地下建筑物的盲沟排水抗浮设计与施工

卢 刚, 杨成斌, 马俊超, 肖立平, 杨弋涛

(合肥工业大学 资源与环境工程学院,安徽 合肥 230009)

0 引 言

地下建筑物结构一般形成封闭的箱体,由于地下水的存在,在水压力作用下会受到向上的水浮力作用。在地下建筑物抗浮设计中一般需要进行整体抗浮设计和局部结构构件抗浮设计[1]。目前,在地下建筑物结构抗浮设计中,采用的设计方法和措施主要有抗浮锚杆法、抗拔桩法、增加结构自重(或配重)法及传统盲沟排水法。

抗浮锚杆因具有造价低廉、施工方便、受力合理等优点而被广泛使用。但目前,抗浮锚杆的设计、施工及检测尚无专门的现行规范可遵循,因此设计必须以试验为前提,在理论计算后选型,试桩取得相应的现场数据后再根据实际能达到的承载力调整抗浮锚杆设计[2]。

抗拔桩法是利用桩的抗拔承载力抵抗地下建筑物水浮力的抗浮设计方法。抗拔桩利用桩侧阻力起抗拔作用,其抗拔能力与桩型、桩径、桩长及周围地质条件有关,其抗拔承载力应通过现场抗拔静载荷试验确定[1]。抗拔桩在施工和使用过程中受环境和施工条件影响较大,造价相对较高。

增加结构自重(或配重)法一般是由于结构自身的重量小于地下水对地下建筑物结构的水浮力，导致后者抗浮能力不足而采取的抗浮方法,即增加结构自身重量或在结构上部布置配重[1]。

上述这些抗浮设计方法主要是以增加结构构件的承载力或者增大结构自身的重量来被动抵抗地下水对地下室结构的水浮力,一般设计参数需要检验,工程造价较高。

盲沟排水法是一种主动的降(排)水措施,是最科学的降水措施。盲沟的做法可分为有滤管盲沟和无滤管盲沟[3]。传统盲沟排水法大部分采用塑料管加滤网形式,由于塑料管抗压强度较低,存在腐蚀和老化问题,在长期受到上部荷载作用时容易产生变形,导致过水断面变小甚至整个排水系统失效。

为了解决以上传统塑料管盲沟存在的问题,本文提出一种新型盲沟排水抗浮设计。该新型盲沟排水抗浮设计由粗砂反滤层、土工布反滤层及碎石排水沟组成。

该盲沟排水减浮结构构造简单、因地制宜,施工简便、成本较低,能有效降低地下建筑物抗浮水位,可主动解决施工过程和正常使用中不同工况下的抗浮要求[4]。

1 盲沟设计

1.1 设计原理

地下建筑物浮力的大小与地下水位有关。当地下水水浮力达到一定数值时,可能引起建筑物整体上浮或者建筑物局部结构构件的破坏,而且一旦发生破坏,修复比较困难。因此,有效降低建筑物抗浮水位是抗浮设计最有效的方法。新型盲沟排水抗浮设计是利用地下水的水压力主动降低建筑物抗浮水位,从而释放部分(或全部)水浮力[1]。该设计主要由级配碎石组成一个渗水的排水通道。地下建筑物四周设盲沟,放置在地下建筑物抗浮水位以下,通过盲沟排除地下建筑物外部地下水。

新型盲沟排水抗浮设计利用地下水的水压力自动降低地下建筑物水位,使地下建筑物外部水位低于抗浮水位,以保障地下建筑物不上浮[5]。使用静止水压力和机械(抽水泵)提升动力[2]。

1.2 盲沟的构造设计

盲沟断面设计如图1所示。

图1中,hc1为沟底设在不透水层上时,含水层内地下水位的高度;hc2为沟底设在不透水层内时,含水层内地下水位的高度;hg1为沟底设在不透水层上时,盲沟内的水流深度;hg2为沟底设在不透水层内时,盲沟内的水流深度;hs为沟底距不透水层顶面较远时,盲沟位置处地下水位的下降幅度;Ls为地下水位受盲沟影响而降落的水平距离。

