石油化工水池抗浮设计所依据规范的探讨

赵 刚，李 强

（赛鼎工程有限公司，山西太原 030032）

0 引言

在石油化工行业中，有大量的钢筋混凝土水池需要结构专业设计。水池按埋深可以分为地上池、半地下池和地下池；按储存介质情况分为清水池和污水池；按使用功能分为调节池、均质池、隔油池、气浮池、生化池、污油池、油泥池、浮渣池、沉淀池、污泥池、储焦池、液硫池、雨水监控池、事故水池、消防水池等。

当地下水位较浅而埋深较深时，水池都会有抗浮问题。抗浮成本有高有低，抗浮成本高的甚至超过水池本体造价。例如：沿海地区某事故水池，水池平面净尺寸为27.3 m×27.3 m，顶板顶-0.500，底板底-5.000，结构类型为柱距3.9 m的无梁楼盖体系，见图1、图2。根据地质勘察报告：地基土为淤泥土或砂土，抗浮水位为±0.000，地下水腐蚀性等级为中（干湿交替时为强）。经过方案对比和计算分析，最终选择采用防腐抗拔桩抗浮。经核算，需要113根40 m长的抗拔桩，抗拔桩的总造价为180万。这个造价就远高出了水池本体造价的140万。

图1 水池剖面图

图2 水池平面图

石油化工水池抗浮失效往往会导致工厂运行终止、有害介质或污水污染环境，严重的还会造成重大的人员或财产损失。所以我们一定要认真对待石油化工水池的抗浮问题，合理选择设计依据的规范，精心设计，确保石油化工水池的抗浮安全。

1 水池抗浮设计依据的规范

目前水池抗浮设计依据的规范主要有：《给水排水工程构筑物结构设计规范》GB 50069—2002[3]、《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》CECS 138:2002[4]、《石油化工钢筋混凝土水池结构设计规范》SH/T 3132—2013[1]、《建筑工程抗浮技术标准》JGJ 476—2019[2]。

1.1 《给水排水工程构筑物结构设计规范》GB 50069—2002（以下简称GB 50069[3]）

GB 50069[3]第5.2.3条规定：水池在基本组合作用下的抗浮稳定性系数Ks≥1.05；抗浮力只计入永久作用，可变作用和侧壁上的摩擦力不应计入，抗浮力采用标准值。

根据GB 50069[3]第1.0.2条，GB 50069[3]虽然适用于工业企业中一般的给水排水工程构筑物的结构设计，但不适用于工业企业中具有特殊要求的给水排水工程构筑物的结构设计。同时规范对抗浮设计也缺乏详细的说明，如抗浮设防水位如何确定、抗浮力如何算、覆土重度如何取、局部抗浮如何考虑、抗浮方法有哪些、施工注意事项、抗浮工程如何验收、抗浮工程如何监测等内容都没有表述。

1.2 《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》CECS 138:2002（以下简称CECS 138 [4]）

这本规范影响比较久远，很多水池计算软件都是基于这本规范编制的，如世纪旗云的水池计算软件和盈建科的YJK-pool。GB 50069[3]和CECS 138[4]都是北京市市政工程设计研究总院主编的，施行日期也都是2003年3月1日。CECS 138[4]第1.0.3条也明确表示：“本规程系根据现行国家标准《给水排水工程构筑物结构设计规范》GB 50069规定的原则制订。” CECS 138[4]比GB 50069[3]更注重于钢筋混凝土水池的设计，GB 50069[3]适用范围更宽泛，而CECS 138[4]更具体，更有针对性。但这本规范也同样缺乏对抗浮设计的详细规定。

1.3 《石油化工钢筋混凝土水池结构设计规范》SH/T 3132—2013（以下简称SH/T 3132 [1]）

SH/T 3132[1]认为：《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》CECS 138:2002对水池结构的抗浮只提出了原则规定，考虑到抗浮稳定设计容易被忽视，所以单列出第8章对抗浮做出较为具体的规定。

