排水減壓技術(shù)設(shè)計應(yīng)用研究

陳志堅

(中國城市建設(shè)研究院有限公司福建分院 福建福州 350004 )

0 引言

近年來隨著國家經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，如雨后春筍般不斷涌現(xiàn)出超大型地下結(jié)構(gòu)。其設(shè)計基礎(chǔ)深度往往在15m以下，在這個深度范圍內(nèi)，常會遇到復(fù)雜的工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，而這類超大型地下結(jié)構(gòu)工程上部結(jié)構(gòu)自重荷載一般較小，使其結(jié)構(gòu)抗浮問題愈發(fā)突出。目前比較常用的抗浮設(shè)計是采用配重法、抗浮錨桿(索)、抗拔樁等被動抗浮措施。對于大部分華南沿海地區(qū)而言在相應(yīng)多層地下結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)開挖深度處往往存在一層低透水地層(如福州地區(qū)地質(zhì)一般有一段一定深度的淤泥層)，這就給近年來越來越多使用排水減壓技術(shù)(主動抗浮措施)提供了適用條件[1-3]。

1 工程概況

1.1 工程簡介

該項(xiàng)目位于福州市倉山區(qū)南三環(huán)國際商貿(mào)城，總建筑面積為1 295 007m2，其地上建筑面積為377 649m2，地下建筑面積為917 358m2。建筑用地被市政規(guī)劃道路分隔成A區(qū)、B區(qū)、C區(qū)、D區(qū)共4個區(qū)域。建筑場地類別分別為:A、B區(qū)為多層商業(yè)場館；C、D區(qū)為高層商業(yè)服務(wù)樓、超高層商務(wù)辦公樓；三層地下室為地下二層商業(yè)和地下三層汽車庫及設(shè)備用房。

1.2 場地水文地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，該工程場地為沖堆積成因的河谷階地地貌單元，高程起伏較小，場地內(nèi)覆蓋層主要為第四系不同成因類型的巖土層(成因類型分別為人工堆填、淤積、沖洪積、殘積等)，基底為不同風(fēng)化程度的花崗巖(具體巖土層分布特征如表1所示)。地下水類型主要為賦存于①-A層素填土及②層粉質(zhì)粘土上部耕土中的上層滯水，③-夾層細(xì)砂、③-A層含泥中細(xì)砂和⑧-1層圓礫中孔隙承壓水，以及下部花崗巖風(fēng)化帶中的風(fēng)化孔隙-裂隙水。鉆孔最高地下水位埋深為0.70m，最大水位高程為5.25m，場地南側(cè)的馬州江勘察期間最高。水位高程為3.5m，據(jù)了解近3～5年最高水位高程約5.8m，場地南側(cè)蓋山路路面高程約為6.70m，場地內(nèi)道路高程多在7.0m～7.2m之間，建筑設(shè)計地坪整平高程為7.35m和7.55m，建筑抗浮設(shè)計水位高程按6.00m(黃海高程)考慮。

表1 場地巖土層分布特征

注：1.摘錄自《巖土工程勘察報告》 ;2.③-B層淤泥夾薄層粉細(xì)砂為軟弱土層，弱透水層。

2 排水減壓的設(shè)計思路

2.1 排水減壓的設(shè)計原理

排水減壓技術(shù)是利用基礎(chǔ)下低透水地層(土層或巖層)的透水特性，以物理方法于基礎(chǔ)底板下建造一層于結(jié)構(gòu)物使用年限內(nèi)具永久性功能的透水層，經(jīng)由集水管網(wǎng)系統(tǒng)，將滲至基底的壓力水以自然溢流方式排至專用清水池水箱中，再以高水位溢流管排除到建物原設(shè)計的廢水池中。當(dāng)排除基礎(chǔ)底板蓄留水的能力遠(yuǎn)大于滲流入基底的地下水時，基底便不會形成超額水壓力，達(dá)到控制基礎(chǔ)底板下方水浮力的功能，以符合設(shè)計要求的目的。

