坡地建筑地下室利用高差的抗浮设计研究

廖文彬

(厦门中福元建筑设计研究院 福建厦门 361009)

引 言

随着城市用地紧张，在坡地上建筑越来越多，尊重自然原始地貌，减少挖填、依山而建的的绿色建筑理念已成为建筑师共识，因此，在坡地上建筑地下室随室外地面形成一侧全埋逐渐过渡到另一侧敞开的工程越来越多(图1)，这种非全埋式地下室利用主体结构做挡墙，不再单独设置挡墙，节约场地，利于管理使用，也减少了场地开挖，与大自然更融合。

图1 坡地建筑非全埋式地下室

坡地场地地下水水位顺山势从高往底呈梯度变化，一般勘察报告提供的抗浮水位为建筑四周地面下0.5m～1.0m，因此坡地建筑地下室底板水浮力也呈梯度变化，在坡地高处的抗浮水位高于坡度低处，抗浮水位高造成抗拔桩或抗拔锚杆多、底板配筋大，基础和地下室造价增加，如果利用场地高差，让坡地高处的地下水在重力下自然从低处流走，降低抗浮设计水位，将会明显节约造价，也是一个很好的绿色技术设计。

由于节约造价明显，现在越来越多的工程利用场地高差，采用设置排水疏导系统进行降低抗浮水位设计，但由于排水疏导系统设计涉及岩土、给排水、市政等专业内容，目前没有相关规程，也没有成熟的图集可用，由结构专业设计完成的排水疏导降低抗浮水位设计常常考虑不全面，存在不足，留下安全隐患，应引起重视，因设计不当导致建造时虽然节省造价但在使用时由于存在问题导致加固改造的劳民伤财案例很多，全国各地目前每年都发生不少地下室上浮导致地下室梁板开裂的案例。

1 排水疏导系统设计

图2所示利用场地高差的排水疏导设计:采取在高出建筑周边最低地面的地下室外侧土层设置盲沟，并将盲沟水接入室外地面下的市政排水系统，整个地下室抗浮设计水位取建筑周边最低地面下0.5m～1.0m或者市政排水系统标高，该设计将高出抗浮设计水位的水头利用盲沟排水疏导流走，这种设计在小地下室(如别墅)可以，但在地下室较大时，地下水会绕过盲沟排水沟产生底板扬压，对底板并未减少上浮水压力，产生安全隐患(图2)。从该例可以看出，利用场地高差的排水疏导设计，并不是在地下室高侧周边设置盲沟这么简单，排水疏导系统设计是一个需要考虑建筑使用寿命期内安全使用的系统设计，它包括地下室周边及底板的疏排水系统、与市政管网排水系统的连接、日常检查与管理维护、监测预警系统、应急抽排水措施等内容，涉及建筑、结构、岩土、给排水、电气、市政等多专业配合协调。

图2 较大地下室绕流产生的底板扬压

1.1 地下室周边及底板的疏排水系统

地下室周边及底板的疏排水系统包括抗浮水位选取、排水量计算、排水管设计、盲沟设计等内容。

疏排水设计降低高处的地下水水位，地下水的降低会对排水影响区域内的建筑物、道路、管线等产生不利影响，因此必须进行降水对周边环境影响进行评估，在排水不会影响的区域才可以应用。

降低抗浮设计水位就是降低作用在地下室底板上的浮托力(扬压力)，如前面所叙，地下室底板存在地下水绕过盲沟排水沟产生的底板扬压，使底板承受超过设计的不均匀杨压力，要消除该不均匀杨压，达到设计希望的降低的地下室底板浮托力，通常采用的方法是在地下室底板设置盲沟或排水板并与地下室外墙盲沟或暗沟相通(图3)，形成一个地下水连通系统，那么地下室的底板所受水压力就可以按照常规的流体静力学确定。

图3 地下室周边及底板的疏排水常用做法

抗浮水位的选取主要考虑因素为周边环境排水能力，应考虑周边较大范围内的地形地貌、场地道路标高、市政管网排水系统等，排水量的计算应考虑与建筑设计使用合理年限相匹配，一般建筑为50年。中国每年都有城市被淹的报道，事实表明中国城市市政管网排水系统能力偏低，不能满足极端气侯下大暴雨考验。实际上，城市市政管网排水系统是按照主次干网设计，大量的建筑位于小区道路或次干道边，这些道路的市政雨水管大部分仅只能应对2～3年一遇的暴雨，极端气侯下大暴雨下路面常常被淹，基于以上分析，除非是依据十分充分的具有抗至少50年一遇暴雨能力的排洪沟等，否则降低后的抗浮水位只能取建筑周边低处室外地面标高，不能取市政排水口的标高作为降低后的抗浮水位。

设计对地下室基坑的回填土密实度按规范要求大于0.94，但实际工程中由于回填空间狭小，施工操作困难，基本达不到规范要求，许多甚至十分松散，成为地面水下渗的通道，其渗透系数一般远大于基坑边原状土，因此排水量计算取原状土渗透系数按《建筑基坑支护技术规程》公式进行计算，用于排水管和盲沟设计是明显偏小的，设计应按暴雨下地表水通过回填土下渗水量计算，其值远远大于基坑侧向排水量。按《建筑基坑支护技术规程》公式计算的排水量为原状土的渗水量，可以用于降水对周边环境影响分析。

盲沟设计一般采用卵砾石，盲沟必需用土工布包裹防止砂土颗粒流入淤塞，据岩土专家介绍，土工布在土里使用寿命50年以上没问题，为保证局部抗浮要求，底板盲沟宜每个开间设置且盲沟互通，也可以整个底板铺设200mm厚卵石层(外裹土工布)。