SH/T 3132[1]指出：抗浮稳定属于承载力极限状态设计范畴，但采用的是安全系数法，且抗浮力取用了标准值，极易混淆概念。为此SH/T 3132根据相关资料，详细规定了设计原则、荷载取值、计算公式等，并补充了局部抗浮稳定安全系数。但这本规范对抗浮水位的确定、抗浮工程的验收和监测等内容都缺乏表述。

1.4 《建筑工程抗浮技术标准》JGJ 476—2019（以下简称JGJ 476 [2]）

JGJ 476[2]的发布在一定程度上解决了上述问题。JGJ 476[2]不仅给出了抗浮设防水位的确定原则、抗浮力的计算方法，还较为详细地介绍了各种抗浮方法。同时设置专门的章节对施工、检验与验收、监测与维护等内容做出专门的规定。

2 石油化工水池抗浮设计在规范执行方面的问题

在JGJ 476[2]实施之前，石油化工水池抗浮设计基本上执行SH/T 3132[1]第8章——抗浮稳定设计。由于SH/T 3132[1]是2013年发布，JGJ 476[2]是2019年发布，《建筑工程抗浮技术标准》[2]2020年3月1日实施后，JGJ 476[2]新增的或与SH/T 3132[1]不同的一些内容是否执行？该如何执行？引起设计人的广泛争论。下面简要介绍几个在具体设计中最常见的问题。

2.1 建筑抗浮工程设计等级

《建筑工程抗浮技术标准》JGJ 476—2019[2]考虑到水文地质条件的复杂性对抗浮结构和构件的承载特性、耐久性以及水浮力、稳定性要求等确定会有一定影响，同时兼顾使用期间对锚固在地下结构底板下地基中的抗浮构件修复难度较大、地下水浮力可能产生的危害程度，以及拟建或既有工程所处的自身荷载特点和在地下水浮力下的稳定状态及变形要求等因素，提出抗浮设计等级的概念，对不同抗浮设计等级抗浮工程的设计和施工区别对待。

根据JGJ 476[2]，建筑抗浮工程设计等级是抗浮设计的基础，后续章节的许多内容都是根据抗浮设计等级确定的，它不仅影响抗浮稳定安全系数，还影响场地岩土工程勘察、抗浮设防水位的确定、抗浮力的计算、抗浮结构及构件结构设计的重要性系数、抗浮锚杆抗浮桩的裂缝控制、抗浮工程的监测与维护等。

JGJ 476[2]规定了建筑抗浮工程设计等级的划分方法和按抗浮等级设计的方法，而SH/T 3132[1]中没有此概念。那么石油化工水池抗浮设计是否要区分设计等级，如何区分设计等级？

2.2 两阶段设计方法

《建筑工程抗浮技术标准》JGJ 476—2019[2]采用对施工期和使用期分别进行抗浮设计的方法。抗浮设防水位、抗浮稳定性系数、抗浮力的计算等都按施工期和使用期做了区别性的要求。

JGJ 476[2]第3.0.2条条文说明指出：在众多抗浮稳定性不足引发的工程事故中，大部分发生在施工期间，主要原因在于无论设计单位还是施工单位，普遍忽视施工期间地下结构底板以上的荷载尚不足以抵抗地下水产生浮力的工况，因此，本条强调必须按施工期和使用期两个阶段内最不利组合工况进行稳定状态分析，并根据其不同的稳定状态采取相应的抗浮措施。

而SH/T 3132[1]中没有施工阶段的抗浮设计内容。那么石油化工水池的抗浮是否要分成施工期和使用期来设计呢？

2.3 抗浮力的折减

根据JGJ 476[2]第6.3.7条：用于抗浮稳定性验算的总抗浮力应按表1组合系数计算确定。

表1 抗浮力组合系数

由表1可见，对参与抗浮力的“结构上部填筑体、结构内部填筑体”在对抗浮稳定有利时，有0.9或0.95的组合系数，这相当于是对抗浮力进行了折减。而按SH/T 3132[1]的抗浮力计算方法，池顶覆土和池内的混凝土配重是不折减的。那么石油化工水池抗浮设计对这类荷载要不要折减呢？

