赫章某工程人工湖底做法及临岸建筑基础形式的研究

马悦，梁涛，廖昉

（中机中联工程有限公司，重庆400039）

赫章某工程人工湖底做法及临岸建筑基础形式的研究

马悦，梁涛，廖昉

（中机中联工程有限公司，重庆400039）

为满足赫章某工程人工湖、人工河流的防水要求，根据相关方案确定了水位高度，计算了单位面积渗透率限值。比较了多种抗渗材料的单位面积渗透率，确定了防水层的混合衬垫方案。对相关临岸建筑基础，选取典型古建筑案例，计算了柱底反力，结合柱底反力要求计算了独立基础和桩基础的工程方量。通过分析工程造价的方法，计算了清运、回填等工程造价，分别统计了独立基础方案和桩基础方案的工程造价，对比了两种方案的经济性，通过经济性最优原则确定了独立基础方案。

人工湖底；施工做法；材料对比；临岸基础；方案比选

0 引言

赫章某工程人工湖及人工河流位于贵州省毕节地区赫章县，为营造宜居生态环境，达到人文与自然有机结合的目的，建筑方案考虑在建筑群中引入人工湖及人工河流，水源上游为天然泉涌及自然汇水。因临岸建筑距离堤岸较近，考虑人工湖及人工河流对临近地基及相关基础的侵蚀，特别是渗流水分对地基土体和岩体的影响，应考虑对人工湖底采取防水做法，达到消除渗流，减小工程风险的目的。

1 人工湖底做法

1.1 水位高度及抗渗目标

根据地形规划及方案设计，场地现状标高最低处为1505.70m，最高处为1509.66m，设计水面标高1509.00m，人工湖、人工河流的设计水深为1.5~3m。人工湖侧为分隔挡土措施，其上为临湖步道，其内侧为建筑基础。人工湖护壁不允许越浪，在考虑风壅水面时，设计堤岸高出平时水面1m，暴雨期排水方式为开闸汇入临近河流。

根据地质勘探资料，场地基岩岩层渗透系数k= 1.12x10-3cm/s（0.97m/d），基岩与防水层之间有厚度不等的粘土，其主要力学指标为孔隙渗透系数k0=1x10-6cm/s（8.64x10-4m/d）。粘土渗透性较差，单位体积粘土的胀缩率为1%~3%，吸水至失水的胀缩过程中易发生工程灾害，应考虑上层防水层的充分抗渗作用。以达西定律计算单位面积渗漏率

式中，k为渗透系数；h为水位高度；D为材料厚度；A为横断面积。

上层红粘土覆土层较厚，考虑基础影响范围，取不利处粘土排水厚度Dsoil=3m，人工湖底水位高度以2m计算，单位面积取值1m2。计算可得，Q0=5.76x10-4m3/d。

考虑上层防水材料的充分防水条件，设计采用上层综合渗透率Q≤Q0，亦即在最不利排水厚度处，粘土中的水能够得到有效渗流，不发生饱和吸水现象。

1.2 防水层材料选取及计算

1.2.1 混凝土

抗渗等级P6混凝土定义为静水抗压承载力0.6MPa，试件尺寸为高度与直径均等于150mm圆柱体，每隔8h加压0.1MPa，终载时间为40h。以抗渗标号折算渗透系数，可采用公式[1]

式中，n-1为抗渗标号；m为混凝土孔隙率，取值0.03；Dm为平均渗水高度，对于抗渗试块，Dm=150mm。

计算可得，抗渗等级P6混凝土渗透系数为4.91x10-7cm/s（4.24x10-4m/d），P8混凝土渗透系数2.61x10-7cm/s（2.25x10-4m/ d）。事实上，常见混凝土底板厚度仅为Dconcret=200mm、Dconcret= 300mm等，以抗渗等级P8时Dconcret=300mm的混凝土计算，其综合渗透率为Q=2.6Q0，远不能满足抗渗要求。

1.2.2 普通压实粘土

因场地附近存在粘土，就近取材方便，经济成本较低，应考虑以压实粘土作为防水层的施工方案。普通压实粘土的渗透系数取值为k0=1x10-7cm/s（8.64x10-5m/d），同样以人工湖底水位设防高度以2m计算，计算可得不同厚度普通压实粘土层的抗渗能力。通过计算可以发现，满足目标抗渗要求的普通压实粘土应具有的厚度为Dclay=300mm。值得注意的是，压实粘土层除了满足抗渗要求的设计厚度外，尚应具有能够保证均匀性的最小厚度。

