某工程初雨調(diào)蓄池抗浮方案研究和優(yōu)化

張劉平，石哲然

（南京市市政設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210008）

隨著城市河道水環(huán)境綜合治理、雨污管網(wǎng)改造和海綿城市建設(shè)的加快，初雨水調(diào)蓄池的建設(shè)逐漸增多。為滿(mǎn)足調(diào)蓄的使用要求，調(diào)蓄池多為埋地水池，其容積大、深度大、內(nèi)部空曠，且多設(shè)置在臨江、臨河區(qū)域，周邊環(huán)境復(fù)雜，這給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了不少難度。其中，不可避免的問(wèn)題是抗浮設(shè)計(jì)，抗浮措施直接影響著工程的施工難度和總投資。

1 工程概況

按照《室外排水設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50014—2006）（2016年版），根據(jù)當(dāng)?shù)爻跤晁|(zhì)、歷年降雨量分布等情況，確定該工程的初雨調(diào)蓄池總?cè)莘e為5000m3，尺寸為39.8m×29.5m×5.7m，埋深7.15m。該單體位于濕地公園內(nèi)，為不影響整體效果，該調(diào)蓄池為整體地下式，且上部覆土頂標(biāo)高不能超過(guò)景觀(guān)標(biāo)高。調(diào)蓄池整體平面布置如圖1、圖2所示。

（1）主要地質(zhì)條件。場(chǎng)地地層由①層水、②層雜填土、③-1層淤泥、④-3層黏土、④-6層粉質(zhì)黏土、⑤-1層灰?guī)r組成，土層參數(shù)如表1所示。

（2）主要水文地質(zhì)條件。在勘探孔揭穿的深度范圍內(nèi)場(chǎng)地地下水可分為：①上層滯水：主要賦存于②層雜填土中，主要接受大氣降水、生活用水的入滲補(bǔ)給，地下水水位、水量與地形及季節(jié)關(guān)系密切，并受人類(lèi)活動(dòng)影響明顯。②基巖裂隙水：主要賦存于中等風(fēng)化石灰?guī)r中，隨著風(fēng)化程度的減弱，漸顯隔水性，建議抗浮水位取設(shè)計(jì)完成地坪標(biāo)高。

2 設(shè)計(jì)方案比選

該單體位于濕地公園內(nèi)，瀕臨池塘和現(xiàn)狀溝渠之間，地下水豐富，根據(jù)地勘資料，抗浮水位取設(shè)計(jì)完成地坪標(biāo)高。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007—2011），按式（1）進(jìn)行抗浮穩(wěn)定性驗(yàn)算。

式中：GK為建筑物自重及壓重之和，kN；Nw，k為浮力作用值，kN；Kw為抗浮穩(wěn)定安全系數(shù)，一般情況下可取1.05。

該單體自重抗浮不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，需采取一定抗浮措施。水池常用的抗浮措施有自重抗浮、增加配重抗?。ǔ貎?nèi)或池外）、打抗拔樁抗浮或打錨桿抗浮等。

圖1 調(diào)蓄池平面布置圖

圖2 調(diào)蓄池剖面和平面圖（單位：mm）

表1 土層相關(guān)物理參數(shù)表

2.1 方案一：自重抗浮

自重抗浮是通過(guò)提高池體結(jié)構(gòu)自重G1來(lái)滿(mǎn)足抗浮設(shè)計(jì)的要求。增加水池自重措施包括增加水池的底板、壁板或頂板的厚度。根據(jù)工程實(shí)踐，當(dāng)自重與地下水浮力相差在10%以?xún)?nèi)時(shí)，用此措施來(lái)達(dá)到抗浮要求，較為經(jīng)濟(jì)合理[1]。該單體自重G1=53590kN，浮力Fk=80054kN，自重抗浮安全系數(shù)Kw=0.67，自重與地下水浮力相差33%，若通過(guò)增加自重來(lái)滿(mǎn)足抗浮要求，顯然不經(jīng)濟(jì)。

2.2 方案二：增加配重抗浮

配重抗浮是通過(guò)在池內(nèi)、池頂、池底外挑墻趾上或池底下增加配重，即增加Gk來(lái)滿(mǎn)足抗浮要求。具體做法：

（1）池頂加覆土或覆土改為鋼渣等密度大的材料；（2）底邊飛邊外挑加長(zhǎng)，或飛邊上用素混凝土澆筑；（3）池內(nèi)回填部分素混凝土；（4）水池底板下填素混凝土或漿砌塊石并用插筋與底板連接。

該調(diào)蓄池位于濕地公園內(nèi)，池頂覆土有景觀(guān)使用要求，不可超過(guò)景觀(guān)標(biāo)高，因此池頂增加覆土空間有限。該單體自重+覆土重度Gk=62095kN，浮力Fk=80054kN，覆土后抗浮安全系數(shù)Kw=0.78，仍不滿(mǎn)足抗浮要求。池頂增加覆土重量會(huì)增加水池整體荷載，即導(dǎo)致水池整體鋼筋含量和混凝土用量增加。

由于該單體自重及壓重之和缺少較多，通過(guò)底板飛邊增加配重，也不能滿(mǎn)足抗浮要求。底板飛邊增加配重不能對(duì)局部抗浮產(chǎn)生效果，局部抗浮不能滿(mǎn)足要求。底板飛邊增加配重一般適用于平面尺寸較小的水池抗浮措施。

