地下建筑物的盲溝排水抗浮設計與施工

盧 剛, 楊成斌, 馬俊超, 肖立平, 楊弋濤

(合肥工業(yè)大學 資源與環(huán)境工程學院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

地下建筑物結構一般形成封閉的箱體,由于地下水的存在,在水壓力作用下會受到向上的水浮力作用。在地下建筑物抗浮設計中一般需要進行整體抗浮設計和局部結構構件抗浮設計[1]。目前,在地下建筑物結構抗浮設計中,采用的設計方法和措施主要有抗浮錨桿法、抗拔樁法、增加結構自重(或配重)法及傳統(tǒng)盲溝排水法。

抗浮錨桿因具有造價低廉、施工方便、受力合理等優(yōu)點而被廣泛使用。但目前,抗浮錨桿的設計、施工及檢測尚無專門的現(xiàn)行規(guī)范可遵循,因此設計必須以試驗為前提,在理論計算后選型,試樁取得相應的現(xiàn)場數(shù)據(jù)后再根據(jù)實際能達到的承載力調(diào)整抗浮錨桿設計[2]。

抗拔樁法是利用樁的抗拔承載力抵抗地下建筑物水浮力的抗浮設計方法?？拱螛独脴秱茸枇ζ鹂拱巫饔?其抗拔能力與樁型、樁徑、樁長及周圍地質條件有關,其抗拔承載力應通過現(xiàn)場抗拔靜載荷試驗確定[1]?？拱螛对谑┕ず褪褂眠^程中受環(huán)境和施工條件影響較大,造價相對較高。

增加結構自重(或配重)法一般是由于結構自身的重量小于地下水對地下建筑物結構的水浮力，導致后者抗浮能力不足而采取的抗浮方法,即增加結構自身重量或在結構上部布置配重[1]。

上述這些抗浮設計方法主要是以增加結構構件的承載力或者增大結構自身的重量來被動抵抗地下水對地下室結構的水浮力,一般設計參數(shù)需要檢驗,工程造價較高。

盲溝排水法是一種主動的降(排)水措施,是最科學的降水措施。盲溝的做法可分為有濾管盲溝和無濾管盲溝[3]。傳統(tǒng)盲溝排水法大部分采用塑料管加濾網(wǎng)形式,由于塑料管抗壓強度較低,存在腐蝕和老化問題,在長期受到上部荷載作用時容易產(chǎn)生變形,導致過水斷面變小甚至整個排水系統(tǒng)失效。

為了解決以上傳統(tǒng)塑料管盲溝存在的問題,本文提出一種新型盲溝排水抗浮設計。該新型盲溝排水抗浮設計由粗砂反濾層、土工布反濾層及碎石排水溝組成。

該盲溝排水減浮結構構造簡單、因地制宜,施工簡便、成本較低,能有效降低地下建筑物抗浮水位,可主動解決施工過程和正常使用中不同工況下的抗浮要求[4]。

1 盲溝設計

1.1 設計原理

地下建筑物浮力的大小與地下水位有關。當?shù)叵滤×_到一定數(shù)值時,可能引起建筑物整體上浮或者建筑物局部結構構件的破壞,而且一旦發(fā)生破壞,修復比較困難。因此,有效降低建筑物抗浮水位是抗浮設計最有效的方法。新型盲溝排水抗浮設計是利用地下水的水壓力主動降低建筑物抗浮水位,從而釋放部分(或全部)水浮力[1]。該設計主要由級配碎石組成一個滲水的排水通道。地下建筑物四周設盲溝,放置在地下建筑物抗浮水位以下,通過盲溝排除地下建筑物外部地下水。

新型盲溝排水抗浮設計利用地下水的水壓力自動降低地下建筑物水位,使地下建筑物外部水位低于抗浮水位,以保障地下建筑物不上浮[5]。使用靜止水壓力和機械(抽水泵)提升動力[2]。

1.2 盲溝的構造設計

盲溝斷面設計如圖1所示。

圖1中,hc1為溝底設在不透水層上時,含水層內(nèi)地下水位的高度;hc2為溝底設在不透水層內(nèi)時,含水層內(nèi)地下水位的高度;hg1為溝底設在不透水層上時,盲溝內(nèi)的水流深度;hg2為溝底設在不透水層內(nèi)時,盲溝內(nèi)的水流深度;hs為溝底距不透水層頂面較遠時,盲溝位置處地下水位的下降幅度;Ls為地下水位受盲溝影響而降落的水平距離。

