排水減壓技術設計應用研究

陳志堅

(中國城市建設研究院有限公司福建分院 福建福州 350004 )

0 引言

近年來隨著國家經濟飛速發展，如雨后春筍般不斷涌現出超大型地下結構。其設計基礎深度往往在15m以下，在這個深度范圍內，常會遇到復雜的工程地質與水文地質條件，而這類超大型地下結構工程上部結構自重荷載一般較小，使其結構抗浮問題愈發突出。目前比較常用的抗浮設計是采用配重法、抗浮錨桿(索)、抗拔樁等被動抗浮措施。對于大部分華南沿海地區而言在相應多層地下結構基礎開挖深度處往往存在一層低透水地層(如福州地區地質一般有一段一定深度的淤泥層)，這就給近年來越來越多使用排水減壓技術(主動抗浮措施)提供了適用條件[1-3]。

1 工程概況

1.1 工程簡介

該項目位于福州市倉山區南三環國際商貿城，總建筑面積為1 295 007m2，其地上建筑面積為377 649m2，地下建筑面積為917 358m2。建筑用地被市政規劃道路分隔成A區、B區、C區、D區共4個區域。建筑場地類別分別為:A、B區為多層商業場館；C、D區為高層商業服務樓、超高層商務辦公樓；三層地下室為地下二層商業和地下三層汽車庫及設備用房。

1.2 場地水文地質條件

根據地質勘察資料，該工程場地為沖堆積成因的河谷階地地貌單元，高程起伏較小，場地內覆蓋層主要為第四系不同成因類型的巖土層(成因類型分別為人工堆填、淤積、沖洪積、殘積等)，基底為不同風化程度的花崗巖(具體巖土層分布特征如表1所示)。地下水類型主要為賦存于①-A層素填土及②層粉質粘土上部耕土中的上層滯水，③-夾層細砂、③-A層含泥中細砂和⑧-1層圓礫中孔隙承壓水，以及下部花崗巖風化帶中的風化孔隙-裂隙水。鉆孔最高地下水位埋深為0.70m，最大水位高程為5.25m，場地南側的馬州江勘察期間最高。水位高程為3.5m，據了解近3～5年最高水位高程約5.8m，場地南側蓋山路路面高程約為6.70m，場地內道路高程多在7.0m～7.2m之間，建筑設計地坪整平高程為7.35m和7.55m，建筑抗浮設計水位高程按6.00m(黃海高程)考慮。

表1 場地巖土層分布特征

注：1.摘錄自《巖土工程勘察報告》 ;2.③-B層淤泥夾薄層粉細砂為軟弱土層，弱透水層。

2 排水減壓的設計思路

2.1 排水減壓的設計原理

排水減壓技術是利用基礎下低透水地層(土層或巖層)的透水特性，以物理方法于基礎底板下建造一層于結構物使用年限內具永久性功能的透水層，經由集水管網系統，將滲至基底的壓力水以自然溢流方式排至專用清水池水箱中，再以高水位溢流管排除到建物原設計的廢水池中。當排除基礎底板蓄留水的能力遠大于滲流入基底的地下水時，基底便不會形成超額水壓力，達到控制基礎底板下方水浮力的功能，以符合設計要求的目的。

2.2 排水減壓的適用條件

(1)采用水密性圍護結構(連續壁、擋土排樁+止水圍幕)設計時：基礎底板到擋土設施底端，必須有厚度大于2.0m 且滲透系數k小于等于10-4cm/s 土層或巖層。當基底土層滲透系數k大于10-4cm/s或存在局部高透水裂縫時，可采用地質改良、換土或注漿等方式降低土層滲透系數以符合本工法使用條件。

(2)采用非水密性擋土設施(擋土排樁)設計時：基礎底板面上、下方2m 必須全部為滲透系數k小于等于10-5cm/s 的土層或巖層。

(3)采用放坡開挖(明開挖)時：基礎底板面上、下方2m 必須全部為滲透系數k小于等于10-5cm/s的土層或巖層，并須評估地層水平滲透系數(kh)及垂直滲透系數(kv)的影響。地下室完成開挖面回填時，最下方須配合回填至少2m 滲透系數k小于等于10-5cm/s 的低透水性土壤。

(4)經評估基底土層每平方米每天的滲流水量Q≤0.03m3建(構)筑物。

2.3 滲水量計算及集水坑的布置

根據地質勘察資料，該項目建筑抗浮設計水位高程按6.00m(黃海高程)考慮。地坪標高±0按8.15m考慮，底板面標高為-6.03m,設計水頭大致有129.5kN/m2,其中③-B層淤泥夾薄層粉細砂滲透系數k為1.5×10-6cm/s,⑥層粉質粘土滲透系數k為5.0×10-5cm/s，結構方案控制水位為-3.53m，故排水減壓的水壓力△H為6-(-3.53)=9.53m。館內館外分別取幾組孔位進行計算水量；如館內ZK269：⑥層粉質粘土底標高-36.04m,水力路徑L=36.04-3.53=32.51m;③-B層淤泥夾薄層粉細砂底標高-25.54m,加權平均滲透系數k為0.000 061cm/s，水力坡降i=△H/L=9.53/32.51=0.293，根據達西滲透定律滲透水量Q=kiAm3/m2/d=0.000 061×0.293×1×24×60×60/100=0.015≤0.03m3/m2/d[4],假定每900m2設置一集水坑，則抽水能力為0.015×900×10/24=5.63m3/h(10倍的安全系數，滿足長期使用要求)。

