車庫運(yùn)營期地下水泄水量估算及環(huán)境影響分析

張 明，李夢(mèng)輝

(河南工程學(xué)院 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

地下車庫已成為城市建設(shè)的重要部分之一。當(dāng)?shù)叵萝噹旖ㄔO(shè)區(qū)水位較高且存在強(qiáng)透水土層時(shí)，地下車庫受到的浮力很大，很容易造成車庫上部結(jié)構(gòu)及周邊建構(gòu)筑物不均勻上浮與開裂等破壞。合理的抗浮設(shè)計(jì)方案能夠有效抵御不均勻上浮。車庫覆土自重加泄水抗浮是常用的抗浮設(shè)計(jì)方案之一，采用該方案前必須解決如下關(guān)鍵問題：(1)地下車庫基坑在圍護(hù)結(jié)構(gòu)與止水結(jié)構(gòu)長期存在條件下泄水量的估算；(2)地下車庫抽排水引起場(chǎng)地地下水滲流場(chǎng)變化對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生的影響。

已有文獻(xiàn)對(duì)地下車庫抗浮失穩(wěn)原因與加固處理措施的研究較多，而對(duì)上述兩個(gè)問題的研究較少。孫會(huì)超等[1]結(jié)合地下車庫抗浮引起的大量構(gòu)件開裂破壞，對(duì)地下車庫降水、結(jié)構(gòu)選型、抗浮計(jì)算、結(jié)構(gòu)浮起破壞機(jī)制、加固方法進(jìn)行了探討。王宇陽等[2]從多方面對(duì)丹東某地下車庫上浮失穩(wěn)實(shí)例進(jìn)行研究，分析了事故發(fā)生的原因，提出了地下室抗浮加固處理措施，如設(shè)置抗浮錨桿，地下室樓頂板、地下室柱與底板加固等。林其樂等[3]利用有限元法建立了水位循環(huán)變化對(duì)地下車庫影響的計(jì)算模型，計(jì)算分析地下水位線變化過程中，底板和承臺(tái)的應(yīng)力變化、沉降變化及兩者接觸處的受力情況，提出了減少地下水位循環(huán)變化對(duì)地下車庫影響的建議。殷志遠(yuǎn)[4]探討了蘇南地區(qū)某單層地下車庫的抗浮設(shè)計(jì)方案，對(duì)常用的自重抗浮、減壓抗浮、樁錨抗浮等方案進(jìn)行了分析。李偉玲[5]結(jié)合地下車庫工程實(shí)例，對(duì)常用的抗浮措施加以探討，對(duì)設(shè)抗浮樁的車庫上浮事故采用有限元法進(jìn)行了分析，并探討了相應(yīng)的處理方法。程路海等[6]分析了暴雨后某住宅小區(qū)車庫上浮導(dǎo)致框架柱破壞的主要原因，并提出了相應(yīng)的永久加固措施。

本研究結(jié)合地下車庫覆土自重加泄水抗浮設(shè)計(jì)方案，采用有限元法對(duì)車庫地下水滲流場(chǎng)進(jìn)行模擬與計(jì)算，估算地下車庫運(yùn)營期間地下水泄水量，評(píng)價(jià)長期抽排水對(duì)地下車庫周邊環(huán)境的影響。

1 工程背景

1.1 工程概況

某地下車庫位于中心廣場(chǎng)，擬開挖基坑南北長167.8 m，東西長176.2 m，北側(cè)、南側(cè)與市政道路相鄰。地下車庫為地下二層，建筑面積為59 400 m2，停車位1 530個(gè)。地下車庫采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土下埋式結(jié)構(gòu)，采用無梁式筏板基礎(chǔ)，板厚600 mm。地下車庫的抗浮設(shè)計(jì)是該工程要解決的難點(diǎn)之一?？紤]如下兩種抗浮設(shè)計(jì)方案：(1)采用抗拔樁兼作承載樁；(2)采用抽水減浮方案。經(jīng)過比較，擬選用抽水減浮方案，采用該方案的關(guān)鍵在于確定每日泄水量和長期抽排水對(duì)周圍環(huán)境的影響。

1.2 車庫周邊環(huán)境

地下車庫位于居住區(qū)中部，東、南、西面均為住宅區(qū)，北面為游泳池、網(wǎng)球場(chǎng)及其附屬管理用房，中部為下沉式廣場(chǎng)，地鐵3號(hào)線折返部分從車庫中部通過，地鐵頂面標(biāo)高為-5.58 m，與地下車庫的地下二層地面標(biāo)高一致，即車庫位于地鐵上部，其典型地質(zhì)斷面及周邊環(huán)境如圖1所示。

圖1 車庫典型地質(zhì)斷面及周邊環(huán)境

1.3 工程地質(zhì)與地下水條件

(1)第四系孔隙潛水主要賦存于海積砂層及沿線砂(礫)質(zhì)黏土層，埋深2.1～5.3 m，以孔隙微承壓水為主，主要由大氣降水補(bǔ)給。受季節(jié)、潮汐影響，車庫附近有海水入侵，使得地下水微咸。第四系孔隙潛水水量較豐富，水質(zhì)易被污染。