圖1 盲溝斷面設計

圖1中,盲溝的斷面尺寸應當根據(jù)盲溝設計的輸水能力而定[6];盲溝的底寬一般不小于30 cm,深不小于40 cm。如果斷面過小，就容易被泥砂淤塞,失去輸水作用[6]。

圖1中,設置粗砂濾層的目的是阻止泥沙進入盲溝和淤堵土工布,防止碎石戳破土工布[7];設置土工布濾層的目的是過濾地下水中的泥砂,阻止泥砂進入盲溝,確保盲溝內(nèi)地下水滲流通暢;設置的碎石排水層采用級配碎石材料。本文實施效果案例中使用的碎石按照粒徑大小分為3組,3組的質量百分比為2∶5∶13,其粒徑分別為2～5、5～10、10～20 mm。該級配碎石材料抗壓強度高,孔隙率大,可減小盲溝內(nèi)地下水滲流阻力,使?jié)B流通暢,流動速度加快。試驗研究證明,當級配碎石空隙率在7.5%以上時,滲透系數(shù)可達到1×10-1cm/s以上[8]。

1.3 盲溝的布置

盲溝的布置方案多種多樣,根據(jù)地下建筑物的面積大小、場地的自然水位高低、地區(qū)的平均降水量及土壤的滲透系數(shù)來綜合確定。一般要求如下:

(1) 分別布置主盲溝和支盲溝,形成完善的地下排水系統(tǒng),使其接近原有自然排水環(huán)境。

(2) 在設置排水盲溝時,設計必須基于現(xiàn)場施工測量結果,以不改變或破壞原有流向為原則。

(3) 設計盲溝走向時,主、支盲溝連接走向和原有地勢走向順接。

布置示例1:由一條主盲溝和多條單向支盲溝組成帶狀結構,適用地下建筑物面積不大,場地排水要求不高的情況,如圖2所示。帶狀結構的盲溝可埋設在建筑物底部,也可埋設在建筑物四周,形成矩形構造。

圖2 單向帶狀盲溝

布置示例2:由一條主盲溝和多條雙向支盲溝組成帶狀結構,適用于地下建筑物面積稍大,場地排水要求一般的情況,如圖3所示。根據(jù)實際場地的需要,也可設多條主盲溝,在主盲溝的兩端加設集水井,形成格柵狀構造。

圖3 雙向帶狀盲溝

布置示例3:不區(qū)分主盲溝和支盲溝,由多條盲溝交錯形成網(wǎng)狀結構,適用于地下建筑物面積大、場地排水要求高的情況,如圖4所示。根據(jù)實際場地需要,盲溝可設計成垂直相交或斜向相交,為了提高排水能力,可在盲溝外圍增設集水井。

圖4 網(wǎng)狀盲溝

2 盲溝施工

2.1 施工工藝流程

盲溝施工工藝流程圖如圖5所示。

圖5 盲溝施工工藝流程圖

2.2 施工要點

2.2.1 施工準備

施工前應組織相關施工人員及操作人員熟悉施工圖紙內(nèi)容,了解相關施工工藝、技術指標、驗收標準、檢驗方法等,進行施工前的技術交底工作。

對設計盲溝沿地勢測設高程,推算出出水口的高程是否滿足設計要求:主盲溝和支盲溝的縱向坡度應不小于0.6%,出水口底面標高應高出盲溝外最高水位20 cm。

根據(jù)施工范圍、工程量及工程進度要求,配備足夠的施工機械、操作班組及管理人員。

2.2.2 溝槽開挖

開挖前應測量放樣,根據(jù)施工平面定位布置圖,由測量員進行施工測量放線。在基坑內(nèi)定出盲溝的開挖邊線,增設施工平面、高程控制樁,并根據(jù)溝槽設計及土質情況計算出開槽寬度和深度(盲溝溝底高程和盲溝截面尺寸是關鍵)[7]。

測量放線后,開挖溝槽。由人工挖掘控制挖掘深度。

開挖溝槽時,同時采取防水和排水措施,防止溝槽底部泡在水中。開挖過程中,溝槽暴露時間應該盡量減少。開槽后,若不能立即進行下一道作業(yè),則應保持溝槽底部10～30 cm厚的土層不開挖。若發(fā)生超挖,則應按設計要求進行回填。