1.2.3 GCL膨润土防水毯

GCL（Geosynthetic elay liner）膨润土防水毯是一种成熟的防水技术措施。GCL膨润土防水毯构造形式为上层有纺布、中层钠基混凝土（含针织加劲）及下层无纺布组成。GCL的主要作用机理为遇水膨胀形成致密凝胶体，其GCL-NP型号渗透系数为5x10-9cm/s（4.32x10-6m/d），GCL-OF型号渗透系数为5x10-10cm/s（4.32x10-7m/d），GCL-AH型号渗透系数为1x10-10cm/s（8.64x10-8m/d）。经计算可得，普通GCL-NP型号的最小厚度DGCL≥15mm，经济性较差，应选取GCL-OF型号或GCL-AH型号的GCL膨润土防水毯。计算可得，GCL-OF型号或GCL-AH型号的最小厚度DGCL≥3mm。

1.2.4 高密度聚乙烯（HDPE）材料

根据现有研究，HDPE材料因抗渗性能卓越且应用广泛[2-4]，其生产工艺[5-6]、力学性能[7-8]等均得到了系统而深入的研究。HDPE材料的渗透系数约为5×10-11cm/s（4.32x10-8m/d）至5×10-14cm/s（4.32x10-11m/d），其渗透现象主要由HDPE上的孔洞发生，需要通过技术手段予以检测[9]。

根据托里拆利公式，渗流速度为

以伯努利方程计算孔洞渗透率，则单位面积渗流率为

式中，Q为渗透率；n为单位面积孔洞数，以单位面积中孔洞数量2.6x10-5个进行计算；a为孔洞平均面积，取值a= 1x10-4m2；g为重力加速度；h为水位高度；A为单位面积。

计算可得，QHDPE=2.6x10-6m3/d，亦即存在正常分布的孔洞且发生孔洞渗漏时，HDPE材料仍然可以单独满足防水要求。

1.2.5 HDPE/GCL混合衬垫系统

（1）混合衬垫构造

从上述分析可以看出，HDPE材料是满足防水性能的首选材料，但HDPE对土基沉降耐受性差，抗刺穿能力差，抗老化能力需要研究与观测[10]，故应考虑混合采用其他材料，对HDPE材料发挥重要的保护作用。常见的HDPE/GCL混合衬垫系统具有良好的抗渗性能。其中，对HDPE材料的保护要求分为上部防刺穿、破坏保护和下部防渗漏综合抗渗保护。对于混合衬垫系统下部，在防水层施工前，地面应严格整平，下层应采用素土夯实，素土夯实厚度h≥300mm，地基土中粒径含量较小且分布均匀，地面突起s≤10mm。对于混合衬垫系统上部，采用首层200mm粘土防止水生植物刺穿，采用200mm卵石、碎石层防止杂物的损害。

（2）施工作业要求

施工工艺是影响HDPE防水层与GCL膨润土防水毯使用性能的重要因素。HDPE防水层与GCL膨润土防水毯之间界面剪切强度特性复杂[11-12]，容易局部错动导致性能丧失。因此，应在施工作业过程中，特别是挡墙卷边的工艺处理时，应避免产生土工材料之间的相对滑动，不应在高温条件下铺设HDPE防水层，在焊接前应着重检查HDPE防水层的损伤情况，对于损伤较大的HDPE防水层应及时修补或更换。应保证焊缝的平滑和坚固。

（3）抗老化措施

相关研究表明[13]，HDPE防水层与GCL膨润土防水毯抗紫外线能力差，在土工合成材料长期浸水的条件下，应保证土工合成材料上面具有足够厚度的覆土及卵石碎石层，防止土工合成材料受到阳光照射。此外，抗老化母料的添加对土工合成材料的抗老化性能提升具有重要的促进作用[13]。同时，根据相应老化规律，应在使用1~2年后进行定期的老化情况检测。

2 设计实例

2.1 地质情况

前期地勘表明，场地从上至下的岩土构成为杂填土、粘土及卵石、碎石层、中风化灰岩。

杂填土的总高度约为1～3m。因杂填土不是良好的持力层，而中风化灰岩深度较深，故应考虑以粘土及卵石、碎石层为基础持力层，压实粘土的地基承载力特征值为160kPa，卵石、碎石层的地基承载力特征值为300kPa。