(2)基巖裂隙水較發(fā)育，廣泛分布在花崗巖的中-強(qiáng)風(fēng)化帶及構(gòu)造節(jié)理裂隙密集帶。富水性因基巖裂隙發(fā)育程度、貫通度、膠結(jié)程度、與地表水源的連通性而變化，主要由大氣降水、孔隙潛水補(bǔ)給，局部具有承壓性。車庫鄰近海邊，遇暴雨時(shí)部分地表積水，根據(jù)設(shè)計(jì)單位提供的抗浮設(shè)計(jì)方案，車庫的抗浮水位為低洼處的地表高程，取黃海高程絕對(duì)標(biāo)高4.3 m。

1.4 基坑支護(hù)與抗浮設(shè)計(jì)方案

車庫基坑深度為12 m，采用中心島開挖方案，先施工地下連續(xù)墻，內(nèi)側(cè)放坡開挖，開挖到坑底后施做中部主體結(jié)構(gòu)，中部主體結(jié)構(gòu)采用自下而上的順筑法施工。中部主體結(jié)構(gòu)施工完畢后，采用逆作法施工放坡段主體結(jié)構(gòu)。地下連續(xù)墻厚800 mm，深度為16.95～20.45 m，嵌固深度分別為6.0 m、6.5 m和9.5 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為水下C30，抗?jié)B標(biāo)號(hào)S8，可以達(dá)到隔水要求，在滲流計(jì)算中可作為不透水層。

抗浮設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)自重(含覆土)加泄水抗浮方案。該方案設(shè)計(jì)水位降深3.4 m(高程從4.3 m降至0.9 m)，采用等代大井法計(jì)算車庫地下室范圍每天最大涌水量為900 m3，擬設(shè)8個(gè)取水口(8根立管)，估算立管中最大流速為5 m/min。車庫泄水系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 車庫泄水系統(tǒng)

2 車庫地下水泄水量估算及環(huán)境影響

2.1 計(jì)算分析方法及基本假定

地下車庫運(yùn)營期內(nèi)，地下連續(xù)墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，對(duì)車庫地下室抗浮設(shè)計(jì)中抽排水量和浸潤線位置產(chǎn)生很大影響，故不能簡(jiǎn)單地采用等代大井法計(jì)算滲流量，而是采用有限元等數(shù)值方法進(jìn)行滲流場(chǎng)的模擬與計(jì)算?；炯僭O(shè)如下：

(1)基坑開挖面接近正方形，簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱圓形計(jì)算，根據(jù)面積相等原則，等效半徑為96.4 m；(2)各土層滲透系數(shù)各向同性；(3)基于安全考慮，不考慮地鐵和車庫周邊建構(gòu)筑物地下室對(duì)地下水的遮擋效應(yīng)。

具體計(jì)算與分析步驟如下：

(1)由于車庫基坑周邊場(chǎng)地土層變化較大，選取有代表性的8個(gè)斷面，采用有限元滲流計(jì)算軟件計(jì)算出各斷面周邊場(chǎng)地的浸潤線和單位寬度滲流量，對(duì)8個(gè)斷面的計(jì)算結(jié)果按斷面代表寬度取加權(quán)平均。

(2)將浸潤線與原地下水位比較計(jì)算基坑外周邊場(chǎng)地地下水降深。由地質(zhì)報(bào)告和地區(qū)經(jīng)驗(yàn)可知，場(chǎng)地內(nèi)地下水主要分為上層潛水和下層基巖裂隙水，兩者的聯(lián)系不甚緊密，表現(xiàn)為基巖裂隙水一般為承壓水(微承壓)，降水僅考慮上層孔隙潛水含水層，上、下層地下水的分界線定為中風(fēng)化基巖底面。

(3)采用有限元軟件計(jì)算降水曲線上因降水增加的有效應(yīng)力和場(chǎng)地沉降，計(jì)算原理見文獻(xiàn)[8]。

2.2 計(jì)算分析斷面及土層計(jì)算參數(shù)

選取地下車庫場(chǎng)地周邊8個(gè)斷面，各斷面位置如圖3所示，各斷面對(duì)應(yīng)勘察報(bào)告中相應(yīng)鉆孔。結(jié)合勘察報(bào)告與工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[7]，各土層計(jì)算參數(shù)如表1所示。

圖3 斷面位置

表1 土層計(jì)算參數(shù)

采用舒爾茨-梅經(jīng)巴赫的經(jīng)驗(yàn)公式[9]估算沖洪積土的壓縮模量Es:

Es=4.0+A(N63.5-6)，N63.5>15，

(1)

Es=A(N63.5+6)，N63.5<15，

(2)

式中：N63.5為標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)；A為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。不同土類A值見表2。

表2 不同土類的A值

采用規(guī)范推薦公式[10]估算表1中的全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化花崗巖變形模量E0:

E0=αN63.5,

(3)

