郭遠(yuǎn)翔, 吳晨浩, 沈雪龍

(1.華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院，2.華南理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院，廣州 510640)

傳統(tǒng)的地下室抗浮設(shè)計(jì)方法為采用抗拔構(gòu)件來(lái)直接抵抗地下水浮力[1]。隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，地下空間的利用也朝著更深更廣的方向發(fā)展，這也使得地下室底板受到的來(lái)自地下水的浮力趨于增大。在實(shí)際工程中，地下水的設(shè)計(jì)水位存在不確定性，這也導(dǎo)致抗拔構(gòu)件的抗拔力可能不足以平衡地下水的浮力，進(jìn)而帶來(lái)災(zāi)難性的后果。廣東佛山某大廈地下室頂板由于地下水浮力的影響，上拱213 mm[2];青島某商場(chǎng)由于地下水位上升，引起地下室頂板上浮且并發(fā)裂縫[3]；四川某工程在經(jīng)歷降雨后，引發(fā)地下室頂板上浮170 mm，同時(shí)伴有滲水現(xiàn)象[4]；深圳市某建筑在主體施工完畢后半個(gè)月，發(fā)生局部上浮，最高上浮點(diǎn)達(dá)397 mm，并伴有混凝土壓碎現(xiàn)象[5]。

上述工程事故的共同點(diǎn)在于錯(cuò)誤地估計(jì)了地下水浮力對(duì)地下室的影響。為杜絕此類事故的發(fā)生，本工程提出采用“疏導(dǎo)”的方法來(lái)減少甚至消除地下水浮力對(duì)地下室底板的影響。

1 項(xiàng)目概況

廣州市某辦公大樓位于廣州市番禺區(qū)，南側(cè)為一低矮建筑，北側(cè)為一空地，東西側(cè)均為山地，現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地大部分位于停車場(chǎng)內(nèi)，局部位于山地上，總體地形有一定起伏。場(chǎng)地總體呈方形，總用地面積約為69 457 m2。擬建一棟地上20層、地下2層的綜合辦公樓，地下室占地面積約21 000 m2，建筑效果圖如圖1所示。

圖1 建筑效果圖Fig.1 The construction effect graph

地下室基坑總體呈近似L形，基坑周長(zhǎng)約710 m，±0.00 相當(dāng)于絕對(duì)標(biāo)高15.00 m，場(chǎng)地周邊自然地面標(biāo)高設(shè)計(jì)平整后約為11.50～14.00 m(絕對(duì)標(biāo)高)，基坑底面絕對(duì)標(biāo)高3.50～4.50 m，基坑設(shè)計(jì)開(kāi)挖深度8.00～10.50 m。場(chǎng)地內(nèi)樓房主樓采用鋼管混凝土柱框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu)，裙樓采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。著重對(duì)其地下室排水減壓設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

2 水文地質(zhì)情況

依據(jù)該工程《巖土工程詳細(xì)勘察報(bào)告》，本工程所在場(chǎng)地自上而下土層地質(zhì)如表1所示。

場(chǎng)地地下水主要賦存和運(yùn)移于素填土1、中砂2-2的孔隙中。沿線除粗砂2-2屬?gòu)?qiáng)透水和主要含水層，水量較豐富外，其余各土層均屬弱透水、弱含水層或相對(duì)隔水層，地下水量較貧乏。其中中砂2-2的地下水屬承壓水，素填土1屬上層滯水。地下水主要接受大氣降水的下滲、相鄰含水層及地表水的滲透補(bǔ)給。

本工程地下水位的變化隨季節(jié)性變化較大，一般雨季水位略有抬升，旱季水位略有降落?？辈炱陂g大致為平水-枯水期，在沖洪積洼地測(cè)得鉆孔中地下水初見(jiàn)水位為0.80～2.50 m(標(biāo)高9.45～12.67 m)，穩(wěn)定水位一般為1.20～2.80 m(標(biāo)高10.77～15.13 m)；在殘坡積地段水位埋藏較深，未見(jiàn)有初見(jiàn)水位，穩(wěn)定水位一般為3.00～7.60 m(標(biāo)高10.97～12.39 m)。

3 滲流減壓設(shè)計(jì)