2.4 抗浮稳定安全系数

表2 抗浮稳定安全系数

从表2中可以看出，局部抗浮稳定安全系数分别为：1.05、1.15、1.27。而JGJ 476[2]中抗浮等级为乙级的抗浮工程在使用期的抗浮稳定安全系数为1.05，也就是说SH/T 3132[1]的局部抗浮稳定安全系数高于JGJ 476[2]。

JGJ 476[2]是2019年发布的，SH/T 3132[1]是2013年发布的，JGJ 476[2]更加新一些。那么石油化工水池抗浮设计执行新的JGJ 476[2]的抗浮稳定安全系数呢，还是执行SH/T 3132[1]的抗浮稳定安全系数呢？

3 如何正确选择石油化工水池抗浮设计依据

3.1 规范适用性的探讨

（1）《建筑工程抗浮技术标准》JGJ 476-2019[2]

JGJ 476[2]第1.0.2条规定：本标准适用于新建、扩建与改建建筑和既有建筑抗浮工程的勘察、设计、施工、检验与验收、监测及维护。可见此规范的主要适用对象是建筑，不是像水池这样的构筑物。

虽然JGJ 476[2]第2.1.1条条文说明指出：建筑工程也包含其他领域如市政工程、水电、港工、轨道交通、公路等涉及抗浮问题的建筑物或构筑物。但JGJ 476[2]研究的主体还是具有上部结构的地下室，不是用来贮存水或其他水溶液的水池。

JGJ 476[2]的主编单位及参编单位都来自石油化工行业以外，也没有市政工程设计单位参编，在标准编制时不可能会考虑石油化工水池抗浮的具体情况，所以JGJ 476[2]只能作为石油化工水池抗浮设计的参考执行规范，而不能作为主要执行规范。

（2）《石油化工钢筋混凝土水池结构设计规范》SH/T 3132-2013[1]

SH/T 3132[1]第1章就明确指出：本规范适用于石油化工现浇钢筋混凝土水池、非贮液池及地下式、半地下室泵房的结构设计。SH/T 3132[1]第8章条文说明还专门指出：“水池因抗浮稳定性不能满足而导致浮起、倾斜、开裂等破坏的情况在工程中不乏实例，CECS 138《给水排水工程混凝土水池结构设计规程》中对水池结构的抗浮只提出了原则规定，考虑到抗浮稳定设计容易被忽视的情况，本规范将它单列一章。”所以SH/T 3132[1]应该作为石油化工水池抗浮设计的主要执行规范。

5月中下旬播种，6月上中旬栽插，大田用种量1.5～2公斤/亩，用流水线机械播种，每亩大田用机插塑料硬盘约35张，根据机械栽插进度分批次播种。

（3）小结

虽然在石油化工水池抗浮设计时主要依据SH/T 3132[1]，但该规范发布于2013年，由于当时情况所限也存在一些不足，所以我们在石油化工水池抗浮设计时还要借鉴JGJ 476[2]中的一些内容来弥补SH/T 3132[1]的不足。

3.2 规范具体条文执行的探讨

3.2.1 建筑抗浮工程设计等级是否执行？

（1）建筑抗浮工程设计等级的划分

JGJ 476[2]第3.0.1条对建筑抗浮工程设计等级做了如下规定：抗浮工程应根据工程地质和水文地质条件的复杂程度、地基基础设计等级、使用功能要求及抗浮失效可能造成的对正常使用影响程度或危害程度等划分为三个设计等级，并按表3确定。

表3 建筑抗浮工程设计等级

（2）石油化工水池的具体情况

石油化工水池多数没有上部结构，荷载总体比较小，对地基的要求比较低。对照JGJ 476[2]表3，石油化工水池的抗浮设计等级多数应该是丙级。贮存污染水的水池，可以将抗浮设计等级提高到乙级。