2.2 排水減壓的適用條件

(1)采用水密性圍護(hù)結(jié)構(gòu)(連續(xù)壁、擋土排樁+止水圍幕)設(shè)計時：基礎(chǔ)底板到擋土設(shè)施底端，必須有厚度大于2.0m 且滲透系數(shù)k小于等于10-4cm/s 土層或巖層。當(dāng)基底土層滲透系數(shù)k大于10-4cm/s或存在局部高透水裂縫時，可采用地質(zhì)改良、換土或注漿等方式降低土層滲透系數(shù)以符合本工法使用條件。

(2)采用非水密性擋土設(shè)施(擋土排樁)設(shè)計時：基礎(chǔ)底板面上、下方2m 必須全部為滲透系數(shù)k小于等于10-5cm/s 的土層或巖層。

(3)采用放坡開挖(明開挖)時：基礎(chǔ)底板面上、下方2m 必須全部為滲透系數(shù)k小于等于10-5cm/s的土層或巖層，并須評估地層水平滲透系數(shù)(kh)及垂直滲透系數(shù)(kv)的影響。地下室完成開挖面回填時，最下方須配合回填至少2m 滲透系數(shù)k小于等于10-5cm/s 的低透水性土壤。

(4)經(jīng)評估基底土層每平方米每天的滲流水量Q≤0.03m3建(構(gòu))筑物。

2.3 滲水量計算及集水坑的布置

根據(jù)地質(zhì)勘察資料，該項(xiàng)目建筑抗浮設(shè)計水位高程按6.00m(黃海高程)考慮。地坪標(biāo)高±0按8.15m考慮，底板面標(biāo)高為-6.03m,設(shè)計水頭大致有129.5kN/m2,其中③-B層淤泥夾薄層粉細(xì)砂滲透系數(shù)k為1.5×10-6cm/s,⑥層粉質(zhì)粘土滲透系數(shù)k為5.0×10-5cm/s，結(jié)構(gòu)方案控制水位為-3.53m，故排水減壓的水壓力△H為6-(-3.53)=9.53m。館內(nèi)館外分別取幾組孔位進(jìn)行計算水量；如館內(nèi)ZK269：⑥層粉質(zhì)粘土底標(biāo)高-36.04m,水力路徑L=36.04-3.53=32.51m;③-B層淤泥夾薄層粉細(xì)砂底標(biāo)高-25.54m,加權(quán)平均滲透系數(shù)k為0.000 061cm/s，水力坡降i=△H/L=9.53/32.51=0.293，根據(jù)達(dá)西滲透定律滲透水量Q=kiAm3/m2/d=0.000 061×0.293×1×24×60×60/100=0.015≤0.03m3/m2/d[4],假定每900m2設(shè)置一集水坑，則抽水能力為0.015×900×10/24=5.63m3/h(10倍的安全系數(shù)，滿足長期使用要求)。

2.4 疏水管路布設(shè)思路

該項(xiàng)目基本柱網(wǎng)間距為8.4m～10.8m,沿柱間距中點(diǎn)布置100徑雙壁高密度聚乙烯打孔波紋地下排水管(專用接口連接。管孔大小為10mm×2mm,180度開孔，環(huán)剛度大于6.3，平面布置示意如圖1所示)。每段PVC濾水管需疏水能力為0.015×10.8×10.8×10/24/3600=2.025×10-4m3/s(10倍的安全系數(shù)，滿足長期使用要求)。參考《給水排水設(shè)計手冊·第1冊·常用資料》[5]，100徑管過水面積A=0.004m2;基床降坡s=0.004;濕周P=0.157m;粗糙系數(shù)n=0.0125;查表得疏水能力即容許流量為1.732×10-3m3/s>2.025×10-4m3/s(滿足場地滲流流量條件)。

圖1 疏水管平面布置示意圖

3 技術(shù)措施

3.1 疏水設(shè)計施工措施

(1)疏水施工時應(yīng)采取措施，保證土工布隨用隨鋪及時覆蓋，防止紫外線照射。

圖2 集水坑大樣與止水圍幕位置大樣

(2)底板下采用滿鋪級配碎石加土工布的浮力釋放系統(tǒng)，其工作原理是：地下水通過鋪設(shè)在碎石層以下的土工布的過濾層進(jìn)入碎石層，碎石層與底板之間也鋪設(shè)防水層，碎石層中地下水通過包在PVC濾水管外的土工布進(jìn)一步過濾；然后進(jìn)入濾水管并順著管子流入積水井，最后通過抽水泵將地下水排出基礎(chǔ)底板之外。這樣地下水產(chǎn)生的上浮力對基礎(chǔ)底板的壓力被大大地釋放減弱，基礎(chǔ)底板處于動態(tài)平衡之中。