在綜合考慮場(chǎng)地情況、工期以及經(jīng)濟(jì)效益之后，本工程地下水控制采用靜水壓力釋放技術(shù)，相當(dāng)于采用明溝排水的方法，利用疏水層收集地下水，并匯聚至盲溝，再讓地下水沿著盲溝流入到集水井中，進(jìn)而消除地下水對(duì)地下室底板的浮力。由于浮力的消失，在設(shè)計(jì)地下室時(shí)，可取消抗浮構(gòu)件。這一方法稱為“滲流減壓”或“釋放水浮力法”設(shè)計(jì)[6]。

3.1 滲流減壓設(shè)計(jì)原理概述

滲流是沿著巖土內(nèi)部的孔隙流動(dòng)的，發(fā)生于存在水頭差的含水土層中，通常遵循達(dá)西(Darcy)定律。在穩(wěn)定流這一條件下，滲流流量等于滲透系數(shù)、斷面面積和水力坡降的乘積。

在工程建設(shè)過(guò)程中，基坑降水后，會(huì)使得基坑內(nèi)的水頭小于基坑外的水頭，形成水頭差。設(shè)置止水帷幕可防止地下水直接通過(guò)基坑側(cè)壁滲入到基坑中，但地下水仍可以繞過(guò)止水帷幕的底部來(lái)滲入到基坑內(nèi)部，因此需要采取措施來(lái)應(yīng)對(duì)地下水對(duì)基坑的影響。當(dāng)止水帷幕對(duì)基坑側(cè)壁的止水效果較好，且基坑底部的土層滲透系數(shù)較小時(shí)，滲入基坑內(nèi)的地下水將十分有限且可控。

基于這一實(shí)際情況，提出排水減壓設(shè)計(jì)方法，即在地下室原狀土層上鋪設(shè)一層具有一定厚度及坡度的碎石疏水層，并在疏水層上方設(shè)置隔水層，當(dāng)?shù)叵滤稍瓲钔料蛏蠞B入后，抵達(dá)碎石疏水層，而疏水層具有較大的滲透系數(shù)，地下水在重力的作用下將流至集水盲溝中，再經(jīng)由盲溝抵達(dá)集水井，集水井中設(shè)置抽水泵用于將地下水及時(shí)抽走。常見(jiàn)的釋放水壓力系統(tǒng)應(yīng)該包括五個(gè)部件[7]，即透水系統(tǒng)、集水系統(tǒng)、出水系統(tǒng)、滲流檢測(cè)系統(tǒng)以及水箱，如圖2所示。

表1 各層巖土參數(shù)建議值

注：*表示經(jīng)驗(yàn)值。

為使得排水減壓系統(tǒng)成立，要保證滲流水每天的補(bǔ)給量是有限的，因此限制地下水的滲流補(bǔ)給以及準(zhǔn)確分析地下水的日補(bǔ)給量是設(shè)計(jì)中的重要一步。由于滲流減壓系統(tǒng)的應(yīng)用，理論上地下水滲透原狀土后，會(huì)及時(shí)被匯聚到集水井中，因而地下水對(duì)地下室底板不產(chǎn)生影響，因此可以取消地下室抗拔樁與抗拔錨桿的設(shè)置[8]，帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益與技術(shù)效益。

1為滲流壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；2為專用水箱或集水井；3為基礎(chǔ)底板；4為素混凝土墊層；5為透水系統(tǒng)；6為給水系統(tǒng)；7為出水系統(tǒng)；8為開(kāi)挖面圖2 釋放水浮力系統(tǒng)示意圖Fig.2 Releasing buoyancy system diagram