根据JGJ 476[2]表3，乙级抗浮工程的使用期抗浮稳定安全系数为1.05。而SH/T 3132[1]表2规定的整体抗浮稳定安全系数也是1.05，二者一致。

（3）小结

不论是按SH/T 3132[1]设计，还是按JGJ 476[2]区分抗浮设计等级进行设计，整体抗浮稳定安全水平是一致的。

3.2.2 两阶段设计方法是否执行？

JGJ 476[2]提出了按施工期和使用期进行抗浮设计的方法，SH/T 3132[1]的抗浮验算没有明确区分施工期和使用期，但要求考虑施工阶段可能出现的不利情况。

JGJ 476[2]针对的多数是施工量较大的工程，多数是高层建筑的地下室，地下结构部分和上部结构部分的施工周期都比较长，所以提出对施工期进行抗浮稳定验算的要求。如果总的施工量较小，施工周期较短，通过短期施工降水可以解决抗浮问题，那么就不需要做施工期的抗浮稳定验算。而地下和地上施工量大的工程，由于施工周期长，施工降水的费用比较高，通过做施工期的抗浮验算可以确定最早的停止降水的时间，可以在保证施工期抗浮安全的情况下，大量节约降水费用。

石油化工水池多数施工量较小，一般没有上部结构（即便有，也就是1～2层的框架），施工周期较短，可以在一年中的枯水期或水位较低的时间段完成施工。这样的话，通过短期施工降水解决施工期的抗浮稳定问题总体费用也较低。当然对于那些施工周期较长的水池，需要跨越丰水期，还是建议做施工期的抗浮稳定验算，综合考虑各方面因素，找出安全适用经济合理的抗浮方案。

3.2.3 抗浮力的折减是否执行

《建筑结构荷载规范》GB 50009—2012[5]第3.2.4条规定：当永久荷载效应对结构有利时，荷载分项系数不应大于1.0。JGJ 476[2]表1中对部分类型的荷载设定了0.9～1.0的组合系数、SH/T 3132[1]表5.2.2备注中指出“当荷载对结构有利时，分项系数取1.0”都是基于《建筑结构荷载规范》GB 50009—2012[5]这一条的精神。JGJ 476[2]和SH/T 3132[1]都符合《建筑结构荷载规范》GB 50009—2012[5]的精神，只不过是安全度不同罢了。

所以在石油化工水池抗浮力计算时可以不执行JGJ 476[2]的要求，完全按SH/T 3132[1]计算，不对抗浮力（池顶覆土和池内压重）进行折减。

3.2.4 局部抗浮稳定安全系数以那本规范为准

JGJ 476[2]不区分局部抗浮与整体抗浮，统一采用相同的抗浮稳定安全系数，而SH/T 3132[1]表2详细规定了局部抗浮稳定安全系数，所以在石油化工水池抗浮设计时应执行SH/T 3132[1]的局部抗浮稳定安全系数。

虽然JGJ 476[2]是2019年发布的，SH/T 3132[1]是2013年发布的，JGJ 476[2]更加新一些。但两本规范都是现行规范，都没有废止，而且石油化工水池抗浮设计按SH/T 3132[1]更合理更适用。

3.3 JGJ 476[2]弥补了SH/T 3132[1]的不足

虽然SH/T 3132[1]第8章针对石油化工水池抗浮也做了较详细的规定，但在抗浮设防水位的确定，抗浮工程的施工、检验与验收、检测与维护等方面没有涉及。JGJ 476[2]在对SH/T 3132[1]上述内容进行补充的同时，还提出了排水限压法、泄水降压法、隔水控压法、压重抗浮法、锚固抗浮法等六种抗浮方法，大大地丰富了石油化工水池的抗浮设计依据。

4 结语

在石油化工水池抗浮设计时，主要以《石油化工钢筋混凝土水池结构设计规范》SH/T 3132—2013[1]为设计依据，以《建筑工程抗浮技术标准》JGJ 476—2019[2]作为补充。在参照《建筑工程抗浮技术标准》JGJ 476—2019[2]相关条文进行设计时，一定要对规范条文进行深入解读，详细分析条文的设置背景和适用条件，根据石油化工水池的具体情况正确参照《建筑工程抗浮技术标准》JGJ 476—2019[2]进行设计，切不可生搬硬套，盲目照搬。