曾浩雄  技師

一般無蓋(頂板)式大型水池(如游泳池)之建造，其有效水深大都以5公尺為限。因為水深5公尺時，池牆底部承受之負力矩M-已達M=1/6 *W*H³=1/6 * 1 * 5^3 = 20.833 T-m/m。γ為水密度，H為有效水深。若水深再增加1公尺，則其負力矩M-增加為1/6 * 1 * ( 5 + 1)^3= 36 T-m/m。其增加之倍數= 36 / 20.833 =1.728倍(與高度之3次方成正比)。若水深達7.5m (如高雄市水利局委外辦理之典寶溪洪水調節池，其水深就達7.5m，不含出水高)，則其負力矩M-將增加為1/6 * 1 * 7.5^3= 70.313 T-m/m。假使池牆厚度採用40 cm(台水公司規定至少35 cm)，其所需之負鋼筋量將達As = M/ad = 70.313 / 0.0133 / (40 - 7.5 ) = 162.67 cm²，相當驚人。採用φ50 mm ( 16 # )之鋼筋，其間距S =100 / (162.67 / 19.79) = 10.29 cm 相當大。

其實像典寶溪洪水調節池，其池頂必須建造步道以利維修時之通行，而步道需有柱子支撐，因此水池之建造改用梁柱式，以增加池牆之拉力，免除上述缺點，進而大幅降低負力矩因而減少負鋼筋量，降低建造費。水池之建造也可改用翅牆式(Countertor Wall)。因為池牆長度若超過池深三倍以上時，一般均以豎向之單向版設計。惟以經濟觀點而言，水池太深時以單向版原理設計之池牆，其所需工程費太高，故宜與池牆內側或外側，每一適當之距離設置翅牆，如此將能降低池牆厚度，其鋼筋之需要量也可比預期減少很多。若翅牆予以等距離排列，則由於翅牆兩側之池牆所承受的作用外力，在力學上產生平衡之現象。池牆與翅牆相交處不會有角轉動之變形，故得假設每段翅牆兩端均為固定端。此時因池頂均為自由端，其他三邊均為固定端。可採用箱型水池池牆之原理設計之(雙向版)。翅牆之經濟間距約為池深之 0.5 到0.75倍，牆基長度應依土壤容許承載力加以設計。其伸入池內部分之長度一般約為池深之三分之二倍。突出池外部分為趾版；伸入池內部份為踵版。牆伸縮縫之配置有兩種；一為以翅牆為接縫端：另一為在翅牆外延伸一段長度後設置接縫。前者之外間隔間，因一端為不連續而不同於內隔間池橋，不得視為三邊固定，而應視為內側固定、外側為簡支之束制(Constain)條件設計之。其設計較為複雜而且牆之排筋內外隔間不一致，實非理想之配置。後者在池牆延伸著懸臂長度，若選擇採用內隔間淨距離的五分之二，則此池牆之水平應力約等於內隔間池牆之端點水平負力矩應力。其牆厚及鋼筋之排紮當可同於內隔間之池牆，而且除懸臂部分外，所有池牆間翅牆之牆段均為內隔間，較簡便而且合理，因此後者之配置較值得執行。由上二式之主筋需要量由I 點起(如圖2)向上隨著深度之減少而減少而與深度平方成反比。鋼筋之排紮應於 I 點(以下部分保持最大鋼筋量。I點以上可在理論斷點加12倍鋼筋直徑處，逐步剪斷鋼筋根數 1/3至 2/ 3。池牆因池內水壓之作用下，會使它有與翅牆分離之趨勢，故須U 型鋼筋如圖3扣於踵版之鋼筋，另一端伸入錨定翅牆，使踵版與翅牆結合為一體。

至於其牆基(含池外之趾版及池內之踵板)，趾版之設計較為單純，以懸臂版設計即可。踵板內部之應力較為複雜，其作用外力計有：板上面的水重，版的自重，趾版端傳來的彎曲力矩，池底版端傳來的彎曲力矩，及地基向上反力等。設計淨外力一般可劃分為兩部分；一為三角形分佈力，其應力計算原理及公式與池牆相同；另一為均佈力，其應力之計算可參考美國ACI 建築規範之雙向版係數表(三邊連續)。以上述兩項應力之合力設計牆厚及鋼筋量。無論是梁柱式或翅牆式，其東西及南北向，均須於池頂建造步道，因此需要有梁柱予以支撐，梁柱式本來就有梁柱，翅牆式則需額外加以設置翅牆，無形中會增加RC之用量。因此翅牆式所需之混凝土量大於梁柱式，造成翅牆式所需之建造費大於梁柱式。

另外翅牆式需在池內設置翅牆，因而使調節池之水容量因而減少。就調節池建造費而言：翅牆式高於梁柱式；翅牆式水池容量又低於梁柱式。另外建造地下工程難免會遇到地下水，雖然梁柱式調節池經分析結果，其總重量比較輕，為壓住浮力，須增加筏式基礎之面積，因而增加建造費，但增加筏式基礎之面積後，其土壤淨反力會減少，因而可降低底板之正負力矩，進而減少其所需之鋼筋量，因此增加筏式基礎之面積對建造費之增加影響不大。所以建造高牆水池，宜採用梁柱式。至於圓形高牆水池，因為其池牆會發生環張力T，其大小等於內壓力p乘上直徑D，即T = p * D。所以圓形水池之直徑越大，其環張力越大，跟其牆高之關係比較無關；而是跟水池之直徑關係比較密切。