2.4 疏水管路布設思路

該項目基本柱網間距為8.4m～10.8m,沿柱間距中點布置100徑雙壁高密度聚乙烯打孔波紋地下排水管(專用接口連接。管孔大小為10mm×2mm,180度開孔，環剛度大于6.3，平面布置示意如圖1所示)。每段PVC濾水管需疏水能力為0.015×10.8×10.8×10/24/3600=2.025×10-4m3/s(10倍的安全系數，滿足長期使用要求)。參考《給水排水設計手冊·第1冊·常用資料》[5]，100徑管過水面積A=0.004m2;基床降坡s=0.004;濕周P=0.157m;粗糙系數n=0.0125;查表得疏水能力即容許流量為1.732×10-3m3/s>2.025×10-4m3/s(滿足場地滲流流量條件)。

圖1 疏水管平面布置示意圖

3 技術措施

3.1 疏水設計施工措施

(1)疏水施工時應采取措施，保證土工布隨用隨鋪及時覆蓋，防止紫外線照射。

圖2 集水坑大樣與止水圍幕位置大樣

(2)底板下采用滿鋪級配碎石加土工布的浮力釋放系統，其工作原理是：地下水通過鋪設在碎石層以下的土工布的過濾層進入碎石層，碎石層與底板之間也鋪設防水層，碎石層中地下水通過包在PVC濾水管外的土工布進一步過濾；然后進入濾水管并順著管子流入積水井，最后通過抽水泵將地下水排出基礎底板之外。這樣地下水產生的上浮力對基礎底板的壓力被大大地釋放減弱，基礎底板處于動態平衡之中。

(3)基坑東南側、西南側、西北側的止水帷幕采用單排單軸水泥攪拌樁Φ600@400，攪拌樁樁長取底板下5m。

(4)基底滲流壓是否正常必須進行定期監測,在CMC靜水壓力釋放層開始啟用后每6個月至少應檢測1次，以確保該系統功能正常。固定滲流壓Pw檢測系統及高出地下室底板面出水系統管線應注意做好保護措施，防止被破壞且不影響地下室正常使用。

3.2 材料性能要求

材料性能是保證設計效果能否良好體現的關鍵，以下參數參考了基底靜水壓力釋放技術規程如：透水系統使用的一級高滲透阻流濾層性能指標如表2所示[6]；釋放層、釋放帶集水系統使用的二級高滲透阻流濾層性能指標如表3所示[6]；保護膜性能指標如表4所示。

表2 過濾層土工布性能

表3 包扎水平集水網絡用土工布表性能

表4 保護層使用的聚乙烯保護膜性能

3.3 疏水構造大樣

疏水構造設計要滿足保土性(防止地基土的流失)、透水性和防止淤堵的要求，還要滿足上部結構地基承載力和沉降控制要求。常用疏水構造大樣如圖2～圖4所示。

3.4 注意事項

(1)減壓排水系統是個多專業完成的系統，管道的鋪設、集水井的布置，需要與地勘單位、水專業、設備專業等協作完成。

(2)針對地下室底板所在的土層，需要對滲流過渡墊層材料及排水管材的適用性進行論證，以防止發生管路堵塞等情況。

(3)排水驅動設備應保證臺風等異常天氣狀況下能正常運轉，采取必要的備用系統，并設專人專職維護。

4 結論

該項目地下結構采用排水減壓技術抗浮設計，有效控制基底水壓力，減少或取代費用高、耗能、環境污染嚴重及施工時間長的傳統抗浮措施。工程使用至今，沒有出現不良的沉降、裂縫和滲水，可作為基底存在一段底透水性軟弱土層情況下超大地下結構抗浮設計參考。

參 考 文 獻

[1] 李明書，李進軍，劉維揚.CMC 靜水壓力釋放技術原理及設計方法[J].巖土工程學報，2013,35(2):932-935.

[2] 龐小朝，顧問天，肖文海，等.排水減壓抗浮技術在深圳地區的實踐[J].建筑結構，2015，45(1)：777-780.

[3] 劉波，劉鐘，張慧東，等.建筑排水減壓抗浮新技術在新加坡環球影城中的設計應用[J].工業建筑，2011，41(8)：138-141.

[4] 張克恭，劉玉松.土力學[M].北京：中國建筑工業出版社，2001：46 -54.

[5] 中國市政工程西南設計研究院·給水排水設計手冊·第1冊·常用資料(第二版)[M].北京：中國建筑工業出版社，2000：46 -54.

[6] DJB-CT177-2013 CMC基底靜水壓力釋放技術規程[S].上海：上海市建筑建材業市場管理總站，2013.