【摘 要】以河南省安陽(yáng)工學(xué)院教學(xué)樓為研究對(duì)象，通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬，并依據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，研究了一種將沉沙集水坑和盲溝相結(jié)合的排水泄壓方法。研究結(jié)果表明：針對(duì)極限水位和抗浮水位，盲溝滲流通道的存在可以顯著降低沿滲流路徑到達(dá)地下室地板的總水頭及孔隙水壓力；沉沙集水坑可有效觀察排水情況，避免排水過程中堵塞，增大排水效率。沉沙集水坑和盲溝相結(jié)合的排水設(shè)計(jì)可有效緩解既有建筑物基底受到浮力的作用，提升既有建筑物抗浮能力。

【關(guān)鍵詞】既有建筑； 抗浮修復(fù)； 沉沙集水坑； 盲溝； Seep/W

【中圖分類號(hào)】TU46【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

1 研究背景

近年來，隨著極端天氣的增多和城市建設(shè)引起的下墊面改變等多種因素的影響，造成了地下水位的頻繁波動(dòng)，主要體現(xiàn)在局部地區(qū)地下水水位的異常上升。地下水水位的改變可以直接造成建造物的不均勻變形或進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)損壞。馬海志［1］通過分析北京市近3年地下水位變化情況對(duì)城市基礎(chǔ)設(shè)施安全運(yùn)行的影響，研究了地下水管控和治理措施的重點(diǎn)。而現(xiàn)在地下建筑面積的增多，部分地下結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)或施工過程中低估了場(chǎng)地內(nèi)的地下水水位的波動(dòng)情況，或是采取的抗浮措施不當(dāng)，在過快上漲的地下水水位的影響下，導(dǎo)致既有建筑的地下結(jié)構(gòu)出現(xiàn)上浮失穩(wěn)或破壞等質(zhì)量和安全問題，造成了較大的財(cái)產(chǎn)損失［2］。2021年“7瘙簚21”的極端強(qiáng)降雨在河南省眾多地市引發(fā)了洪澇災(zāi)害，導(dǎo)致地下水位急劇上升［3］，超過了很多既有建筑物的原設(shè)計(jì)的抗浮水位，地下水上升過程中產(chǎn)生的水壓力等導(dǎo)致了這些既有建筑物地下室和地下車庫(kù)等地下建筑物發(fā)生開裂和涌水破壞等現(xiàn)象，從而造成了建筑結(jié)構(gòu)的安全隱患和使用上的功能缺失。以河南省安陽(yáng)工學(xué)院為例，本次極端強(qiáng)降雨造成校內(nèi)共計(jì)11棟教學(xué)樓、圖書館的地下室、泵房等地下建筑物不同程度的損壞，據(jù)統(tǒng)計(jì)破壞面積達(dá)2萬(wàn)余m2，在2022年“7.19”特大暴雨中，地下水涌水現(xiàn)象更加嚴(yán)重，安陽(yáng)工學(xué)院A09及圖書館地下室涌水及破壞情況見圖1。因此，既有地下結(jié)構(gòu)物的防水與抗浮問題日益突出，如何科學(xué)地解決地下結(jié)構(gòu)物的抗浮問題已經(jīng)成為建筑施工和既有建筑維護(hù)經(jīng)常面臨和急需解決的問題。

工程實(shí)踐中，抗浮措施總體上可以分為主動(dòng)抗浮（如排水減壓、帷幕隔水等）與被動(dòng)抗浮（如抗浮樁、結(jié)構(gòu)配重等）兩類［4-7］。對(duì)于新建的建筑物，按照工程規(guī)范進(jìn)行抗浮水位論證，采取符合規(guī)范的抗浮和防水設(shè)計(jì)即可，但既有建筑物均在正常使用中，如果采用大拆大建的方案進(jìn)行施工，將長(zhǎng)時(shí)間影響建筑物的正常運(yùn)行和廣大居民正常的生活起居。為解決既有建筑物地下室抗浮破壞問題，確保建筑物安全和地下室恢復(fù)使用功能，需要提出并研究行之有效、經(jīng)濟(jì)可行、對(duì)建筑物正常使用影響小的修復(fù)方案。同時(shí)，也是建設(shè)具有可持續(xù)特征的韌性城市系統(tǒng)工程的需要［8］。

