某河道調蓄池抗浮技術方案比選

何偉琴，蘇敏賢

(深圳市廣匯源水利勘測設計有限公司，廣東 深圳 518020)

調蓄池總的來說就是將水資源儲存在一定規(guī)模的場地里，然后起到調蓄水量，避免峰值過大，或者是儲存水量以備以后凈化回用，當水流超過調蓄最大流量時會從溢流口排出。有時候調蓄池甚至可以當作河流水的沉淀池使用。實際工程應用中，調蓄池的抗浮方式主要有配重抗浮、錨固抗浮、樁基抗浮、降水抗浮和觀察井抗浮等。以經濟合理、安全可靠為原則，結合場地的巖土工程地質條件和水池結構形式，抗拔錨桿技術是以錨桿提供抗拔力，抵抗地下水浮力與水池自重的差值。相比其它抗浮方式，錨固抗浮受制于場地地層特性和水池結構布置。錨桿一般可按理想的抗拉構件進行設計，可忽略其受壓狀態(tài)，錨桿長度根據地層條件在設計和施工階段作自由調整。

1 工程概況

深圳某河道工程擬在其河口位置新建污水調蓄池，調蓄池容積7000m3，占地面積約2000m2。其地層情況由上至下為：人工填土層，淤泥質粉質黏土層，礫質黏性土，強風化花崗巖層，中風化花崗巖層。根據實際滿足承載力要求的情況，選擇強風化花崗巖層為持力層，各地層巖土基本物理力學參數值見表1[1]。

2 常用抗浮措施

由于調蓄池選址位置位于水庫淹沒區(qū)，水庫正常蓄水位為28.7m，而調蓄池建基面高程為21.7m。當工況為調蓄池無水，而池外水位為28.7m(水深7m)時，調蓄池靠其自重無法滿足抗浮穩(wěn)定。需要考慮增加其它抗浮措施。本節(jié)介紹PHC抗拔管樁、壓重抗浮以及抗拔錨桿等3種抗浮措施，分析其優(yōu)缺點。

表1 巖土基本物理力學參數建議值

2.1 PHC抗拔管樁

PHC抗拔管樁的優(yōu)點在于其機械化施工，施工周期短；適用于土層較厚的區(qū)域；可靠性高，可同時加固地基，對地基不好的情況尤為適用[2]。

PHC抗拔管樁的缺點是工程投資相對較大，沉樁過程中對周邊區(qū)域有一定影響，樁長較長時，要嚴格控制接樁部位的施工質量。

2.2 抗拔錨桿

抗浮錨桿施工工藝原理抗浮錨桿，是指建筑物重力及其與周邊土體摩擦力之和小于地下水對其浮力時，而采取的基礎樁體。

抗浮錨桿是根據設計要求在基槽內鉆孔，向孔內注入混凝土，混凝土必須充實整個樁孔，然后在抗浮樁孔內植入錨桿鋼筋，鋼筋應對準抗浮樁中心，并將設計用的鋼筋預留一定長度，然后澆筑筏板基礎混凝土，當筏板混凝土強度達到設計強度100%后，將工程主體與抗浮樁錨固在一起，工程主體接受的抗浮力是一種合力，其中抗浮樁貢獻了很大一部分，這樣就解決了工程主體向上漂浮的問題。

其優(yōu)點在于可以充分利用上部結構傳來的豎向力來平衡掉一部分水浮力；由于錨桿布置集中，有很強的抵抗力。面狀均勻布置，在地下室底板下均勻布置，適用于所有土體和巖體；地下室底板梁板配筋較小。

缺點是要求錨固于較硬巖體中，不適用于軟巖與土體，地下室底板板配筋較大。

抗拔錨桿的優(yōu)點在于其工藝成熟，抗拔錨桿施工方便；投資相對較低。

抗拔錨桿的缺點是對于個別錨桿承載力不足的情況，由于能分擔的錨桿較少，此情況抵抗力差，同時本工程巖層較深，采用抗拔錨桿，長度較長。

由于錨桿布置相對分散，對于地下室底板下的外防水施工比較麻煩。

2.3 壓重抗浮

壓重抗浮主要的過程是采用在調蓄池的內部與、頂部或者調蓄池底外挑墻底部增加負重來實現抗浮。

壓重抗浮需要足夠深的池體，然后在調蓄池內部澆筑壓重混凝土或者填筑其它壓重材料，用于實現抗浮的效果。

這樣的方法需要加大基坑深度與調蓄池壁的高度，增加壓力值，對地基承載力應復核。卻不會加強池底受到的荷載不勻稱反作用力，影響底板的內力不大，但會增加基坑的支護和基坑降水費用。