3.2 滲流減壓設(shè)計(jì)方案

在保證滲流補(bǔ)充水量有限可控的前提下，在地下室基坑底設(shè)置疏排水系統(tǒng)可將滲流水及時(shí)排走。本工程塔樓部分因可滿足整體抗浮要求，可不專門進(jìn)行排水減壓設(shè)計(jì)。其余地下室設(shè)置碎石疏水層，如圖3所示，具體為：地下室底板厚600 mm，墊層以下則為用碎石夯實(shí)填充鋪設(shè)的疏排水系統(tǒng)；上層為沿地下室全范圍設(shè)置的400 mm厚的碎石疏水層，任何部位滲出的地下水均可在該層中流動(dòng)至排水盲溝。疏水層以下為網(wǎng)狀分布的排水盲溝，溝深0.5 m、寬0.5 m，內(nèi)部填充碎石并埋設(shè)直徑為200 mm的集水管，盲溝沿地下室輪廓線一圈附近有一道分布，根據(jù)滲流分析結(jié)果，該處為滲水量最大的位置，利用盲溝可將其直接截流，然后中間用縱橫盲溝網(wǎng)狀相連，使水路相互連接貫通，且控制盲溝之間的間距不大于20 m，使疏水層內(nèi)的最大排水坡度達(dá)到1.5%左右。

在網(wǎng)狀的排水盲溝中，滲透水主要沿外圈主截流溝均勻布置若干集水井，集水井在盲溝以下范圍長(zhǎng)寬為1.5 m、深為1.2 m，集水井布置需結(jié)合給排水專業(yè)設(shè)計(jì)要求，間距30～50 m，使盲溝內(nèi)的最大排水坡度普遍不小于0.5%。地下水最終會(huì)匯集到集水井處，當(dāng)集水井中的水位升高至一定高度時(shí)，井內(nèi)的水泵自動(dòng)啟動(dòng)，將積水在短時(shí)間內(nèi)迅速抽走。這樣一來(lái)便保證了混凝土墊層處于永久干爽無(wú)水狀態(tài)，也不會(huì)承受水浮力。具體的滲流減壓疏排水系統(tǒng)布置如圖4所示。

圖3 碎石疏水層示意圖Fig.3 Gravel hydrophobic layer diagram

圖4 滲流減壓疏排水系統(tǒng)布置示意圖Fig.4 Layout of seepage decompression and drainage system

在地下室平面中布置水壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)，具體做法如圖5所示。用一根長(zhǎng)度約為1.9 m的透明直管穿過(guò)地下室底板與混凝土墊層，到達(dá)碎石疏水層的中部，由于采用排水減壓設(shè)計(jì)方法，理論上地下水只會(huì)經(jīng)由疏水層的下部匯集至排水盲溝，因此在透明觀察管中是無(wú)法見(jiàn)到水體的。若在透明管中發(fā)現(xiàn)有較高的水位，或地下水從管中溢出，則說(shuō)明疏水層中存在較大的水壓力，則本方法有可能已失效。

圖5 水壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意圖Fig.5 Hydraulic pressure monitoring diagram

4 地下水滲流有限元分析

4.1 分析模型

Plaxis是一款用于分析巖土工程的有限元軟件，中國(guó)一些學(xué)者[9-10]采用此軟件來(lái)模擬實(shí)際工程，并得到良好的擬合結(jié)果。

本項(xiàng)目地下室底板落于絕對(duì)高程3.5 m高度處，以工程地質(zhì)剖面圖2-2為例，如圖6所示，地下室底板主要位于砂質(zhì)黏性土層4-2中，即為圖6中加粗點(diǎn)畫線位置。采用Plaxis軟件進(jìn)行分析，計(jì)算建模時(shí)，各土層數(shù)據(jù)采用表1中的對(duì)應(yīng)的土層參數(shù)，基坑左側(cè)土體自上而下的土層依次為4-1、4-2、5-1、5-2，基坑右側(cè)土體自上而下依次為1、2-1、4-1、4-2、5-1、5-2?？紤]最不利的水頭高度，取本地最高水頭高度為絕對(duì)高程15.13 m。

作為分析對(duì)象的土體剖面，其水平向范圍取從基坑外輪廓外擴(kuò)約5倍基坑深度，豎直向則取坑底以下約3倍基坑深度，各層巖土分界及材料屬性根據(jù)勘察報(bào)告結(jié)果進(jìn)行設(shè)置，止水帷幕采用不透水材料建模，底端穿過(guò)砂卵石層、淤泥質(zhì)土層進(jìn)入粉質(zhì)黏土層大于等于1 m，且低于基坑底不小于3 m。分析時(shí)假定模型底部為不透水邊界，指定基坑底部及頂部周邊為自由水面。具體模型如圖7所示。

