广州某办公大楼地下室排水减压设计

郭远翔, 吴晨浩, 沈雪龙

(1.华南理工大学土木与交通学院，2.华南理工大学建筑设计研究院，广州 510640)

传统的地下室抗浮设计方法为采用抗拔构件来直接抵抗地下水浮力[1]。随着城市化进程的推进，地下空间的利用也朝着更深更广的方向发展，这也使得地下室底板受到的来自地下水的浮力趋于增大。在实际工程中，地下水的设计水位存在不确定性，这也导致抗拔构件的抗拔力可能不足以平衡地下水的浮力，进而带来灾难性的后果。广东佛山某大厦地下室顶板由于地下水浮力的影响，上拱213 mm[2];青岛某商场由于地下水位上升，引起地下室顶板上浮且并发裂缝[3]；四川某工程在经历降雨后，引发地下室顶板上浮170 mm，同时伴有渗水现象[4]；深圳市某建筑在主体施工完毕后半个月，发生局部上浮，最高上浮点达397 mm，并伴有混凝土压碎现象[5]。

上述工程事故的共同点在于错误地估计了地下水浮力对地下室的影响。为杜绝此类事故的发生，本工程提出采用“疏导”的方法来减少甚至消除地下水浮力对地下室底板的影响。

1 项目概况

广州市某办公大楼位于广州市番禺区，南侧为一低矮建筑，北侧为一空地，东西侧均为山地，现场场地大部分位于停车场内，局部位于山地上，总体地形有一定起伏。场地总体呈方形，总用地面积约为69 457 m2。拟建一栋地上20层、地下2层的综合办公楼，地下室占地面积约21 000 m2，建筑效果图如图1所示。

图1 建筑效果图Fig.1 The construction effect graph

地下室基坑总体呈近似L形，基坑周长约710 m，±0.00 相当于绝对标高15.00 m，场地周边自然地面标高设计平整后约为11.50～14.00 m(绝对标高)，基坑底面绝对标高3.50～4.50 m，基坑设计开挖深度8.00～10.50 m。场地内楼房主楼采用钢管混凝土柱框架-混凝土核心筒结构，裙楼采用钢筋混凝土框架结构。着重对其地下室排水减压设计进行研究。

2 水文地质情况

依据该工程《岩土工程详细勘察报告》，本工程所在场地自上而下土层地质如表1所示。

场地地下水主要赋存和运移于素填土1、中砂2-2的孔隙中。沿线除粗砂2-2属强透水和主要含水层，水量较丰富外，其余各土层均属弱透水、弱含水层或相对隔水层，地下水量较贫乏。其中中砂2-2的地下水属承压水，素填土1属上层滞水。地下水主要接受大气降水的下渗、相邻含水层及地表水的渗透补给。

本工程地下水位的变化随季节性变化较大，一般雨季水位略有抬升，旱季水位略有降落。勘察期间大致为平水-枯水期，在冲洪积洼地测得钻孔中地下水初见水位为0.80～2.50 m(标高9.45～12.67 m)，稳定水位一般为1.20～2.80 m(标高10.77～15.13 m)；在残坡积地段水位埋藏较深，未见有初见水位，稳定水位一般为3.00～7.60 m(标高10.97～12.39 m)。

3 渗流减压设计

在综合考虑场地情况、工期以及经济效益之后，本工程地下水控制采用静水压力释放技术，相当于采用明沟排水的方法，利用疏水层收集地下水，并汇聚至盲沟，再让地下水沿着盲沟流入到集水井中，进而消除地下水对地下室底板的浮力。由于浮力的消失，在设计地下室时，可取消抗浮构件。这一方法称为“渗流减压”或“释放水浮力法”设计[6]。

3.1 渗流减压设计原理概述

渗流是沿着岩土内部的孔隙流动的，发生于存在水头差的含水土层中，通常遵循达西(Darcy)定律。在稳定流这一条件下，渗流流量等于渗透系数、断面面积和水力坡降的乘积。