若通過(guò)池內(nèi)混凝素混凝土來(lái)滿(mǎn)足要求，該池內(nèi)需回填素混凝土2m，池壁板和水池基坑深度增加2m，導(dǎo)致基坑造價(jià)增加和施工難度加大，較為不合理。

增加底板底部配重，會(huì)增加基坑的深度和施工的難度。但相較于在池內(nèi)增加配重，在池外增加配重較為經(jīng)濟(jì)。

2.3 方案三：打抗拔樁抗浮

抗拔樁抗浮是利用樁基的側(cè)阻力和自重產(chǎn)生的抗拔力Nf來(lái)抗浮，此方法對(duì)大體積埋地水池的抗浮相當(dāng)有效，不僅能滿(mǎn)足池體的整體抗浮，還能通過(guò)樁或錨桿的合理布置，很好地解決大型水池的局部抗浮問(wèn)題。常用抗拔樁有PHC預(yù)應(yīng)力混凝土管樁和灌注樁。

抗拔管樁的優(yōu)點(diǎn)在于其機(jī)械化施工，施工周期短；適用于土層較厚的區(qū)域；可靠性高，可同時(shí)加固地基，對(duì)地基不好的情況尤為適用[2]?？拱喂軜兜娜秉c(diǎn)主要是接樁部位的施工質(zhì)量難以保障，因此抗拔樁的樁長(zhǎng)宜盡量控制在單節(jié)樁的長(zhǎng)度范圍內(nèi)，以避免接樁帶來(lái)的抗浮安全隱患，減少接樁基費(fèi)用和施工難度。

灌注樁抗拔樁的優(yōu)點(diǎn)在于可靠性很高，同時(shí)可作為抗壓樁，對(duì)地基承載力不好的情況適用；缺點(diǎn)是費(fèi)用高、工期長(zhǎng)。

該工程場(chǎng)地土質(zhì)較好，調(diào)蓄池基底落于④-3層黏土層上，其承載力特征值fak=120kPa，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，不需進(jìn)行地基處理，采用樁基作為抗浮措施較為浪費(fèi)，不經(jīng)濟(jì)。

2.4 方案四：打錨桿抗浮

錨桿抗浮同抗拔樁的方法相似，也是通過(guò)錨桿的抗拔力N1來(lái)抗浮，即利用錨桿對(duì)池體的錨固力來(lái)抗浮。錨桿抗浮根據(jù)錨入土層，可分為巖石錨桿和土層錨桿。巖石錨桿適用于基礎(chǔ)直接坐落于基巖上的情況，由于錨桿直接插入基巖灌漿，巖石錨桿的抗拔力較大；土層錨桿則用在一般土層中，影響土層錨桿抗拔力的因素較多，對(duì)設(shè)計(jì)和施工的要求也比較高。

抗拔錨桿的優(yōu)點(diǎn)：造價(jià)相對(duì)較低，同時(shí)因錨桿的布置密度相比抗拔樁較密，對(duì)池底板的整體作用更接近于均布荷載，這有利于底板的防滲裂。缺點(diǎn)：施工要求較高、土層錨桿可靠性較差；一般需錨固于較硬質(zhì)巖體中，不適用于軟巖與土體[3]；錨桿對(duì)防腐有較高的要求[4-5]。

結(jié)合地下土質(zhì)情況，該工程選用巖石錨桿，錨桿長(zhǎng)度約10m，錨入巖層3.0m，根據(jù)規(guī)范《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50086—2015），按式（2）計(jì)算可得錨桿抗拔力為120kPa。

式中：Nd為錨桿或單元錨桿軸向拉力設(shè)計(jì)值，kN；fmg為錨固段注漿體與地層極限黏結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；D為錨桿錨固段鉆孔直徑，mm；La為錨固段長(zhǎng)度，m；ψ為錨固段長(zhǎng)度對(duì)極限黏結(jié)強(qiáng)度的影響系數(shù)。

3 結(jié)論

由于初雨調(diào)蓄池使用功能要求，以及其所建設(shè)的位置因素，抗浮問(wèn)題是其設(shè)計(jì)過(guò)程中必然遇到的問(wèn)題。針對(duì)該工程初雨調(diào)蓄池抗浮設(shè)計(jì)方案對(duì)比分析，可得出如下結(jié)論：

（1）抗浮設(shè)計(jì)基本原理比較明確，但是每種措施各有優(yōu)缺點(diǎn)，具體工程需具體分析；（2）做好方案比選，選擇經(jīng)濟(jì)、安全可靠的抗浮措施；（3）若水池抗浮欠缺比較少時(shí)，宜優(yōu)先考慮自重或配重來(lái)解決；（4）若水池自重抗浮欠缺比較多時(shí)，且水池地基承載力滿(mǎn)足規(guī)范要求，可考慮采用錨桿抗浮，較為經(jīng)濟(jì)；（5）若水池自重抗浮欠缺比較多時(shí)，且水池地基承載力不滿(mǎn)足規(guī)范要求，可考慮采用抗拔樁，既能承擔(dān)豎向壓力又可承擔(dān)豎向拉力。