定性。基坑回填时，回填土中会有大量滞水存在，如果不及时排除，滞留在基坑填土中的水将形成水压力对池壁造成影响[9]。多层复合结构水池施工直接进行池体开挖无基坑开挖，直接避免了基坑填土中滞水的问题。水池稳定性方面，多层复合结构水池施工以现浇、铺设为主，不涉及钢筋制安、砌体砌筑等复杂工艺。温度应力方面，多层复合结构水池采用分段进行施工浇筑，使温度应力能充分释放[10]。
3 防渗材料
传统水池的抗渗，根据《给水排水工程构筑物结构设计规范（GB50069-2002）》规定，宜以混凝土本身的密实性满足抗渗要求。多层复合结构水池采用在基础垫层之上铺设专业防渗层[11]，借助其较好的防渗功能，用于防止水池渗漏，强化水池的蓄水功能。水池的底部和侧壁均铺设整体性好、施工简便、不易老化、耐久性好的新型防水材料[12]，如膨润土复合防水毯、复合土工膜等。
传统水池根据《混凝土质量控制标准》混凝土的抗渗等级范围为0.4～1.2 MPa。多层复合结构水池由实验测得渗透系数为10-12～10-11 cm/s，抗渗静水压可达1.0 MPa以上，渗透性小于5×10-11 cm/s[13]。可见多层复合结构水池引用新型柔性防渗材料且设置整体防渗层，相对传统水池防渗技术具有更好的防渗能力，减少池体因混凝土强度过大引起裂缝和地基不均匀沉降等外力因素造成池体渗漏的影响[14]。
4 性能方面
从设计形态方面看，多层复合结构水池为敞口式水池，水池形态可分为圆形、矩形或各种适应特殊地形条件的特殊形态[15]，侧壁边坡一般采用1∶0.75～1.00的斜坡，以提高水池边坡稳定性。在蓄水池宽度和长度一定（或半径一定）条件下，不同边坡系数和不同水深的蓄水量经实验证明：随着蓄水池边坡系数的增大相同水深的蓄水池量逐渐减小，同时蓄水深度超过一定值后蓄水量反而减小。传统水池根据不同地形条件和要求，分为封闭式和敞口式，水池形态为多种样式[16]。
从耐久性方面分析，多层复合结构水池由于其新型的结构设计和防渗材料，不需要增加额外的技术措施便具有一定的防腐、抗裂、防渗和稳定等性能，使用寿命相当长。在蓄水能力方面不仅比传统水池强，而且结构更加简单，施工更为便捷，工程实例中最大蓄水量达到18 000 m3，运行良好。
从脆性破坏方面，传统水池由于材料、焊接、施工、设计等原因，会造成结构处于一定的受力状态，而钢材处于复杂受力状态、低温条件下或有较大应力集中时，均会由塑性转变为脆性，产生突然的脆性破坏，脆性破坏属于瞬间发生，具有很大的危险性。多层复合结构水池采用无钢筋结构设计属于塑性结构，一旦发生破坏，传统水池危害性更严重[17-18]。
5 结语
多层复合结构水池属于柔性结构，具有施工工艺简单、造价低、结构稳定安全和储水量大等优点，可以更好地适应一些现代工程建设的需要，同时也是干旱地区集蓄雨水、地表水或其他水源、发展农业生产等的有效手段。新型防渗材料和多层结构设计形成的多层复合结构水池，不仅有效解决了不良地质条件下建造传统水池不利的工程技术问题，而且能提高水池耐久性能，延长使用寿命，减少资金浪费和区域农业基础设施紧缺的现象，可以更好地应用推广[19-21]。多层复合结构水池采用多层联合工作的结构设计打破了传统水池的设计思路，为今后水池采用新型设计与施工提供科学依据和参考。
6 参考文献
[1] 张泽恩，郑宏刚，余建新.复合结构水池在膨胀土地区的应用研究[J].中国农村水利水电，2008（3）：106-108.
[2] 郑宏刚，尚彦，廖晓虹，等.云南省土地开发整理基本模式与投资控制研究[J].中国农村水利水电，2009，24（3）：442-447.