在工程建设过程中，基坑降水后，会使得基坑内的水头小于基坑外的水头，形成水头差。设置止水帷幕可防止地下水直接通过基坑侧壁渗入到基坑中，但地下水仍可以绕过止水帷幕的底部来渗入到基坑内部，因此需要采取措施来应对地下水对基坑的影响。当止水帷幕对基坑侧壁的止水效果较好，且基坑底部的土层渗透系数较小时，渗入基坑内的地下水将十分有限且可控。

基于这一实际情况，提出排水减压设计方法，即在地下室原状土层上铺设一层具有一定厚度及坡度的碎石疏水层，并在疏水层上方设置隔水层，当地下水由原状土向上渗入后，抵达碎石疏水层，而疏水层具有较大的渗透系数，地下水在重力的作用下将流至集水盲沟中，再经由盲沟抵达集水井，集水井中设置抽水泵用于将地下水及时抽走。常见的释放水压力系统应该包括五个部件[7]，即透水系统、集水系统、出水系统、渗流检测系统以及水箱，如图2所示。

表1 各层岩土参数建议值

注：*表示经验值。

为使得排水减压系统成立，要保证渗流水每天的补给量是有限的，因此限制地下水的渗流补给以及准确分析地下水的日补给量是设计中的重要一步。由于渗流减压系统的应用，理论上地下水渗透原状土后，会及时被汇聚到集水井中，因而地下水对地下室底板不产生影响，因此可以取消地下室抗拔桩与抗拔锚杆的设置[8]，带来经济效益与技术效益。

1为渗流压监测系统；2为专用水箱或集水井；3为基础底板；4为素混凝土垫层；5为透水系统；6为给水系统；7为出水系统；8为开挖面图2 释放水浮力系统示意图Fig.2 Releasing buoyancy system diagram

3.2 渗流减压设计方案

在保证渗流补充水量有限可控的前提下，在地下室基坑底设置疏排水系统可将渗流水及时排走。本工程塔楼部分因可满足整体抗浮要求，可不专门进行排水减压设计。其余地下室设置碎石疏水层，如图3所示，具体为：地下室底板厚600 mm，垫层以下则为用碎石夯实填充铺设的疏排水系统；上层为沿地下室全范围设置的400 mm厚的碎石疏水层，任何部位渗出的地下水均可在该层中流动至排水盲沟。疏水层以下为网状分布的排水盲沟，沟深0.5 m、宽0.5 m，内部填充碎石并埋设直径为200 mm的集水管，盲沟沿地下室轮廓线一圈附近有一道分布，根据渗流分析结果，该处为渗水量最大的位置，利用盲沟可将其直接截流，然后中间用纵横盲沟网状相连，使水路相互连接贯通，且控制盲沟之间的间距不大于20 m，使疏水层内的最大排水坡度达到1.5%左右。

在网状的排水盲沟中，渗透水主要沿外圈主截流沟均匀布置若干集水井，集水井在盲沟以下范围长宽为1.5 m、深为1.2 m，集水井布置需结合给排水专业设计要求，间距30～50 m，使盲沟内的最大排水坡度普遍不小于0.5%。地下水最终会汇集到集水井处，当集水井中的水位升高至一定高度时，井内的水泵自动启动，将积水在短时间内迅速抽走。这样一来便保证了混凝土垫层处于永久干爽无水状态，也不会承受水浮力。具体的渗流减压疏排水系统布置如图4所示。

图3 碎石疏水层示意图Fig.3 Gravel hydrophobic layer diagram

图4 渗流减压疏排水系统布置示意图Fig.4 Layout of seepage decompression and drainage system

在地下室平面中布置水压监测点，具体做法如图5所示。用一根长度约为1.9 m的透明直管穿过地下室底板与混凝土垫层，到达碎石疏水层的中部，由于采用排水减压设计方法，理论上地下水只会经由疏水层的下部汇集至排水盲沟，因此在透明观察管中是无法见到水体的。若在透明管中发现有较高的水位，或地下水从管中溢出，则说明疏水层中存在较大的水压力，则本方法有可能已失效。