因此，本論文選擇安陽(yáng)工學(xué)院A09教學(xué)樓地下結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，采用有限元數(shù)值模擬和理論計(jì)算的方法，針對(duì)既有建筑抗浮破壞修復(fù)問題，依據(jù)承載力極限狀態(tài)與正常使用極限狀態(tài)確定的抗浮水位進(jìn)行設(shè)計(jì)，提出一種基于滲流原理的既有建筑抗浮破壞修復(fù)方法，確定工程施工過程中的關(guān)鍵參數(shù)取值。發(fā)展和完善傳統(tǒng)的抗浮設(shè)計(jì)方法，對(duì)于既有建筑的抗浮修復(fù)具有重要的工程意義和廣闊的應(yīng)用前景。

2 研究區(qū)概況與方法

2.1 研究區(qū)概況

安陽(yáng)市地處北暖溫帶，屬大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫為13.6 ℃，7月份平均氣溫27.2 ℃，年平均降雨量為606.1 mm，降雨量多集中在7、8月份，年平均蒸發(fā)量1 989.9 mm，平均相對(duì)濕度為66%。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)勘查資料，場(chǎng)地內(nèi)第三系基巖埋深為80～100 m，地下水屬孔隙潛水類型，主要接受大氣降水和側(cè)向徑流補(bǔ)給，水位隨季節(jié)變化，年變幅2～3 m，抗浮水位需按自然地面下1.0 m考慮。

場(chǎng)地土層主要為一套第四紀(jì)沖洪積物。根據(jù)鉆探地層揭露，并結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果，各主要土層的物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)見表1。

2.2 數(shù)值模擬

項(xiàng)目地下室單層面積約1 480 m2，長(zhǎng)74" m，寬19.2 m，埋深3.5 m。利用SEEP/W和模型對(duì)各工況進(jìn)行瞬態(tài)分析，主要統(tǒng)計(jì)分析不同工況下降水穩(wěn)定后的地下室底處的孔隙水壓力和水位等重要參數(shù)指標(biāo)，對(duì)盲溝降水減浮效果進(jìn)行分析，如圖2所示。在軟件中建立地下室橫剖面的模型，豎向計(jì)算區(qū)域向下取至地下水位絕對(duì)高程位置，并將之賦予相應(yīng)的地層結(jié)構(gòu)，各個(gè)土層中分別賦予相應(yīng)的物理力學(xué)參數(shù)及水力參數(shù)見表1。選用瞬態(tài)分析類型模擬了地下水上升至不同高度過程中滲流和孔隙水壓力變化特征。為了便于分析并考慮到地下結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，分別在地下室邊墻附近和盲溝中間基底位置設(shè)置兩個(gè)數(shù)據(jù)觀測(cè)點(diǎn)（K1和K2）。模擬過程中將結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)地板及側(cè)墻設(shè)置為不透水層，地下水初始水位高程設(shè)置為62 m。將模型以8節(jié)點(diǎn)的四邊形單元剖分為6 430單元，6 614個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)格設(shè)置位0.5 m。

考慮到盡可能較少破壞原有建筑物的整體性及施工便利性，擬采用有濾管盲溝，其做法為在地下工程結(jié)構(gòu)底板下自下而上鋪設(shè)反濾層，反濾層中埋設(shè)直徑110 mm導(dǎo)水管形成完整的排水系統(tǒng)，盲溝斷面形式選擇矩形斷面，寬0.8 m，埋深距離原地面高度為1.25 m，數(shù)值模擬模型見圖2。

2.3 模擬工況

根據(jù)研究區(qū)地下水波動(dòng)情況及2021年“7.15”極端強(qiáng)降雨過程中地下水位上升過程，按照最不利工況（極限水位）、抗浮設(shè)計(jì)水位工況和一般工況（年平均水位）進(jìn)行模擬。三種工況的地下水水位分別位于地表處、地表以下1.9 m和地表以下2.6 m。地下水位上升速率按照降雨期7 cm/d，極端強(qiáng)降雨期70 cm/d上升（極端情況），具體模擬工況見表2。

盲溝數(shù)量和間距是影響其排水效率的主要因素，本文擬對(duì)比雙盲溝和三盲溝布設(shè)的方案，并選擇合適的方案進(jìn)行施工。其中雙盲溝的間距9.6 m，距離地下室邊墻4.8 m；三盲溝的間距為7 m，距離地下室邊墻3 m。

