盧 剛, 楊成斌, 馬俊超, 肖立平, 楊弋濤

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

0 引 言

地下建筑物結(jié)構(gòu)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(shè)計中一般需要進(jìn)行整體抗浮設(shè)計和局部結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗浮設(shè)計[1]。目前,在地下建筑物結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計中,采用的設(shè)計方法和措施主要有抗浮錨桿法、抗拔樁法、增加結(jié)構(gòu)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(diǎn)而被廣泛使用。但目前,抗浮錨桿的設(shè)計、施工及檢測尚無專門的現(xiàn)行規(guī)范可遵循,因此設(shè)計必須以試驗為前提,在理論計算后選型,試樁取得相應(yīng)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)后再根據(jù)實(shí)際能達(dá)到的承載力調(diào)整抗浮錨桿設(shè)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(shè)計方法。抗拔樁利用樁側(cè)阻力起抗拔作用,其抗拔能力與樁型、樁徑、樁長及周圍地質(zhì)條件有關(guān),其抗拔承載力應(yīng)通過現(xiàn)場抗拔靜載荷試驗確定[1]。抗拔樁在施工和使用過程中受環(huán)境和施工條件影響較大,造價相對較高。

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

上述這些抗浮設(shè)計方法主要是以增加結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載力或者增大結(jié)構(gòu)自身的重量來被動抵抗地下水對地下室結(jié)構(gòu)的水浮力,一般設(shè)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(xué)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(qiáng)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(dǎo)致過水?dāng)嗝孀冃∩踔琳麄€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(shè)計。該新型盲溝排水抗浮設(shè)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(jié)構(gòu)構(gòu)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(shè)計

1.1 設(shè)計原理

地下建筑物浮力的大小與地下水位有關(guān)。當(dāng)?shù)叵滤×_(dá)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(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞,而且一旦發(fā)生破壞,修復(fù)比較困難。因此,有效降低建筑物抗浮水位是抗浮設(shè)計最有效的方法。新型盲溝排水抗浮設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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(jī)械(抽水泵)提升動力[2]。

1.2 盲溝的構(gòu)造設(shè)計

盲溝斷面設(shè)計如圖1所示。

圖1中,hc1為溝底設(shè)在不透水層上時,含水層內(nèi)地下水位的高度;hc2為溝底設(shè)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(shè)在不透水層上時,盲溝內(nèi)的水流深度;hg2為溝底設(shè)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(yuǎn)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(shè)計

圖1中,盲溝的斷面尺寸應(yīng)當(dāng)根據(jù)盲溝設(shè)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(shè)置粗砂濾層的目的是阻止泥沙進(jìn)入盲溝和淤堵土工布,防止碎石戳破土工布[7];設(shè)置土工布濾層的目的是過濾地下水中的泥砂,阻止泥砂進(jìn)入盲溝,確保盲溝內(nèi)地下水滲流通暢;設(shè)置的碎石排水層采用級配碎石材料。本文實(shí)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(zhì)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(qiáng)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(dāng)級配碎石空隙率在7.5%以上時,滲透系數(shù)可達(dá)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(shè)置排水盲溝時,設(shè)計必須基于現(xiàn)場施工測量結(jié)果,以不改變或破壞原有流向為原則。

(3) 設(shè)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(jié)構(gòu),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(jié)構(gòu)的盲溝可埋設(shè)在建筑物底部,也可埋設(shè)在建筑物四周,形成矩形構(gòu)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(jié)構(gòu),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(shí)際場地的需要,也可設(shè)多條主盲溝,在主盲溝的兩端加設(shè)集水井,形成格柵狀構(gòu)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(jié)構(gòu),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(shí)際場地需要,盲溝可設(shè)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(shè)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(diǎn)

2.2.1 施工準(zhǔn)備

施工前應(yīng)組織相關(guān)施工人員及操作人員熟悉施工圖紙內(nèi)容,了解相關(guān)施工工藝、技術(shù)指標(biāo)、驗收標(biāo)準(zhǔn)、檢驗方法等,進(jìn)行施工前的技術(shù)交底工作。

對設(shè)計盲溝沿地勢測設(shè)高程,推算出出水口的高程是否滿足設(shè)計要求:主盲溝和支盲溝的縱向坡度應(yīng)不小于0.6%,出水口底面標(biāo)高應(yīng)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(jìn)度要求,配備足夠的施工機(jī)械、操作班組及管理人員。