图1 盲沟断面设计

图1中,盲沟的断面尺寸应当根据盲沟设计的输水能力而定[6];盲沟的底宽一般不小于30 cm,深不小于40 cm。如果断面过小，就容易被泥砂淤塞,失去输水作用[6]。

图1中,设置粗砂滤层的目的是阻止泥沙进入盲沟和淤堵土工布,防止碎石戳破土工布[7];设置土工布滤层的目的是过滤地下水中的泥砂,阻止泥砂进入盲沟,确保盲沟内地下水渗流通畅;设置的碎石排水层采用级配碎石材料。本文实施效果案例中使用的碎石按照粒径大小分为3组,3组的质量百分比为2∶5∶13,其粒径分别为2～5、5～10、10～20 mm。该级配碎石材料抗压强度高,孔隙率大,可减小盲沟内地下水渗流阻力,使渗流通畅,流动速度加快。试验研究证明,当级配碎石空隙率在7.5%以上时,渗透系数可达到1×10-1cm/s以上[8]。

1.3 盲沟的布置

盲沟的布置方案多种多样,根据地下建筑物的面积大小、场地的自然水位高低、地区的平均降水量及土壤的渗透系数来综合确定。一般要求如下:

(1) 分别布置主盲沟和支盲沟,形成完善的地下排水系统,使其接近原有自然排水环境。

(2) 在设置排水盲沟时,设计必须基于现场施工测量结果,以不改变或破坏原有流向为原则。

(3) 设计盲沟走向时,主、支盲沟连接走向和原有地势走向顺接。

布置示例1:由一条主盲沟和多条单向支盲沟组成带状结构,适用地下建筑物面积不大,场地排水要求不高的情况,如图2所示。带状结构的盲沟可埋设在建筑物底部,也可埋设在建筑物四周,形成矩形构造。

图2 单向带状盲沟

布置示例2:由一条主盲沟和多条双向支盲沟组成带状结构,适用于地下建筑物面积稍大,场地排水要求一般的情况,如图3所示。根据实际场地的需要,也可设多条主盲沟,在主盲沟的两端加设集水井,形成格栅状构造。

图3 双向带状盲沟

布置示例3:不区分主盲沟和支盲沟,由多条盲沟交错形成网状结构,适用于地下建筑物面积大、场地排水要求高的情况,如图4所示。根据实际场地需要,盲沟可设计成垂直相交或斜向相交,为了提高排水能力,可在盲沟外围增设集水井。

图4 网状盲沟

2 盲沟施工

2.1 施工工艺流程

盲沟施工工艺流程图如图5所示。

图5 盲沟施工工艺流程图

2.2 施工要点

2.2.1 施工准备

施工前应组织相关施工人员及操作人员熟悉施工图纸内容,了解相关施工工艺、技术指标、验收标准、检验方法等,进行施工前的技术交底工作。

对设计盲沟沿地势测设高程,推算出出水口的高程是否满足设计要求:主盲沟和支盲沟的纵向坡度应不小于0.6%,出水口底面标高应高出盲沟外最高水位20 cm。

根据施工范围、工程量及工程进度要求,配备足够的施工机械、操作班组及管理人员。

2.2.2 沟槽开挖

开挖前应测量放样,根据施工平面定位布置图,由测量员进行施工测量放线。在基坑内定出盲沟的开挖边线,增设施工平面、高程控制桩,并根据沟槽设计及土质情况计算出开槽宽度和深度(盲沟沟底高程和盲沟截面尺寸是关键)[7]。

测量放线后,开挖沟槽。由人工挖掘控制挖掘深度。

开挖沟槽时,同时采取防水和排水措施,防止沟槽底部泡在水中。开挖过程中,沟槽暴露时间应该尽量减少。开槽后,若不能立即进行下一道作业,则应保持沟槽底部10～30 cm厚的土层不开挖。若发生超挖,则应按设计要求进行回填。