[3] 陈平，史志利.某大型钢筋混凝土水池地基加固[J].特种结构，2008，25（3）：6-8.
[4] 中华人民共和国行业标准.建筑地基处理技术规范（JGJ79-2012）[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.
[5] 王荣文，葛春辉，郭成城，等.蓄水池国标图集编制感悟[J].给水排水动态，2006（6）：6-8.
[6] 李福贤.矩形钢筋混凝土水池设计要点探讨[J].甘肃科技，2013，29（16）：108-109，132.
[7] 中国工程建设标准化协会标准.给水排水工程混凝土构筑物变形缝设计规程（CECS117-2000）[S].北京：[出版者不详].2002.
[8] 卢福强.超长钢筋混凝土水池设计[J].山西建筑，2013，39（8）：25-26.
[9] 王水华.复杂条件下的特大型清水池设计[J].四川建筑，2012，32（1）：221-222，226.
[10] 中华人民共和国行业标准.给水排水工程构筑物结构设计规范（GB50069-2002）[S].北京：中国建筑工业出版社，2003.
[11] 高贵全，余建新，邱苑梅，等.土工织物加筋法在土坝滑坡处理中的应用[J].中国农村水利水电，2000（1）：53-54.
[12] 张平，郑宏刚，余建新.高原地区冷浸田治理技术研究[J].云南农业大学学报，2005，20（5）：665-670.
[13] 周大纲.土工合成材料制造技术及性能[M].北京：中国建筑工业出版社，2001.
[14] 郑宏刚，余杨，余建新.生态型土地整理模式研究[J].广东农业科学，2009（6）：189-192.
[15] 中华人民共和国国土资源部行业标准.土地开发整理项目规划设计规范（TD/T1012-2000）[S].北京：[出版者不详].2002.
[16] 刘畅，魏晶，张川，等.国内外干旱半干旱地区集水技术研究进展[J].现代农业科技，2013（1）：196-197，202.
[17] 张连忠.造成建筑钢材脆性破坏的因素及改进措施[J].山西财经大学学报，2014，36（S1）：207-208.
[18] 苏德荣，陈勇，田媛.日光温室柔性蓄水池设计研究[J].农业工程学报，2000，16（1）：90-93.
[19] 张靖静.水池结构设计概要分析[J].山西建筑，2005（22）：67-68.
[20] 何益斌，肖阿林，卢利平，等.某工程水池壁开裂原因分析及防治措施[J].四川建筑科学研究，2009（1）：108-110.
关键词 多层复合结构水池；钢筋混凝土水池；地下排水层；温度应力；防渗材料
中图分类号 TV93 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2015）08-0221-02
Abstract Water pool is the water storage facility widely used in land consolidation project. In order to adapt to the geological conditions and reduce the cost，combined with the engineering examples，the water pool construction design is moving toward the direction of the new structures and new materials development.The structural design，construction technology，impervious materials and performance of the multilayer composite structure water pool were analyzed in contrast of reinforced concrete water tank.The advantages and limitations of new composite structure design of the multilayer composite structure water pool were introduced，and the innovative application of new impervious materials were studied in order to provide scientific references for design and construction of the storage water facilities under different geological conditions and construction requirements.