3 抗浮設計

3.1 浮力計算

計算浮力的水位，根據高水位或驗算施工階段抗浮的相應水位確定。調蓄池所受的浮力等于它排開水的重量[4- 5]：

F=AH1γωg

(1)

式中，A—包括挑出部分的調蓄池底板面積，m2；γω—水密度，t/m3，一般取1，海水取1.03，水含泥沙量較大時，取1.05；H1—底板底面至水面高度，m。根據上式可以算出該調蓄池在水深7m時所受浮力為137.2×103kN。

當地基為基巖時，應將上式結果乘以面積系數K0，即F=K0AH1γω。一般取K0=0.8～1。目前在許多工程中，由于無確切地質資料，仍取K0=1[4]。

3.2 抗浮方案的選擇

考慮到該調蓄池工程的實地情況，由于調蓄池所處的地層為粗砂礫巖、強風化花崗巖等，加之工程預算有限，PHC抗拔管樁、壓重抗浮措施造價較高，不滿足本工程施工要求。因此考慮抗浮錨桿的施工造價相對低廉、工程可靠性高、操作方便、可以適應水位的不斷變化等特點，采用抗浮錨桿用于本調蓄池的抗浮施工設計中。錨桿的桿體多使用鋼絞線，或者螺紋鋼筋，在螺紋鋼筋內部灌入水泥漿等材料[5]。

該調蓄池的主要結構基礎處于粗礫砂層之中，結構處于的基底相距中風化地層3～5m，在充分考慮工程的經濟效益與適用性，本工程的抗浮設計采取螺紋鋼筋錨桿，底板梁上的錨桿需要分布均勻。結構的抗浮力包括了2個方面，其一是自重，其二是抗浮錨桿的抗拔力。

已知混凝土容重為25kN/m3，調蓄池圍墻與池底厚度為600mm，計算獲得本調蓄池自重為46353kN，單根錨桿抗拔力為P(kg)，可以依據下述公式進行計算[4]：

P=πd1LR1

(2)

式中，d1—錨桿直徑，cm，本次取15cm；L—錨桿的有效錨固長度，cm，本次取5m；R1—砂漿與巖石間的容許粘結力，kg/cm2，本次取4.5。計算獲得單根錨桿抗拔力為105975kg，即1038kN。

錨桿抗浮力總和與調蓄池浮力之間需滿足公式：

∑Gt/F≥Kt

(3)

式中，∑Gt—所有抗浮力總和；Gt=nP，n—錨樁數；F—調蓄池浮力，本文取137.2×103kN；Kt—安全系數，一般取值范圍為1.05～1.15。

[(1038n)+46353]/137200≥1.05

計算n≈94.1=95，因此本調蓄池需要布置至少95根錨桿。

嵌入地下的錨桿由于地下環(huán)境因素，地下水會腐蝕到錨桿本身，因此在設計過程中對防腐措施的問題應該重點考慮[6- 8]。

使用的錨桿特點是全長粘結性錨固體，頂部與主體結構連接處是需要重點進行防腐措施的位置，因為這個位置在施工灌漿過程中，土一側的約束常常有限，導致了灌漿不飽滿情況的出現，底板的施工也會導致錨桿頂受到破壞，以上的不利因素均會使得水體侵入錨桿以致于腐蝕發(fā)生。

為了消除上述錨桿腐蝕帶來的不利因素，可以采取下述技術措施[9- 10]：

(1)桿體鋼筋表面均全長涂刷環(huán)氧樹脂涂層，對鋼筋進行保護；

(2)錨桿頂部取消設置C15混凝土墊層，采用C20細石混凝土澆筑成倒錐形，澆筑底板混凝土前對其頂面糙化處理，加大、加強接觸面。

錨桿圖如圖1所示。

圖1 單錨桿大樣圖

4 結語

調蓄池是一項規(guī)模浩大的地下結構工程，其受力因素復雜多變，在計算其抗浮作用時，常規(guī)的二維模型已難以滿足精度需要。需要結合三維模型來確定極限工況條件下的計算結果。調蓄池的抗浮驗算過程不應該被忽視，從經濟性與適宜度的方面來確定抗浮措施。

本文選擇抗拔錨桿作為抗浮措施，經過計算，該調蓄池為達到抗浮需要，所需錨桿數量應不少于95根。同時嵌入地下的錨桿防腐措施也需要重點考量。調蓄池的設計中還應注意混凝土的配合比、摻合料的選用以及后期施工養(yǎng)護方面的問題，盡可能保證調蓄池結構抗浮能力穩(wěn)定性。