3 盲溝排水泄壓效果分析

模擬結(jié)果顯示，由于盲溝滲流通道的存在，可以顯著降低沿滲流路徑到達(dá)地下室地板的總水頭、孔隙水壓力和地下水位高度。

3.1 孔隙水壓力和總壓力水頭變化

模擬計(jì)算結(jié)果顯示，三盲溝的排水泄壓能力優(yōu)于雙盲溝的排水效果，模擬結(jié)果見圖3。

圖3顯示了不同數(shù)量盲溝排水泄壓以后結(jié)構(gòu)底部的孔隙水壓力和總水頭變化曲線圖。工況1.1和2.1的模擬結(jié)果顯示對(duì)于平均水位兩種盲溝設(shè)計(jì)均可以達(dá)到較好的排水泄壓效果，1.1工況模擬結(jié)束時(shí)的孔隙水壓力分別為K1和K2分別為4.68 kPa和1.68 kPa，2.1工況模擬結(jié)束時(shí)K1和K2的孔隙水壓力分別為0.67 kPa和-1.29 kPa，穩(wěn)定以后的總水頭在66.5 m左右。

設(shè)計(jì)抗浮水位和極限水位的盲溝泄水減壓模擬結(jié)果顯示，當(dāng)?shù)叵滤灰暂^小速率（7 cm/d）上升時(shí)，雙盲溝減壓效果優(yōu)于三盲溝，當(dāng)水位以較大速率（70 cm/d）上升時(shí)即極端強(qiáng)降雨工況下，三盲溝的減壓效果強(qiáng)于雙盲溝的。1.2工況模擬結(jié)束時(shí)K1和K2的孔隙水壓力分別為12.68 kPa和8.6 2kPa，穩(wěn)定以后的總水頭在67.2 m左右，2.2工況模擬結(jié)束時(shí)的孔隙水壓力分別為K1和K2分別為7.17 kPa和3.71 kPa，穩(wěn)定以后的總水頭在66.7 m左右。1.3工況模擬結(jié)束時(shí)K1和K2的孔隙水壓力分別為12.68 kPa和8.6 2kPa，穩(wěn)定以后的總水頭在68.7 m左右，2.3工況模擬結(jié)束時(shí)的孔隙水壓力分別為K1和K2分別為19.77 kPa和14.23 kPa，穩(wěn)定以后的總水頭在68.1 m左右。

綜上所述，在抗浮水位和年平均水位的工況下，雙盲溝的布設(shè)可以有效減少地下水上升引起的孔隙水壓力增加，在極端工況下，雖然增加盲溝的數(shù)量可以相對(duì)減少孔隙水壓力，但還需要增加地下室地板的抗拉性能，才能有效地減小地下水對(duì)基底造成的破壞。

3.2 剩余水頭變化

為分析剩余水頭對(duì)地下結(jié)構(gòu)的影響，分別計(jì)算了雙盲溝條件下極限水位和設(shè)計(jì)抗浮水位兩種工況下的滲流量及剩余水位分布情況。

盲溝滲流量Qs計(jì)算見圖4。

單位長(zhǎng)度盲溝一側(cè)流入溝內(nèi)的流量Q計(jì)算公式見式（1）～式（4）。

Q=kH-H0φ（1）

φ=1k′k（H+H02R）1φ（2）

φ=0.637archsh2πL2T-sh2πl(wèi)02Tsh2π（l0+b）2T-sh2πl(wèi)02T（3）

Qs=2Q·Ls（4）

式中：Ls為盲溝的長(zhǎng)度，（m）；k為土體的滲透系數(shù)，（d/m）；b為盲溝底寬，（m）；h為盲溝高度，（m）；l為滲流路徑，（m）；T為排水時(shí)間，（d）；H0為盲溝處水位高度，（m）。