Key words multilayer composite structure water pool；reinforced concrete water tank；underground drainage layer；temperature stress；impervious material
水池是干旱、山丘等缺水区域解决人畜饮水和农田灌溉的一种重要水源工程设施。传统的水池结构有钢筋混凝土结构、灰土结构、砖砌结构、浆砌石结构、复合结构等，灰土结构对地基稳定和透水性要求过高；砖砌结构、浆砌石结构抵抗外力破坏的能力较弱；钢筋混凝土结构能适应不同地质条件，并具有丰富的施工技术和建造经验。但面对错综复杂的地质条件时，钢筋混凝土结构由于施工复杂，建造大型水池时采用的技术更加繁琐，而且钢筋混凝土结构要求造价高。在软地基或不良地质区域建设水池时，上述传统技术均存在较大弊端。实践证明，在不良地质条件下修建的传统结构水池在运行过程中均出现不同程度的开裂、塌陷等不适应性，导致水池渗漏，失去其正常的功能，造成水池寿命缩短、投入资金浪费和区域农业基础设施紧缺的结果[1-2]。该文从水池结构设计、施工工艺、防渗材料、性能等方面对传统水池和多层复合结构水池进行比较，分析其优缺点，以供蓄水设施设计与施工提供参考。
1 结构设计
多层复合结构水池是一种采用多层联合工作的结构水池，相对传统水池更能适应不良地质条件，具有较强的抵抗地基变形、排除地基内土壤水、降低地下水压力等功能。水池结构见图1。
1.1 地基层
传统钢筋混凝土水池（以下简称传统水池）处理不良地质条件时，通常采用垫层法、重锤表层夯实、桩基础、强夯挤密桩法、高压注浆固结土挤密桩、复合地基等方法[3-4]。多层复合结构水池由于其特殊结构设计，在不良地质条件下，一般采用原土夯实的方法处理地基，有时也会采用因地制宜的地基处理方法。
1.2 地下排水层
传统水池在解决地下水作用下产生的浮力时，在池体尺寸较小时，一般考虑用顶板覆土和池体重量抵抗浮力；当池体尺寸较大时，还须更加安全稳定的方法来验算整体抗浮稳定性，一般采用“区格平衡法”来解决水池的抗浮和浮力引起顶、底板变形产生的弯矩[5]。多层复合结构水池在水池底部及侧边坡设置网状地下排水沟，以降低地下水压力，防止地下水位过高和水池放空时，膜下水压力过大顶托土工膜和混凝土保护层浮起造成水池破坏。
1.3 基础垫层（降低孔隙水压力层）
传统水池对混凝土强度等级要求严格，配筋设计方面相对复杂；水池在荷载作用下，构件截面处于受弯或偏心受拉、受压状态时，必须考虑控制其构件的裂缝宽度；多层复合结构水池一般采用无砂混凝土，水池底部和侧壁无需配筋不需要考虑裂缝控制[6]。多层复合结构水池在水池底和侧壁基础开挖面上铺设基础垫层，用于稳定基础和边坡，排除地基内部的地下水，利用空隙调节基础开挖面土壤水分变化时产生的部分孔隙水压力，从而降低其液限和体变，明显提高水池稳定性与抗变形能力，并能解决由于气包铺膜不易平整问题。 1.4 变形缝
传统水池一般按照《给水排水工程混凝土构筑物变形缝设计规程》，水池的变形缝应做成贯通式，当水池尺寸较大或者温度应力过大时，需要采取加强带、后浇带和预应力等技术中的一项或者多项措施来解决[7-8]；多层复合结构水池一般在水池底板、侧墙按一定间距设置变形缝，缝宽度一般不小于20～30 mm，就能很好地解决因混凝土胀缩、地基不均匀沉降、地震等原因产生的内部应力变化引起水池不规则开裂等问题。
2 施工工艺
从基坑开挖来说，传统水池施工时需要进行基坑开挖，大型水池的基坑开挖，对地基会产生很大扰动，影响水池的稳定性。基坑回填时，回填土中会有大量滞水存在，如果不及时排除，滞留在基坑填土中的水将形成水压力对池壁造成影响[9]。多层复合结构水池施工直接进行池体开挖无基坑开挖，直接避免了基坑填土中滞水的问题。水池稳定性方面，多层复合结构水池施工以现浇、铺设为主，不涉及钢筋制安、砌体砌筑等复杂工艺。温度应力方面，多层复合结构水池采用分段进行施工浇筑，使温度应力能充分释放[10]。
3 防渗材料
传统水池的抗渗，根据《给水排水工程构筑物结构设计规范（GB50069-2002）》规定，宜以混凝土本身的密实性满足抗渗要求。多层复合结构水池采用在基础垫层之上铺设专业防渗层[11]，借助其较好的防渗功能，用于防止水池渗漏，强化水池的蓄水功能。水池的底部和侧壁均铺设整体性好、施工简便、不易老化、耐久性好的新型防水材料[12]，如膨润土复合防水毯、复合土工膜等。