2.2 样例结构说明

根据前期规划，临岸建筑的主要使用功能为观光休闲、临街商铺及临客住宿等，建筑形式为多层仿古建筑。现以典型柱跨3m×3m至5m×5m、结构高度11m的两层三跨仿古建筑为例，计算柱底反力，并分析工程造价对方案选择的影响，结构采用D=500mm的圆形钢筋混凝土柱，平面布置如图1所示。

图1 样例建筑平面布置图

计算可得，最大柱底反力约为900kN，具有形式相似的中柱12根；边跨柱底反力约为600kN，具有形式相似的边跨柱20根。

2.3 防水堤岸的设计

对于上述标高情况的防水堤岸设计，因防水堤岸具有分隔湖水及基础持力层的作用，故应考虑防水堤岸与湖底抗渗层具有相同的抗渗性能。从以上分析可以发现，混凝土厚度是混凝土抗渗性能的重要影响因素。为满足抗渗要求，在不采取其他措施的情况下，P6混凝土应具有的厚度为1.5m。

2.4 浅基础形式

2.4.1 环境处理

当采用浅基础形式时，应考虑对上部杂填土及砂土挖除清运，以临近场地粘土或卵石、碎石层回填压实。杂填土层应清运换填至现状标高，现状标高以上部分分为湖底区域与建筑基础区域，两种区域以防水堤岸为界限。典型浅基础处理断面图如图2所示。

图2 浅基础处理典型断面图

2.4.2 工程方量

以工程定额方法，计算工程方量，并评估及比较方案之间的差异。

对场地杂填土及砂土清运，以机械土石方清运距离2km计，其方量单价如表1所示。

表1 杂填土及砂土清运单方造价表（单位：元）

对场地粘土回填，采取就近挖取原则，以机械回填运输距离1km计，其方量单价如表2所示。

表2 粘土回填单方造价表（单位：元）

经测量，仿古建筑平面投影面积约为25m×17m。以清运深度3m计算典型横断面时，此仿古建筑的清运方量及回填夯实方量，清运方量约为1275m3，工程造价小计19600元；回填夯实方量约为1190m3，工程造价小计21900元。

独立基础的工程方量单价如表3所示。

表3 独立基础工程方量单价表（单位：元）

独立基础下部为连续级配的卵石回填夯实地基，以前述柱底反力900kN计算，符合承载力要求的柱下独基的长、宽、高分别为1600mm×1600mm×700mm；以前述柱底反力600kN计算，柱下独基的长、宽、高分别为1400mm×1400mm×600mm。独立基础的工程造价统计如表4所示。

表4 独立基础造价统计表

2.5 桩基础形式

根据场地地质条件的前期勘探情况，项目的桩基础形式建议为机械旋挖灌注桩，桩基础处理典型断面如图3所示。

图3 桩基础处理典型断面图

桩基础的优势在于其安全可靠性较好，特别是渗流会对粘土地基承载力有所影响，故浅基础必须放置在回填夯实的卵石、碎石层上，而桩基础不需要对场地进行额外的开挖和回填，会节省相应的费用。但是因为场地中风化灰岩位置较深，故考虑桩基础的持力层为卵石层或碎石层时，卵石层及碎石层承载能力有限，故需要较大直径的桩截面以满足承载力要求；而以中风化灰岩为持力层时，持力层深度较深，需要较长的桩长，以上两种桩基础方案均增大了桩基础的造价。

2.5.1 工程方量

桩基础工程的单方造价如表5所示。

表5 桩基础工程方量单价表（单位：元）

以卵石、碎石层作为持力层，桩基础造价统计如表6所示。

表6 桩基础造价统计表（卵石、碎层持力层）

以中风化灰岩（P1m）为持力层，承载力特征值取值4000kPa，以持力层深度15m计算持力层深度及桩长，桩基础造价统计如表7所示。

表7 桩基础造价统计表（中风化灰岩持力层）

2.6 基础方案对比及总结

从对于样例建筑的浅基础处理方案中可以看出，浅基础处理方案的主要资金耗费为场地处理费用。杂填土清运与回填及夯实的费用分别均已与基础造价费用相当。同时，考虑到长期使用条件下，水渗流对下部基础持力层强度的影响，故应考虑后期观测等影响。浅基础方案整体造价中等。

从对于样例建筑的桩基础处理方案中可以看出，故虽然桩基础方案安全性较好，但以卵石、碎石层为持力层，则因持力层承载力原因，桩截面面积较大，整体造价较高；以中风化灰岩为持力层，则持力层深度较深，桩长度较长，整体造价较高。

3 结论

从方案对比可以看出，对于人工湖、人工河流等长期材料，建议采用HDPE/GCL膨润土防水毯的混合衬垫系统，避免单一材料抗渗能力不足，对力学性能起到相互补充的作用。

从以上数据可以看出，因卵石、碎石层持力层承载能力较小，端承桩无法充分发挥其承载能力，即使浅基础方案包含了回填夯实处理费用，其总体造价仍然远小于桩基础的总体造价。而浅基础通过合理的工程措施，能够满足安全性等各项要求，故应选择浅基础设计方案。

[1]颜承越.混凝土渗透系数与抗渗标号的换算[J].混凝土，1993，15（3）：18-20.