2.2.2 溝槽開挖

開挖前應(yīng)測量放樣,根據(jù)施工平面定位布置圖,由測量員進(jìn)行施工測量放線。在基坑內(nèi)定出盲溝的開挖邊線,增設(shè)施工平面、高程控制樁,并根據(jù)溝槽設(shè)計及土質(zhì)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(guān)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(yīng)該盡量減少。開槽后,若不能立即進(jìn)行下一道作業(yè),則應(yīng)保持溝槽底部10～30 cm厚的土層不開挖。若發(fā)生超挖,則應(yīng)按設(shè)計要求進(jìn)行回填。

溝槽開挖到設(shè)計深度后,采用打夯機(jī)配合人工夯實(shí)溝底土基。

2.2.3 土工布、粗砂反濾層的鋪設(shè)

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

(2) 土工布應(yīng)與土層表面緊密貼合,土層表面應(yīng)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(yù)留的土工布沿碎石表面覆蓋搭接,搭接長度符合要求,并順?biāo)鞣较虼罱印?/p>

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

(5) 在整個鋪設(shè)過程中必須保證土工布不受損壞,必須謹(jǐn)慎快速對鋪好的土工布進(jìn)行及時覆蓋,對于破損的土工布應(yīng)視情況及時修補(bǔ)、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(biāo)出每根鋼筋安裝位置;澆筑井壁混凝土?xí)r,應(yīng)分層澆筑,每層厚度不宜大于30 cm,澆筑完成后,應(yīng)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(guān)鍵,要根據(jù)集水井有效容積確定,安裝時應(yīng)保證抽水泵距井底10～15 cm。抽水泵吸水管要嚴(yán)格密封,不能漏氣、漏水。

3 實(shí)施效果

3.1 工程概況

合肥市某居住區(qū)項目二標(biāo)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(qiáng)度等級C30,抗?jié)B等級S6?；A(chǔ)形式擬采用滿堂基礎(chǔ)。結(jié)合車庫頂面綠化覆土進(jìn)行抗浮設(shè)計。建設(shè)場地地勢較低且較平坦,取室外設(shè)計地坪下0.50 m作為抗浮設(shè)防水位。

由于該工程室內(nèi)空間較小,故在基礎(chǔ)周邊設(shè)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(zhuǎn)角處設(shè)置集水井。該項目的盲溝斷面設(shè)計如圖7所示(單位為mm)。

圖7中,盲溝斷面設(shè)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(shè)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(shè)計示意圖

3.2 確定滲水流量

在該項目場地,同時進(jìn)行黏性回填土淋水密實(shí)現(xiàn)場試驗,土層中含水層滲透系數(shù)取為3.6×10-7m/s,設(shè)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(shí)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(yuǎn),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(rèn)為土是均質(zhì)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(guān)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(guān)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(guān)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(zhì)、地下水位、盲溝間距等參數(shù)影響,滲透系數(shù)的大小對結(jié)果影響較大,由于計算參數(shù)的精度有限,設(shè)計滲流量應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)驗確定。

3.3 降水效果

盲溝抽水采用水泵,每臺設(shè)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(bǔ)給來源主要是大氣降水和地表水徑流滲入,水位隨補(bǔ)給來源多少而升降。

通過確定滲水流量的結(jié)果和降水效果可以看出,理論計算的滲水流量與實(shí)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(shè)計技術(shù)在國內(nèi)應(yīng)用研究較少,應(yīng)通過工程實(shí)踐和長期的經(jīng)驗積累,使盲溝設(shè)計趨于完善。

3.4 經(jīng)濟(jì)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(jìn)行設(shè)計,并對比其經(jīng)濟(jì)性。在傳統(tǒng)塑料管盲溝排水設(shè)計中,初步確定塑料管盲溝總長度為772 m,其盲溝斷面設(shè)計如圖8所示(單位為mm)。

圖8 塑料管盲溝斷面設(shè)計示意圖

圖8中,塑料管盲溝斷面設(shè)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(shè)計技術(shù)避免了塑料管產(chǎn)生變形,導(dǎo)致過水?dāng)嗝孀冃?可形成永久性地下連通排水通道。由表1經(jīng)濟(jì)效益對比可知,新型盲溝排水抗浮設(shè)計技術(shù)比傳統(tǒng)盲溝排水法節(jié)省費(fèi)用約40%,經(jīng)濟(jì)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(shè)計技術(shù)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(shè)單位和業(yè)主認(rèn)可。

4 結(jié) 論

地下建筑物的盲溝排水抗浮設(shè)計技術(shù)是在傳統(tǒng)盲溝排水法的基礎(chǔ)上改良而來的新型盲溝排水方法。該技術(shù)結(jié)合工程實(shí)際工況進(jìn)行排水系統(tǒng)設(shè)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(jié)構(gòu)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(shè)計技術(shù)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?dāng)嗝媸У那闆r,與傳統(tǒng)盲溝排水法以及其他抗浮設(shè)計方法相比,具有更好的推廣應(yīng)用價值。