(3)基坑?xùn)|南側(cè)、西南側(cè)、西北側(cè)的止水帷幕采用單排單軸水泥攪拌樁Φ600@400，攪拌樁樁長取底板下5m。

(4)基底滲流壓是否正常必須進(jìn)行定期監(jiān)測,在CMC靜水壓力釋放層開始啟用后每6個月至少應(yīng)檢測1次，以確保該系統(tǒng)功能正常。固定滲流壓Pw檢測系統(tǒng)及高出地下室底板面出水系統(tǒng)管線應(yīng)注意做好保護(hù)措施，防止被破壞且不影響地下室正常使用。

3.2 材料性能要求

材料性能是保證設(shè)計效果能否良好體現(xiàn)的關(guān)鍵，以下參數(shù)參考了基底靜水壓力釋放技術(shù)規(guī)程如：透水系統(tǒng)使用的一級高滲透阻流濾層性能指標(biāo)如表2所示[6]；釋放層、釋放帶集水系統(tǒng)使用的二級高滲透阻流濾層性能指標(biāo)如表3所示[6]；保護(hù)膜性能指標(biāo)如表4所示。

表2 過濾層土工布性能

表3 包扎水平集水網(wǎng)絡(luò)用土工布表性能

表4 保護(hù)層使用的聚乙烯保護(hù)膜性能

3.3 疏水構(gòu)造大樣

疏水構(gòu)造設(shè)計要滿足保土性(防止地基土的流失)、透水性和防止淤堵的要求，還要滿足上部結(jié)構(gòu)地基承載力和沉降控制要求。常用疏水構(gòu)造大樣如圖2～圖4所示。

3.4 注意事項(xiàng)

(1)減壓排水系統(tǒng)是個多專業(yè)完成的系統(tǒng)，管道的鋪設(shè)、集水井的布置，需要與地勘單位、水專業(yè)、設(shè)備專業(yè)等協(xié)作完成。

(2)針對地下室底板所在的土層，需要對滲流過渡墊層材料及排水管材的適用性進(jìn)行論證，以防止發(fā)生管路堵塞等情況。

(3)排水驅(qū)動設(shè)備應(yīng)保證臺風(fēng)等異常天氣狀況下能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，采取必要的備用系統(tǒng)，并設(shè)專人專職維護(hù)。

4 結(jié)論

該項(xiàng)目地下結(jié)構(gòu)采用排水減壓技術(shù)抗浮設(shè)計，有效控制基底水壓力，減少或取代費(fèi)用高、耗能、環(huán)境污染嚴(yán)重及施工時間長的傳統(tǒng)抗浮措施。工程使用至今，沒有出現(xiàn)不良的沉降、裂縫和滲水，可作為基底存在一段底透水性軟弱土層情況下超大地下結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)計參考。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 李明書，李進(jìn)軍，劉維揚(yáng).CMC 靜水壓力釋放技術(shù)原理及設(shè)計方法[J].巖土工程學(xué)報，2013,35(2):932-935.

[2] 龐小朝，顧問天，肖文海，等.排水減壓抗浮技術(shù)在深圳地區(qū)的實(shí)踐[J].建筑結(jié)構(gòu)，2015，45(1)：777-780.

[3] 劉波，劉鐘，張慧東，等.建筑排水減壓抗浮新技術(shù)在新加坡環(huán)球影城中的設(shè)計應(yīng)用[J].工業(yè)建筑，2011，41(8)：138-141.

[4] 張克恭，劉玉松.土力學(xué)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001：46 -54.

[5] 中國市政工程西南設(shè)計研究院·給水排水設(shè)計手冊·第1冊·常用資料(第二版)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2000：46 -54.

[6] DJB-CT177-2013 CMC基底靜水壓力釋放技術(shù)規(guī)程[S].上海：上海市建筑建材業(yè)市場管理總站，2013.