廣州某辦公大樓地下室排水減壓設(shè)計

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)計研究院，廣州 510640)

傳統(tǒng)的地下室抗浮設(shè)計方法為采用抗拔構(gòu)件來直接抵抗地下水浮力[1]。隨著城市化進程的推進，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自地下水的浮力趨于增大。在實際工程中，地下水的設(shè)計水位存在不確定性，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，進而帶來災(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，同時伴有滲水現(xiàn)象[4]；深圳市某建筑在主體施工完畢后半個月，發(fā)生局部上浮，最高上浮點達(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在于錯誤地估計了地下水浮力對地下室的影響。為杜絕此類事故的發(fā)生，本工程提出采用“疏導(dǎo)”的方法來減少甚至消除地下水浮力對地下室底板的影響。

1 項目概況

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)場場地大部分位于停車場內(nèi)，局部位于山地上，總體地形有一定起伏。場地總體呈方形，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，基坑周長約710 m，±0.00 相當(dāng)于絕對標(biāo)高15.00 m，場地周邊自然地面標(biāo)高設(shè)計平整后約為11.50～14.00 m(絕對標(biāo)高)，基坑底面絕對標(biāo)高3.50～4.50 m，基坑設(shè)計開挖深度8.00～10.50 m。場地內(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)。著重對其地下室排水減壓設(shè)計進行研究。

2 水文地質(zhì)情況

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

場地地下水主要賦存和運移于素填土1、中砂2-2的孔隙中。沿線除粗砂2-2屬強透水和主要含水層，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，在沖洪積洼地測得鉆孔中地下水初見水位為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，未見有初見水位，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

在綜合考慮場地情況、工期以及經(jīng)濟效益之后，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，進而消除地下水對地下室底板的浮力。由于浮力的消失，在設(shè)計地下室時，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[6]。

3.1 滲流減壓設(shè)計原理概述

滲流是沿著巖土內(nèi)部的孔隙流動的，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)過程中，基坑降水后，會使得基坑內(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基坑側(cè)壁滲入到基坑中，但地下水仍可以繞過止水帷幕的底部來滲入到基坑內(nèi)部，因此需要采取措施來應(yīng)對地下水對基坑的影響。當(dāng)止水帷幕對基坑側(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，滲入基坑內(nèi)的地下水將十分有限且可控。

基于這一實際情況，提出排水減壓設(shè)計方法，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抽走。常見的釋放水壓力系統(tǒng)應(yīng)該包括五個部件[7]，即透水系統(tǒng)、集水系統(tǒng)、出水系統(tǒng)、滲流檢測系統(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)驗值。

為使得排水減壓系統(tǒng)成立，要保證滲流水每天的補給量是有限的，因此限制地下水的滲流補給以及準(zhǔn)確分析地下水的日補給量是設(shè)計中的重要一步。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，會及時被匯聚到集水井中，因而地下水對地下室底板不產(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]，帶來經(jīng)濟效益與技術(shù)效益。

1為滲流壓監(jiān)測系統(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)計方案

在保證滲流補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)可將滲流水及時排走。本工程塔樓部分因可滿足整體抗浮要求，可不專門進行排水減壓設(shè)計。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%。地下水最終會匯集到集水井處，當(dāng)集水井中的水位升高至一定高度時，井內(nèi)的水泵自動啟動，將積水在短時間內(nèi)迅速抽走。這樣一來便保證了混凝土墊層處于永久干爽無水狀態(tài)，也不會承受水浮力。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)測點，具體做法如圖5所示。用一根長度約為1.9 m的透明直管穿過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)計方法，理論上地下水只會經(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法見到水體的。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)測點示意圖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，中國一些學(xué)者[9-10]采用此軟件來模擬實際工程，并得到良好的擬合結(jié)果。

本項目地下室底板落于絕對高程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中加粗點畫線位置。采用Plaxis軟件進行分析，計算建模時，各土層數(shù)據(jù)采用表1中的對應(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高程15.13 m。

作為分析對象的土體剖面，其水平向范圍取從基坑外輪廓外擴約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)勘察報告結(jié)果進行設(shè)置，止水帷幕采用不透水材料建模，底端穿過砂卵石層、淤泥質(zhì)土層進入粉質(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，主要為地下水繞過止水帷幕的底端滲到基坑周邊，而基坑內(nèi)部基本無地下水滲入，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)進行滲流分析，一組是勘察報告中給的經(jīng)驗值，計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)濟技術(shù)效益分析

本方案采用排水減壓技術(shù)，無需施打抗拔樁，取消的抗拔樁數(shù)量約為2 600根，總長度為26 000 m，取消了板底防水層做法，同時增加了疏排水系統(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，劇此計算得出每天抽水所需用電為18.8 kW時。當(dāng)前商業(yè)用電電費約為1.2元/kW時，據(jù)此算得每年水泵用電費用約為0.82萬元?？紤]到水泵的維護成本等，將這筆費用取為2萬/年。

以本建筑50 a設(shè)計周期來計算需要用水、用電總費用，經(jīng)濟對比分析如表2所示。

表2中的綜合單價為按以往工程經(jīng)驗了解到的市場估價，實際價格由甲方根據(jù)實際情況作相應(yīng)調(diào)整。由表2可知，采用排水減壓設(shè)計方案可節(jié)省約400萬元，且本設(shè)計抽取的地下水可用于綠植灌溉等，具有明顯的經(jīng)濟效益。

本工程對工期要求比較嚴(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，工藝簡單，對縮短工程總工期、保證項目按時完成，具有很大的幫助。

表2 工程量及造價對比

6 結(jié)論

本項目竣工于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)測點均未觀察到水體，說明本方法行之有效。

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

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

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

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