4.2 分析結(jié)果

分析結(jié)果顯示，對(duì)于剖面2-2，其最大滲流率為47.9×10-3m3/(m·d)，發(fā)生在基坑周邊位置，主要為地下水繞過(guò)止水帷幕的底端滲到基坑周邊，而基坑內(nèi)部基本無(wú)地下水滲入，如圖8、圖9所示。

圖6 工程地質(zhì)剖面2-2Fig.6 Engineering geological profile 2-2

圖7 剖面2-2分析模型Fig.7 Analysis model of geological profile 2-2

圖8 剖面2-2滲流率云圖Fig.8 Seepage rate nephogram of geological profile 2-2

圖9 剖面2-2滲流率示意圖Fig.9 Seepage rate diagram of geological profile 2-2

本次分析采用了兩組巖土滲透系數(shù)進(jìn)行滲流分析，一組是勘察報(bào)告中給的經(jīng)驗(yàn)值，計(jì)算得到的總滲流量為111.65 m3/d，單位面積滲流量為0.005 3 m3/(m2·d)，另一組是結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)得出的巖土滲透系數(shù)，得到的坑底總滲流量為137.08(m2·d)，單位面積滲流量為0.0065 m3/(m2·d)，均小于《CMC靜水壓力釋放層技術(shù)規(guī)程》限值0.03 m3/(m2·d)。因此，坑底滲水量是有限和可控的[7]。

5 經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益分析

本方案采用排水減壓技術(shù)，無(wú)需施打抗拔樁，取消的抗拔樁數(shù)量約為2 600根，總長(zhǎng)度為26 000 m，取消了板底防水層做法，同時(shí)增加了疏排水系統(tǒng)的工程量。

本工程采用的水泵參數(shù)為：功率5.5 kW，額定流量40 m3/h，揚(yáng)程20 m。依據(jù)前文，本工程地下室每日的總滲流量為137.08 m3，劇此計(jì)算得出每天抽水所需用電為18.8 kW時(shí)。當(dāng)前商業(yè)用電電費(fèi)約為1.2元/kW時(shí)，據(jù)此算得每年水泵用電費(fèi)用約為0.82萬(wàn)元。考慮到水泵的維護(hù)成本等，將這筆費(fèi)用取為2萬(wàn)/年。

以本建筑50 a設(shè)計(jì)周期來(lái)計(jì)算需要用水、用電總費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)對(duì)比分析如表2所示。

表2中的綜合單價(jià)為按以往工程經(jīng)驗(yàn)了解到的市場(chǎng)估價(jià)，實(shí)際價(jià)格由甲方根據(jù)實(shí)際情況作相應(yīng)調(diào)整。由表2可知，采用排水減壓設(shè)計(jì)方案可節(jié)省約400萬(wàn)元，且本設(shè)計(jì)抽取的地下水可用于綠植灌溉等，具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

本工程對(duì)工期要求比較嚴(yán)格，采用排水減壓技術(shù)方案，相比采用抗拔樁方案，施工工期短，工藝簡(jiǎn)單，對(duì)縮短工程總工期、保證項(xiàng)目按時(shí)完成，具有很大的幫助。

表2 工程量及造價(jià)對(duì)比

6 結(jié)論

本項(xiàng)目竣工于2018年5月，正處于廣州降水量較大的季節(jié)，截至目前，布置于地下室平面中的各水壓監(jiān)測(cè)點(diǎn)均未觀察到水體，說(shuō)明本方法行之有效。

通過(guò)闡述廣州某工程辦公大樓地下室排水減壓設(shè)計(jì)的原理、分析過(guò)程以及經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益分析，得出以下結(jié)論。

(1)排水減壓設(shè)計(jì)方法將地下室抗浮設(shè)計(jì)由傳統(tǒng)的以“抗拔”為主的抗拔設(shè)計(jì)改變?yōu)橐浴芭潘睘橹鞯氖鑼?dǎo)設(shè)計(jì)。

(2)設(shè)置碎石層旨在為地下水提供一個(gè)有效的排水路徑，從而減小甚至完全消除地下水對(duì)地下室底板的影響。

(3)相比傳統(tǒng)的抗拔設(shè)計(jì)，采用排水減壓設(shè)計(jì)方法可以有效降低造價(jià)，同時(shí)可以縮短工期，帶來(lái)較大的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效益。