式中：α取2.0。

2.3 車庫運(yùn)營期的滲流場(chǎng)與抽排水量估算

限于篇幅，本節(jié)僅列出車庫運(yùn)營期斷面1-1′、4-4′處滲流場(chǎng)和抽排水量的計(jì)算結(jié)果，以及圍護(hù)結(jié)構(gòu)周邊場(chǎng)地降水產(chǎn)生的沉降。

2.3.1斷面1-1′的計(jì)算結(jié)果

斷面1-1′采用鉆孔Z3B-TCYT-42的地質(zhì)資料，由于地下連續(xù)墻墻底的滲流，圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)水位發(fā)生變化。該斷面代表的計(jì)算寬度為86.5 m。有限元幾何模型如圖4所示(x表示沿車庫長度方向，y表示沿車庫地表深度方向)。

圖4 斷面1-1′有限元幾何模型

車庫運(yùn)營期斷面1-1′坑外浸潤線和滲流場(chǎng)矢量圖見圖5。浸潤線因受地下連續(xù)墻隔水作用影響，與普通降水井的浸潤線有較大差異。圖5中斷面單位弧度滲流量為40.795 m3/d，以此斷面為標(biāo)準(zhǔn)斷面計(jì)算的總滲流量為該值乘以2π，即255.7 m3/d。周邊場(chǎng)地水位最大降深為1.1 m，圍護(hù)結(jié)構(gòu)周邊場(chǎng)地因降水產(chǎn)生的最大沉降為12.1 mm。

圖5 斷面1-1′坑外浸潤線和滲流場(chǎng)矢量圖

2.3.2斷面4-4′的計(jì)算結(jié)果

斷面4-4′采用鉆孔Z3B-TCYT-22的地質(zhì)資料，該斷面代表的計(jì)算寬度為121.4 m，有限元幾何模型如圖6所示(x表示沿車庫長度方向，y表示沿車庫地表深度方向)。車庫運(yùn)營期4-4′斷面坑外穩(wěn)定滲流流速矢量圖、浸潤線及單位寬度滲流量如圖7所示。圖7中單位弧度滲流量為3.708 7 m3/d，以此斷面為標(biāo)準(zhǔn)斷面計(jì)算的總滲流量為23.3 m3/d，浸潤線最大降深為0.3 m。計(jì)算得到此斷面的涌水量較小是因?yàn)榭拥状嬖谳^厚的淤泥質(zhì)黏土、該層的滲流系數(shù)較小，圍護(hù)結(jié)構(gòu)周邊場(chǎng)地因降水產(chǎn)生的最大沉降為10.5 mm，距離地下車庫15 m處的場(chǎng)地因地下室長期抽水產(chǎn)生的沉降僅為4.6 mm。

圖6 斷面4-4′有限元幾何模型

圖7 斷面4-4′坑外穩(wěn)定滲流流速矢量圖和浸潤線

2.4 主要計(jì)算結(jié)果及影響評(píng)價(jià)

通過滲流有限元軟件計(jì)算和相關(guān)分析，8個(gè)斷面的計(jì)算結(jié)果如表3所示。表3中綜合單位滲流量qd采用如下公式計(jì)算：

qd=∑qi×μi。

(4)

總滲流量Q按下式計(jì)算：

Q=qd×2π。

(5)

表3中總滲流量為303.8 m3/d，對(duì)應(yīng)浸潤線最大降深為2.8 m?？紤]到土工參數(shù)的變異性和場(chǎng)地條件的不確定性，可取2倍計(jì)算滲流量，則總泄水量為607.6 m3/d(抽水量設(shè)計(jì)安全系數(shù)取2)。

表3 8個(gè)斷面計(jì)算結(jié)果

車庫周邊場(chǎng)地因降水產(chǎn)生的沉降如表4所示。

表4 車庫周邊場(chǎng)地因降水產(chǎn)生的沉降

3 結(jié)論

結(jié)合地下車庫抽水減浮設(shè)計(jì)方案與工程條件，采用有限元滲流計(jì)算方法，對(duì)地下車庫運(yùn)營期基坑內(nèi)抽排水量和地下水滲流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，評(píng)價(jià)抽排水對(duì)車庫周邊環(huán)境的影響，得到如下結(jié)論：

(1)地下車庫運(yùn)營期平均總滲流量為303.8 m3/d，工程設(shè)計(jì)抽排水量可取2倍計(jì)算，即607.6 m3/d。

(2)浸潤線因受地下連續(xù)墻隔水作用影響與普通降水井浸潤線有較大差異，8個(gè)斷面浸潤線最大降深為2.8 m，最小降深為0.3 m，基本處于一年水位峰值和谷值之間。

(3)圍護(hù)結(jié)構(gòu)周邊場(chǎng)地因長期降水產(chǎn)生的最大沉降為16.6 mm，距圍護(hù)結(jié)構(gòu)邊緣15 m處場(chǎng)地最大沉降為7.6 mm，表明原抗浮設(shè)計(jì)方案可行且對(duì)周邊環(huán)境影響不大。