兩盲溝之間地下水最高水位Hm見式（5）、式（6）。

Hm=H0+（H-H0）φ0φ（5）

φ0=0.637archsh2π（l0+b）2Tsh2π（l0+b）2T-sh2πl(wèi)02T（6）

盲溝兩側(cè)剩余水頭Hx見式（7）、式（8）。

Hx=H0+（H-H0）φxφ（7）

φx=0.637archsh2πx2T-sh2πl(wèi)02Tsh2π（l0+b）2T-sh2πl(wèi)02T（8）

如表3和圖5所示。計(jì)算結(jié)果顯示，盲溝泄水作用下地下室結(jié)構(gòu)地板的0 m （降水穩(wěn)定深度）等值線均呈 “W”形狀，即在盲溝附近等值線深度小于其他位置處等值線的深度。

值得注意的是，剩余水位可通過上覆現(xiàn)澆混凝土板（15 cm厚）自重抵抗其浮力，使得本文中的抗浮措施滿足設(shè)計(jì)抗浮水位工況下平穩(wěn)運(yùn)行，極限水位工況下安全運(yùn)行的效果。

3.3 滲流排水方案

綜合考慮排水泄壓效果和地下室施工條件，對(duì)于地下室面積在1 500 m2左右的結(jié)構(gòu)形式，雙盲溝的布設(shè)方案可以滿足既有建筑的抗浮要求，基于滲流原理的盲溝泄水減壓系統(tǒng)整體布置見圖6（a）。

在地下室地面做橫向和豎向?qū)Я髅希ǔ手┲刖W(wǎng)狀，避開墻柱），把地下水導(dǎo)流至集水坑（井）進(jìn)行集中抽排。該系統(tǒng)保證既有建筑在抗浮水位的工況下平穩(wěn)運(yùn)行。隨著地下水上升過程中匯入盲溝內(nèi)，盲溝匯水系統(tǒng)將水引流到設(shè)置的排水井中；排水井內(nèi)的傳感器及自動(dòng)控制電路通過掌握水壓變化，當(dāng)井內(nèi)水位達(dá)到預(yù)設(shè)限值時(shí)，排水泵啟動(dòng)排出井內(nèi)的水；當(dāng)水位回落至安全值時(shí)，水泵停止排水見圖6（b），整個(gè)排水系統(tǒng)動(dòng)態(tài)控制地下水位及結(jié)構(gòu)承受的浮力，從而最大程度減小地下水水位的波動(dòng)變化對(duì)建筑物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的不利影響?？紤]到后期運(yùn)行過程中泥沙會(huì)隨著地下水沉積在寬緩地帶，影響排水效果，在盲溝連接處設(shè)置沉沙集水坑見圖6（c）。沉沙集水坑分位兩種，主要布設(shè)在管道連接處。一種沉沙集水坑沉沙集水坑用于排水過程中利用泥沙自重沉積在坑內(nèi)，確保排水效率；另一種通過上覆防爆玻璃便于觀測(cè)盲溝運(yùn)行期的排水情況，方便維護(hù)。

墻體間的盲溝采用鋼管穿墻的方式進(jìn)行布設(shè)，這樣可以大程度減少對(duì)既有結(jié)構(gòu)承載力等性能產(chǎn)生不利影響，見圖6（d）。

4 結(jié)論

通過對(duì)工程實(shí)例的分析，驗(yàn)證了沉沙集水坑結(jié)合盲溝排水系統(tǒng)應(yīng)用于既有建筑抗浮破壞后修復(fù)的合理性，得到幾點(diǎn)主要結(jié)論：

（1）沉沙集水坑結(jié)合雙盲溝的排水系統(tǒng)可以保證上部結(jié)構(gòu)的安全運(yùn)行。

（2）利用減壓抗浮措施可以消除作用在底板上的水壓力，使得結(jié)構(gòu)不受水浮力作用。而且排水對(duì)周圍環(huán)境的影響可以保持在很小的范圍。

（3）與其他抗浮修復(fù)措施相比，該項(xiàng)技術(shù)節(jié)省工程材料的投入，工程造價(jià)較低，后期維護(hù)方便，是一種安全經(jīng)濟(jì)的既有建筑災(zāi)害抗浮修復(fù)措施。

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［基金項(xiàng)目］安陽(yáng)工學(xué)院科研培育基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：YPY2022006）;安陽(yáng)工學(xué)院博士科研啟動(dòng)基金項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：BSJ2021050）

［作者簡(jiǎn)介］張勇（1989—），男，博士，講師，研究方向?yàn)槌青l(xiāng)防災(zāi)、減災(zāi)技術(shù)。