1.2 与市政管网排水系统的连接

设计应查清市政管网排水系统的位置、标高、直径大小等情况，地下室疏排水系统接入市政管网排水系统的连接应设置防止市政雨水倒灌措施，如鸭嘴阀门等。

1.3 日常检查与管理维护

利用场地高差的排水疏导设计，降低了抗浮设计水位，减少了地下室结构的向上水浮力，涉及到结构安全问题，因此排水疏导系统必须考虑建筑使用寿命期内能够正常使用，如果发生淤积堵塞，不能降低抗浮设计水位，那么地下室在大于设计的浮托力下，必然发生地下室上浮、开裂、倾斜，地下室进水浸泡，其造成的损失和影响是巨大的，近年来不时发生的极端气侯大暴雨下城市被淹，就是很好的警示，因此排水疏导设计应考虑使用后的日常检查与管理维护，设计中应设置检查竖井，竖井应设铁爬梯供维修检修用，设计中应提出日常检查与管理维护要求。

1.4 监测预警系统(水压力传感器、流量计、监控报警等)

由于排水疏导系统在地下室底板下和外墙土体中，无法目测检查，因此必须借助预埋的水压力传感器、流量计等设备，接入有日常值班的消控中心进行监控，预设定抗浮设计水位预警值，超过预警值自动发出报警声。

1.5 应急抽排水措施

由于涉及结构安全问题，而建筑使用寿命期长，极端气侯大暴雨频繁，排水疏导系统在地下土中无法临时抢修，因此排水疏导设计应设置应急抽排水措施如应急减压管系统、应急抽水泵等，确保结构的安全。

2 工程案例

厦门某工程，地上由多栋高层住宅楼组成，西北侧地下室五层，东南侧地下室二层。场地原始地貌为残丘坡地，场地地势起伏较大，总体地势呈东南低、西北高。西北侧路面标高(黄海高程)18.5～16.2 m，东南侧路面标高(黄海高程)为6.50m，西北侧与东南侧的高差约12m，地下室底板标高为黄海高程－4.400～－5.100m。根据勘察报告，地下室抗浮设防水位标高按场地周边道路设计标高以下1.0m考虑。设计采用排水疏导系统进行降低抗浮水位设计，底板下排水疏导系统由纵横交叉布置的排水板(包裹土工布)组成，地下室四周设置暗沟，并与底板下排水疏导系统相连通，暗沟顶设置竖井并通过横向连接管(黄海高程4.00m)与市政管网连接(该管底高程为黄海高程1.600m，管径为800mm)，与市政管网连接处设置鸭嘴阀门，防止市政雨水倒灌。排水疏导系统按抗浮水位降至黄海高程4.00m处设计，实际设计抗浮水位取6.00m(2m的水头差值作为安全储备)。设计在底板下布设孔隙水压力传感器，并在排水系统末端设置流量计，以监测系统运营情况，同时布设应急减压管，通过横管及竖管给合接至主干道排水系统处。

3 平地建筑采用主动排水降低抗浮水位设计探讨

地下室位于隔水层位置的平地建筑，考虑地下水补给量少，利用地下室底板的集水坑与底板下地下水连通，在集水坑设置抽水泵，将集水坑的地下水排出地下室，使地下室底板下的水位保持在底板以下，从而达到降低抗浮水位的目的。与利用高差的排水疏导方法相比，主动排水降低抗浮水位设计虽然增加了日常水泵运营及管理费用，但在地下水补给量少的情况下，比设置抗拔桩或抗拔锚杆的常规设计仍然节省造价，因此不少工程也采取该方法。

值得探讨的是，主动排水降低抗浮水位设计的安全性完全依靠水泵的抽排水能力，取决于水泵的正常工作率，而水泵的正常工作率在于业主的物业管理能力，还要考虑日后物业产权易手、管理能力变动的风险，因此，在经常暴雨成灾的南方地区，该方法应该十分慎重。著名的香港汇丰银行大厦，4层地下室，地下室四周采用1m厚伸入基岩的地下连续墙(墙脚注浆止水)作为止水帷幕，在正常使用阶段渗入止水帷幕以内的水量不大，最初曾考虑采取主动排水措施，经与业主沟通，认为在正常使用阶段，在物业管理方面遇到的问题较大，最后采用永久性岩石抗浮锚杆。

4 结语

坡地建筑利用场地高差进行排水疏导设计，降低了抗浮设计水位，能够节约材料和造价，是一种很好的绿色技术设计。排水疏导系统设计应考虑建筑使用寿命期内安全使用的各方面内容设计:

(1)地下室周边及底板的疏排水系统设计，包括抗浮水位选取、排水量计算、排水管设计、盲沟设计等内容。抗浮水位的选取由周边环境排水能力决定，应考虑周边较大范围内的地形地貌、场地道路标高、市政管网排水系统等;排水量计算应按暴雨下地表水通过回填土下渗水量计算。

(2)与市政管网排水系统的连接应设置防止市政雨水倒灌措施。

(3)设计应设置检查竖井等供检修用的设施，并提出日常检查与管理维护要求。

(4)由于排水疏导系统在地下土中，无法目测检查，因此需设计监测预警系统。

(5)由于排水疏导系统在地下土中无法临时抢修，因此设计应设置应急抽排水措施。

(6)考虑目前的物业管理能力，在雨水多的南方地区，平地建筑不建议采用主动排水降低抗浮水位措施。

[1]叶书程 浅谈坡地建筑的抗浮设计[J].广东土木与建筑，2012(7).

[2]汪四新，屈娜某坡地建筑地下室抗浮问题绿色技术处理方法[J].建筑技术，2012，43(10).