溝槽開挖到設計深度后,采用打夯機配合人工夯實溝底土基。

2.2.3 土工布、粗砂反濾層的鋪設

(1) 鋪設土工布時,先在底部鋪設5～8 cm厚的粗砂,將土工布鋪設到底部及兩側溝壁指定位置,并預留頂部覆蓋所需土工布長度,縱向或橫向的搭接縫應交替錯開,搭接長度不應小于0.3 m[9]。

(2) 土工布應與土層表面緊密貼合,土層表面應盡量平整,對于有凹凸不平的地方需用砂料找平。

(3) 碎石鋪至溝頂一定距離(10 cm左右)即可覆蓋土工布,如圖6所示。

圖6 土工布包裹級配碎石

將預留的土工布沿碎石表面覆蓋搭接,搭接長度符合要求,并順水流方向搭接。

(4) 在鋪設好的土工布頂部鋪設8～10 cm粗砂濾層,頂面要與基礎底面標高持平。

(5) 在整個鋪設過程中必須保證土工布不受損壞,必須謹慎快速對鋪好的土工布進行及時覆蓋,對于破損的土工布應視情況及時修補、更換。

2.2.4 集水井開挖與砌筑

集水井施工步驟:測量放線→集水井開挖→底部素混凝土澆筑→井壁鋼筋制作安裝→井壁模板固定安裝→井壁混凝土澆筑→集水井蓋板制作安裝→集水井驗收。

井壁鋼筋安裝前,由測量人員給出集水井中心位置和高程,施工人員標出每根鋼筋安裝位置;澆筑井壁混凝土時,應分層澆筑,每層厚度不宜大于30 cm,澆筑完成后,應人工收面磨平。

2.2.5 抽水泵安裝與調(diào)試

抽水泵安裝高度是關鍵,要根據(jù)集水井有效容積確定,安裝時應保證抽水泵距井底10～15 cm。抽水泵吸水管要嚴格密封,不能漏氣、漏水。

3 實施效果

3.1 工程概況

合肥市某居住區(qū)項目二標段3#樓工程位于合肥市濱湖新區(qū)。地上23層,地下2層,總建筑面積為12 564.70 m2。該項目規(guī)劃總用地面積6 615.15 m2。地下室外墻及頂、底板混凝土強度等級C30,抗?jié)B等級S6?；A形式擬采用滿堂基礎。結合車庫頂面綠化覆土進行抗浮設計。建設場地地勢較低且較平坦,取室外設計地坪下0.50 m作為抗浮設防水位。

由于該工程室內(nèi)空間較小,故在基礎周邊設置4條單向帶狀盲溝,室內(nèi)布置三橫三縱網(wǎng)狀盲溝,在轉角處設置集水井。該項目的盲溝斷面設計如圖7所示(單位為mm)。

圖7中,盲溝斷面設計成類似于梯形,自上而下各層分別為:① 回填土層;② 粗砂濾層,該層厚度設計為在碎石排水溝上、下各50 mm;③ 碎石排水溝,厚度為300 mm,其外用土工布包裹;④ 原狀土層。

圖7 盲溝斷面設計示意圖

3.2 確定滲水流量

在該項目場地,同時進行黏性回填土淋水密實現(xiàn)場試驗,土層中含水層滲透系數(shù)取為3.6×10-7m/s,設計水位高于盲溝5.5 m,溝底坡度2%,初步確定縱向盲溝間距為18.6 m,單條盲溝長度為80 m;橫向盲溝間距為20 m,單條盲溝長度為74.4 m。

地下水滲入盲溝內(nèi)的流量計算,主要依據(jù)是滲流定律。該實施案例中的不透水層位置較深,盲溝溝底距不透水層頂面較遠,且不透水層的橫向坡度平緩,溝底位于含水層內(nèi),則溝底會有水滲入,在計算過程中均認為土是均質各向同性的,滲透系數(shù)在水平及豎直方向相等[10]。單位長度盲溝流量的計算公式為:

(1)

其中:Qs為單位長度盲溝的流量;kh為含水層材料的滲透系數(shù),取3.6×10-7m/s;hs為盲溝位置處地下水位的下降幅度,取5.1 m;Ll為兩相鄰盲溝間距的1/2,縱向取9.3 m,橫向取10 m;I0為地下水位降落曲線的平均坡度[11]。

計算得:I0=0.556,Ls=9.170 m。

將相關參數(shù)取值代入(1)式計算縱向(或橫向)單位長度盲溝流量Qs1(或Qs2),可得:

Qs1=4.20×10-6m3/(s·m),

Qs2=4.75×10-6m3/(s·m)。

縱向(或橫向)每條盲溝排水量Q1(或Q2)的計算公式為:

Q1=Qs1L,Q2=Qs2L

(2)

其中，L為單條盲溝長度,該項目縱向取值為80.0 m,橫向取值為74.4 m。將相關參數(shù)取值代入(2)式計算得:

Q1=3.360×10-4m3/s,

Q2=3.534×10-4m3/s。

盲溝總滲水流量計算公式為:

Qs總=n1Q1+n2Q2

(3)

其中,n1、n2分別為縱向、橫向盲溝條數(shù),該項目縱向、橫向均為5條。將相關參數(shù)取值代入(3)式計算得:Qs總=298 m3/d。

通過上述計算可以發(fā)現(xiàn),盲溝滲流量受土的性質、地下水位、盲溝間距等參數(shù)影響,滲透系數(shù)的大小對結果影響較大,由于計算參數(shù)的精度有限,設計滲流量應結合當?shù)亟?jīng)驗確定。

3.3 降水效果

盲溝抽水采用水泵,每臺設計額定流量為107 m3/h。抽水量隨不同環(huán)境、不同天氣及周邊影響有所不同,抽水頻率為每天早、晚各抽1次,總計每天抽水量為130～210 m3/d。其補給來源主要是大氣降水和地表水徑流滲入,水位隨補給來源多少而升降。

通過確定滲水流量的結果和降水效果可以看出,理論計算的滲水流量與實際抽水量有較大差別,按理論計算的安全系數(shù)較高。本新型盲溝排水抗浮設計技術在國內(nèi)應用研究較少,應通過工程實踐和長期的經(jīng)驗積累,使盲溝設計趨于完善。

3.4 經(jīng)濟性分析

該項目要求是降低抗浮水位,采用傳統(tǒng)塑料管盲溝排水和本文新型盲溝排水2種方案進行設計,并對比其經(jīng)濟性。在傳統(tǒng)塑料管盲溝排水設計中,初步確定塑料管盲溝總長度為772 m,其盲溝斷面設計如圖8所示(單位為mm)。

圖8 塑料管盲溝斷面設計示意圖

圖8中,塑料管盲溝斷面設計為矩形,斷面尺寸選定為:長500 mm,寬300 mm。按盲溝斷面自上而下各層分別為:① 地下室底板;② 混凝土墊層;③ 碎石層,厚度為300 mm;④ 碎石墊層,厚度為150 mm;⑤ 塑料盲管,主管直徑為400 mm,支管直徑為250 mm,具體使用視地下水情況而定,其外用土工布包裹。

傳統(tǒng)盲溝排水材料用量如下:直徑250 mm管材總長為307.5 m,直徑400 mm管材總長為464.5 m。新型盲溝排水的材料用量如下:粗砂78 t,碎石196 t,土工布1 435.2 m2。2種方案的成本分析對比見表1所列。

表1 2種盲溝排水方案成本分析對比 單位:元

與傳統(tǒng)盲溝排水法相比,新型盲溝排水抗浮設計技術避免了塑料管產(chǎn)生變形,導致過水斷面變小,可形成永久性地下連通排水通道。由表1經(jīng)濟效益對比可知,新型盲溝排水抗浮設計技術比傳統(tǒng)盲溝排水法節(jié)省費用約40%,經(jīng)濟效益顯著。因此，該項目最終使用地下建筑物的盲溝排水抗浮設計技術來滿足地下室抗浮,其降水效果明顯,排水長期穩(wěn)定,得到建設單位和業(yè)主認可。

4 結 論

地下建筑物的盲溝排水抗浮設計技術是在傳統(tǒng)盲溝排水法的基礎上改良而來的新型盲溝排水方法。該技術結合工程實際工況進行排水系統(tǒng)設計,能在施工階段和工程使用過程中形成永久性地下連通排水通道,有效降低地下水位,優(yōu)化了地下建筑物施工環(huán)境和地下結構工程使用環(huán)境,并有利于提高地下建筑物的抗浮能力。

該地下建筑物的盲溝排水抗浮設計技術因地制宜、就地取材,施工簡便、成本較低,排水效果可靠,符合綠色施工要求,并且不產(chǎn)生腐蝕、淤塞及排水斷面失效的情況,與傳統(tǒng)盲溝排水法以及其他抗浮設計方法相比,具有更好的推廣應用價值。