图5 水压监测点示意图Fig.5 Hydraulic pressure monitoring diagram

4 地下水渗流有限元分析

4.1 分析模型

Plaxis是一款用于分析岩土工程的有限元软件，中国一些学者[9-10]采用此软件来模拟实际工程，并得到良好的拟合结果。

本项目地下室底板落于绝对高程3.5 m高度处，以工程地质剖面图2-2为例，如图6所示，地下室底板主要位于砂质黏性土层4-2中，即为图6中加粗点画线位置。采用Plaxis软件进行分析，计算建模时，各土层数据采用表1中的对应的土层参数，基坑左侧土体自上而下的土层依次为4-1、4-2、5-1、5-2，基坑右侧土体自上而下依次为1、2-1、4-1、4-2、5-1、5-2。考虑最不利的水头高度，取本地最高水头高度为绝对高程15.13 m。

作为分析对象的土体剖面，其水平向范围取从基坑外轮廓外扩约5倍基坑深度，竖直向则取坑底以下约3倍基坑深度，各层岩土分界及材料属性根据勘察报告结果进行设置，止水帷幕采用不透水材料建模，底端穿过砂卵石层、淤泥质土层进入粉质黏土层大于等于1 m，且低于基坑底不小于3 m。分析时假定模型底部为不透水边界，指定基坑底部及顶部周边为自由水面。具体模型如图7所示。

4.2 分析结果

分析结果显示，对于剖面2-2，其最大渗流率为47.9×10-3m3/(m·d)，发生在基坑周边位置，主要为地下水绕过止水帷幕的底端渗到基坑周边，而基坑内部基本无地下水渗入，如图8、图9所示。

图6 工程地质剖面2-2Fig.6 Engineering geological profile 2-2

图7 剖面2-2分析模型Fig.7 Analysis model of geological profile 2-2

图8 剖面2-2渗流率云图Fig.8 Seepage rate nephogram of geological profile 2-2

图9 剖面2-2渗流率示意图Fig.9 Seepage rate diagram of geological profile 2-2

本次分析采用了两组岩土渗透系数进行渗流分析，一组是勘察报告中给的经验值，计算得到的总渗流量为111.65 m3/d，单位面积渗流量为0.005 3 m3/(m2·d)，另一组是结合工程经验得出的岩土渗透系数，得到的坑底总渗流量为137.08(m2·d)，单位面积渗流量为0.0065 m3/(m2·d)，均小于《CMC静水压力释放层技术规程》限值0.03 m3/(m2·d)。因此，坑底渗水量是有限和可控的[7]。

5 经济技术效益分析

本方案采用排水减压技术，无需施打抗拔桩，取消的抗拔桩数量约为2 600根，总长度为26 000 m，取消了板底防水层做法，同时增加了疏排水系统的工程量。

本工程采用的水泵参数为：功率5.5 kW，额定流量40 m3/h，扬程20 m。依据前文，本工程地下室每日的总渗流量为137.08 m3，剧此计算得出每天抽水所需用电为18.8 kW时。当前商业用电电费约为1.2元/kW时，据此算得每年水泵用电费用约为0.82万元。考虑到水泵的维护成本等，将这笔费用取为2万/年。

以本建筑50 a设计周期来计算需要用水、用电总费用，经济对比分析如表2所示。

表2中的综合单价为按以往工程经验了解到的市场估价，实际价格由甲方根据实际情况作相应调整。由表2可知，采用排水减压设计方案可节省约400万元，且本设计抽取的地下水可用于绿植灌溉等，具有明显的经济效益。

本工程对工期要求比较严格，采用排水减压技术方案，相比采用抗拔桩方案，施工工期短，工艺简单，对缩短工程总工期、保证项目按时完成，具有很大的帮助。

表2 工程量及造价对比

6 结论

本项目竣工于2018年5月，正处于广州降水量较大的季节，截至目前，布置于地下室平面中的各水压监测点均未观察到水体，说明本方法行之有效。

通过阐述广州某工程办公大楼地下室排水减压设计的原理、分析过程以及经济技术效益分析，得出以下结论。

(1)排水减压设计方法将地下室抗浮设计由传统的以“抗拔”为主的抗拔设计改变为以“排水”为主的疏导设计。

(2)设置碎石层旨在为地下水提供一个有效的排水路径，从而减小甚至完全消除地下水对地下室底板的影响。

(3)相比传统的抗拔设计，采用排水减压设计方法可以有效降低造价，同时可以缩短工期，带来较大的经济技术效益。