传统水池根据《混凝土质量控制标准》混凝土的抗渗等级范围为0.4～1.2 MPa。多层复合结构水池由实验测得渗透系数为10-12～10-11 cm/s，抗渗静水压可达1.0 MPa以上，渗透性小于5×10-11 cm/s[13]。可见多层复合结构水池引用新型柔性防渗材料且设置整体防渗层，相对传统水池防渗技术具有更好的防渗能力，减少池体因混凝土强度过大引起裂缝和地基不均匀沉降等外力因素造成池体渗漏的影响[14]。
4 性能方面
从设计形态方面看，多层复合结构水池为敞口式水池，水池形态可分为圆形、矩形或各种适应特殊地形条件的特殊形态[15]，侧壁边坡一般采用1∶0.75～1.00的斜坡，以提高水池边坡稳定性。在蓄水池宽度和长度一定（或半径一定）条件下，不同边坡系数和不同水深的蓄水量经实验证明：随着蓄水池边坡系数的增大相同水深的蓄水池量逐渐减小，同时蓄水深度超过一定值后蓄水量反而减小。传统水池根据不同地形条件和要求，分为封闭式和敞口式，水池形态为多种样式[16]。
从耐久性方面分析，多层复合结构水池由于其新型的结构设计和防渗材料，不需要增加额外的技术措施便具有一定的防腐、抗裂、防渗和稳定等性能，使用寿命相当长。在蓄水能力方面不仅比传统水池强，而且结构更加简单，施工更为便捷，工程实例中最大蓄水量达到18 000 m3，运行良好。
从脆性破坏方面，传统水池由于材料、焊接、施工、设计等原因，会造成结构处于一定的受力状态，而钢材处于复杂受力状态、低温条件下或有较大应力集中时，均会由塑性转变为脆性，产生突然的脆性破坏，脆性破坏属于瞬间发生，具有很大的危险性。多层复合结构水池采用无钢筋结构设计属于塑性结构，一旦发生破坏，传统水池危害性更严重[17-18]。
5 结语
多层复合结构水池属于柔性结构，具有施工工艺简单、造价低、结构稳定安全和储水量大等优点，可以更好地适应一些现代工程建设的需要，同时也是干旱地区集蓄雨水、地表水或其他水源、发展农业生产等的有效手段。新型防渗材料和多层结构设计形成的多层复合结构水池，不仅有效解决了不良地质条件下建造传统水池不利的工程技术问题，而且能提高水池耐久性能，延长使用寿命，减少资金浪费和区域农业基础设施紧缺的现象，可以更好地应用推广[19-21]。多层复合结构水池采用多层联合工作的结构设计打破了传统水池的设计思路，为今后水池采用新型设计与施工提供科学依据和参考。
6 参考文献
[1] 张泽恩，郑宏刚，余建新.复合结构水池在膨胀土地区的应用研究[J].中国农村水利水电，2008（3）：106-108.
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[6] 李福贤.矩形钢筋混凝土水池设计要点探讨[J].甘肃科技，2013，29（16）：108-109，132.
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[8] 卢福强.超长钢筋混凝土水池设计[J].山西建筑，2013，39（8）：25-26.
[9] 王水华.复杂条件下的特大型清水池设计[J].四川建筑，2012，32（1）：221-222，226.
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[12] 张平，郑宏刚，余建新.高原地区冷浸田治理技术研究[J].云南农业大学学报，2005，20（5）：665-670.
[13] 周大纲.土工合成材料制造技术及性能[M].北京：中国建筑工业出版社，2001.
[14] 郑宏刚，余杨，余建新.生态型土地整理模式研究[J].广东农业科学，2009（6）：189-192.
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[17] 张连忠.造成建筑钢材脆性破坏的因素及改进措施[J].山西财经大学学报，2014，36（S1）：207-208.
[18] 苏德荣，陈勇，田媛.日光温室柔性蓄水池设计研究[J].农业工程学报，2000，16（1）：90-93.
[19] 张靖静.水池结构设计概要分析[J].山西建筑，2005（22）：67-68.
[20] 何益斌，肖阿林，卢利平，等.某工程水池壁开裂原因分析及防治措施[J].四川建筑科学研究，2009（1）：108-110.