[2]赵培宽.浅析HDPE防渗膜在填埋场的施工应用[J].山西建筑，2008，34（20）：151-153.

[3]龚柏瑜，李瑞宁.HDPE土工膜作为污水蒸发池防渗层的应用研究[J].天然气与石油，2014，32（1）：36-39.

[4]石含鑫，胡育林，常姗姗.土工膜在溧阳抽水蓄能工程中的应用[J].岩土工程学报，2016，38（s1）：15-20.

[5]何迪春，梅芳芳.聚乙烯原料对高密度聚乙烯土工膜性能的影响[J].塑料科技，2013，41（6）：53-56.

[6]邓学晶，孔宪京，邹德高.复杂荷载作用下填埋场HDPE土工膜受拉计算[J].岩土工程学报，2007，29（3）：447-451.

[7]张兰，吴江，慕雪梅.HDPE生产工艺进展[J].合成树脂及塑料，2012，29（2）：80-84.

[8]肖朝昀，涂帆.HDPE土工膜与无纺土工布界面剪切性能试验研究[J].工程力学，2010，27（12）：186-191.

[9]潘俊峰，能昌信，张赟.便携式渗漏检测装置在填埋场防渗层完整性检测的应用[J].环境科学研究，2008，21（6）：43-46.

[10]梁森荣，张澄博，张永定，等.HDPE土工膜长期性能稳定性的研究进展[J].环境科学与技术，2012，33（9）：77-81.

[11]张宏伟，林伟岸，詹良通.土工膜/GCL界面剪切强度特性的试验研究[J].土木工程学报，2013（2）：123-130.

[12]徐天杰，刘斌云，李维朝，等.土工膜/GCL界面多级加荷剪切性能的试验研究[J].长江科学院院报，2015，32（8）：61-64.

[13]郑智能，凌天清，董强.土工合成材料的老化研究[J].重庆交通大学学报：自然科学版，2005，24（4）：71-73.

责任编辑：孙苏，李红

变形缝的处理与改进

变形缝在工程中经常遇见。对底层面与中上层面的变形缝和高低跨处的变形缝处理，设计都是套用图集，施工单位也基本上按图集施工。

这些变形缝经过长时间的使用后经回访勘查发现，一是上人屋面中的变形缝因受到踩踏使盖板变形或脱落，造成雨水顺变形缝侵入，影响墙面；二是在高低跨处的变形缝存在脱落，金属板纵向连接脱开，雨水侵入，还有的高低跨变形缝施工时要从高处的墙面处埋置且嵌入金属板，给施工带来不便。

为保证变形缝耐用、方便施工，即在高出的一边设置钢筋混凝土挑板和留出设计要求的缝宽，满足变形需要，对其钢筋混凝土挑板截面尺寸和配筋由设计确定，对于其防水及保温处理的有关节点按有关规范要求处理。

Study on Planning of the Artificial Lake Bottom and Near-shore Building Form of a Project in Hezhang

In order to meet the water prevention requirements of the artificial lake and river of a project in Hezhang,this paper determines the water level height and calculates the permeability limit of unit area based on related plans.By comparing the permeability limit of unit area of quite a few kinds of anti-permeability materials,the mixed liner scheme for water prevention layer is determined.For the adjacent buildings,the typical ancient building case is selected,the reaction force of the column bottom is calculated,and the independent foundation and the pile foundation are calculated.By analyzing the methods of project cost,other project costs like clearing and filling are calculated.The project cost of the independent foundation scheme and the pile foundation scheme are calculated respectively.The economic efficiency of the two schemes is compared,and the independent foundation plan is determined with the economic optimal principle.

artificial lake bottom;construction practice;material contrast;near-shore foundation;scheme comparison

TU470

A

1671-9107（2017）04-0054-04

10.3969／j.issn.1671-9107.2017.04.055

2016-11-04

马悦（1988-），男，四川成都人，研究生，研究方向为冻土等材料力学性能研究。