沟槽开挖到设计深度后,采用打夯机配合人工夯实沟底土基。

2.2.3 土工布、粗砂反滤层的铺设

(1) 铺设土工布时,先在底部铺设5～8 cm厚的粗砂,将土工布铺设到底部及两侧沟壁指定位置,并预留顶部覆盖所需土工布长度,纵向或横向的搭接缝应交替错开,搭接长度不应小于0.3 m[9]。

(2) 土工布应与土层表面紧密贴合,土层表面应尽量平整,对于有凹凸不平的地方需用砂料找平。

(3) 碎石铺至沟顶一定距离(10 cm左右)即可覆盖土工布,如图6所示。

图6 土工布包裹级配碎石

将预留的土工布沿碎石表面覆盖搭接,搭接长度符合要求,并顺水流方向搭接。

(4) 在铺设好的土工布顶部铺设8～10 cm粗砂滤层,顶面要与基础底面标高持平。

(5) 在整个铺设过程中必须保证土工布不受损坏,必须谨慎快速对铺好的土工布进行及时覆盖,对于破损的土工布应视情况及时修补、更换。

2.2.4 集水井开挖与砌筑

集水井施工步骤:测量放线→集水井开挖→底部素混凝土浇筑→井壁钢筋制作安装→井壁模板固定安装→井壁混凝土浇筑→集水井盖板制作安装→集水井验收。

井壁钢筋安装前,由测量人员给出集水井中心位置和高程,施工人员标出每根钢筋安装位置;浇筑井壁混凝土时,应分层浇筑,每层厚度不宜大于30 cm,浇筑完成后,应人工收面磨平。

2.2.5 抽水泵安装与调试

抽水泵安装高度是关键,要根据集水井有效容积确定,安装时应保证抽水泵距井底10～15 cm。抽水泵吸水管要严格密封,不能漏气、漏水。

3 实施效果

3.1 工程概况

合肥市某居住区项目二标段3#楼工程位于合肥市滨湖新区。地上23层,地下2层,总建筑面积为12 564.70 m2。该项目规划总用地面积6 615.15 m2。地下室外墙及顶、底板混凝土强度等级C30,抗渗等级S6。基础形式拟采用满堂基础。结合车库顶面绿化覆土进行抗浮设计。建设场地地势较低且较平坦,取室外设计地坪下0.50 m作为抗浮设防水位。

由于该工程室内空间较小,故在基础周边设置4条单向带状盲沟,室内布置三横三纵网状盲沟,在转角处设置集水井。该项目的盲沟断面设计如图7所示(单位为mm)。

图7中,盲沟断面设计成类似于梯形,自上而下各层分别为:① 回填土层;② 粗砂滤层,该层厚度设计为在碎石排水沟上、下各50 mm;③ 碎石排水沟,厚度为300 mm,其外用土工布包裹;④ 原状土层。

图7 盲沟断面设计示意图

3.2 确定渗水流量

在该项目场地,同时进行黏性回填土淋水密实现场试验,土层中含水层渗透系数取为3.6×10-7m/s,设计水位高于盲沟5.5 m,沟底坡度2%,初步确定纵向盲沟间距为18.6 m,单条盲沟长度为80 m;横向盲沟间距为20 m,单条盲沟长度为74.4 m。

地下水渗入盲沟内的流量计算,主要依据是渗流定律。该实施案例中的不透水层位置较深,盲沟沟底距不透水层顶面较远,且不透水层的横向坡度平缓,沟底位于含水层内,则沟底会有水渗入,在计算过程中均认为土是均质各向同性的,渗透系数在水平及竖直方向相等[10]。单位长度盲沟流量的计算公式为:

(1)

其中:Qs为单位长度盲沟的流量;kh为含水层材料的渗透系数,取3.6×10-7m/s;hs为盲沟位置处地下水位的下降幅度,取5.1 m;Ll为两相邻盲沟间距的1/2,纵向取9.3 m,横向取10 m;I0为地下水位降落曲线的平均坡度[11]。

计算得:I0=0.556,Ls=9.170 m。

将相关参数取值代入(1)式计算纵向(或横向)单位长度盲沟流量Qs1(或Qs2),可得:

Qs1=4.20×10-6m3/(s·m),

Qs2=4.75×10-6m3/(s·m)。

纵向(或横向)每条盲沟排水量Q1(或Q2)的计算公式为:

Q1=Qs1L,Q2=Qs2L

(2)

其中，L为单条盲沟长度,该项目纵向取值为80.0 m,横向取值为74.4 m。将相关参数取值代入(2)式计算得:

Q1=3.360×10-4m3/s,

Q2=3.534×10-4m3/s。

盲沟总渗水流量计算公式为:

Qs总=n1Q1+n2Q2

(3)

其中,n1、n2分别为纵向、横向盲沟条数,该项目纵向、横向均为5条。将相关参数取值代入(3)式计算得:Qs总=298 m3/d。

通过上述计算可以发现,盲沟渗流量受土的性质、地下水位、盲沟间距等参数影响,渗透系数的大小对结果影响较大,由于计算参数的精度有限,设计渗流量应结合当地经验确定。

3.3 降水效果

盲沟抽水采用水泵,每台设计额定流量为107 m3/h。抽水量随不同环境、不同天气及周边影响有所不同,抽水频率为每天早、晚各抽1次,总计每天抽水量为130～210 m3/d。其补给来源主要是大气降水和地表水径流渗入,水位随补给来源多少而升降。

通过确定渗水流量的结果和降水效果可以看出,理论计算的渗水流量与实际抽水量有较大差别,按理论计算的安全系数较高。本新型盲沟排水抗浮设计技术在国内应用研究较少,应通过工程实践和长期的经验积累,使盲沟设计趋于完善。

3.4 经济性分析

该项目要求是降低抗浮水位,采用传统塑料管盲沟排水和本文新型盲沟排水2种方案进行设计,并对比其经济性。在传统塑料管盲沟排水设计中,初步确定塑料管盲沟总长度为772 m,其盲沟断面设计如图8所示(单位为mm)。

图8 塑料管盲沟断面设计示意图

图8中,塑料管盲沟断面设计为矩形,断面尺寸选定为:长500 mm,宽300 mm。按盲沟断面自上而下各层分别为:① 地下室底板;② 混凝土垫层;③ 碎石层,厚度为300 mm;④ 碎石垫层,厚度为150 mm;⑤ 塑料盲管,主管直径为400 mm,支管直径为250 mm,具体使用视地下水情况而定,其外用土工布包裹。

传统盲沟排水材料用量如下:直径250 mm管材总长为307.5 m,直径400 mm管材总长为464.5 m。新型盲沟排水的材料用量如下:粗砂78 t,碎石196 t,土工布1 435.2 m2。2种方案的成本分析对比见表1所列。

表1 2种盲沟排水方案成本分析对比 单位:元

与传统盲沟排水法相比,新型盲沟排水抗浮设计技术避免了塑料管产生变形,导致过水断面变小,可形成永久性地下连通排水通道。由表1经济效益对比可知,新型盲沟排水抗浮设计技术比传统盲沟排水法节省费用约40%,经济效益显著。因此，该项目最终使用地下建筑物的盲沟排水抗浮设计技术来满足地下室抗浮,其降水效果明显,排水长期稳定,得到建设单位和业主认可。

4 结 论

地下建筑物的盲沟排水抗浮设计技术是在传统盲沟排水法的基础上改良而来的新型盲沟排水方法。该技术结合工程实际工况进行排水系统设计,能在施工阶段和工程使用过程中形成永久性地下连通排水通道,有效降低地下水位,优化了地下建筑物施工环境和地下结构工程使用环境,并有利于提高地下建筑物的抗浮能力。

该地下建筑物的盲沟排水抗浮设计技术因地制宜、就地取材,施工简便、成本较低,排水效果可靠,符合绿色施工要求,并且不产生腐蚀、淤塞及排水断面失效的情况,与传统盲沟排水法以及其他抗浮设计方法相比,具有更好的推广应用价值。