某河道調蓄池抗浮技術方案比選

何偉琴，蘇敏賢

(深圳市廣匯源水利勘測設計有限公司，廣東 深圳 518020)

調蓄池總的來說就是將水資源儲存在一定規模的場地里，然后起到調蓄水量，避免峰值過大，或者是儲存水量以備以后凈化回用，當水流超過調蓄最大流量時會從溢流口排出。有時候調蓄池甚至可以當作河流水的沉淀池使用。實際工程應用中，調蓄池的抗浮方式主要有配重抗浮、錨固抗浮、樁基抗浮、降水抗浮和觀察井抗浮等。以經濟合理、安全可靠為原則，結合場地的巖土工程地質條件和水池結構形式，抗拔錨桿技術是以錨桿提供抗拔力，抵抗地下水浮力與水池自重的差值。相比其它抗浮方式，錨固抗浮受制于場地地層特性和水池結構布置。錨桿一般可按理想的抗拉構件進行設計，可忽略其受壓狀態，錨桿長度根據地層條件在設計和施工階段作自由調整。

1 工程概況

深圳某河道工程擬在其河口位置新建污水調蓄池，調蓄池容積7000m3，占地面積約2000m2。其地層情況由上至下為：人工填土層，淤泥質粉質黏土層，礫質黏性土，強風化花崗巖層，中風化花崗巖層。根據實際滿足承載力要求的情況，選擇強風化花崗巖層為持力層，各地層巖土基本物理力學參數值見表1[1]。

2 常用抗浮措施

由于調蓄池選址位置位于水庫淹沒區，水庫正常蓄水位為28.7m，而調蓄池建基面高程為21.7m。當工況為調蓄池無水，而池外水位為28.7m(水深7m)時，調蓄池靠其自重無法滿足抗浮穩定。需要考慮增加其它抗浮措施。本節介紹PHC抗拔管樁、壓重抗浮以及抗拔錨桿等3種抗浮措施，分析其優缺點。

表1 巖土基本物理力學參數建議值

2.1 PHC抗拔管樁

PHC抗拔管樁的優點在于其機械化施工，施工周期短；適用于土層較厚的區域；可靠性高，可同時加固地基，對地基不好的情況尤為適用[2]。

PHC抗拔管樁的缺點是工程投資相對較大，沉樁過程中對周邊區域有一定影響，樁長較長時，要嚴格控制接樁部位的施工質量。

2.2 抗拔錨桿

抗浮錨桿施工工藝原理抗浮錨桿，是指建筑物重力及其與周邊土體摩擦力之和小于地下水對其浮力時，而采取的基礎樁體。

抗浮錨桿是根據設計要求在基槽內鉆孔，向孔內注入混凝土，混凝土必須充實整個樁孔，然后在抗浮樁孔內植入錨桿鋼筋，鋼筋應對準抗浮樁中心，并將設計用的鋼筋預留一定長度，然后澆筑筏板基礎混凝土，當筏板混凝土強度達到設計強度100%后，將工程主體與抗浮樁錨固在一起，工程主體接受的抗浮力是一種合力，其中抗浮樁貢獻了很大一部分，這樣就解決了工程主體向上漂浮的問題。

其優點在于可以充分利用上部結構傳來的豎向力來平衡掉一部分水浮力；由于錨桿布置集中，有很強的抵抗力。面狀均勻布置，在地下室底板下均勻布置，適用于所有土體和巖體；地下室底板梁板配筋較小。

缺點是要求錨固于較硬巖體中，不適用于軟巖與土體，地下室底板板配筋較大。

抗拔錨桿的優點在于其工藝成熟，抗拔錨桿施工方便；投資相對較低。

抗拔錨桿的缺點是對于個別錨桿承載力不足的情況，由于能分擔的錨桿較少，此情況抵抗力差，同時本工程巖層較深，采用抗拔錨桿，長度較長。

由于錨桿布置相對分散，對于地下室底板下的外防水施工比較麻煩。

2.3 壓重抗浮

壓重抗浮主要的過程是采用在調蓄池的內部與、頂部或者調蓄池底外挑墻底部增加負重來實現抗浮。

壓重抗浮需要足夠深的池體，然后在調蓄池內部澆筑壓重混凝土或者填筑其它壓重材料，用于實現抗浮的效果。

這樣的方法需要加大基坑深度與調蓄池壁的高度，增加壓力值，對地基承載力應復核。卻不會加強池底受到的荷載不勻稱反作用力，影響底板的內力不大，但會增加基坑的支護和基坑降水費用。

3 抗浮設計

3.1 浮力計算

計算浮力的水位，根據高水位或驗算施工階段抗浮的相應水位確定。調蓄池所受的浮力等于它排開水的重量[4- 5]：

F=AH1γωg

(1)

式中，A—包括挑出部分的調蓄池底板面積，m2；γω—水密度，t/m3，一般取1，海水取1.03，水含泥沙量較大時，取1.05；H1—底板底面至水面高度，m。根據上式可以算出該調蓄池在水深7m時所受浮力為137.2×103kN。

當地基為基巖時，應將上式結果乘以面積系數K0，即F=K0AH1γω。一般取K0=0.8～1。目前在許多工程中，由于無確切地質資料，仍取K0=1[4]。

3.2 抗浮方案的選擇

考慮到該調蓄池工程的實地情況，由于調蓄池所處的地層為粗砂礫巖、強風化花崗巖等，加之工程預算有限，PHC抗拔管樁、壓重抗浮措施造價較高，不滿足本工程施工要求。因此考慮抗浮錨桿的施工造價相對低廉、工程可靠性高、操作方便、可以適應水位的不斷變化等特點，采用抗浮錨桿用于本調蓄池的抗浮施工設計中。錨桿的桿體多使用鋼絞線，或者螺紋鋼筋，在螺紋鋼筋內部灌入水泥漿等材料[5]。

該調蓄池的主要結構基礎處于粗礫砂層之中，結構處于的基底相距中風化地層3～5m，在充分考慮工程的經濟效益與適用性，本工程的抗浮設計采取螺紋鋼筋錨桿，底板梁上的錨桿需要分布均勻。結構的抗浮力包括了2個方面，其一是自重，其二是抗浮錨桿的抗拔力。

已知混凝土容重為25kN/m3，調蓄池圍墻與池底厚度為600mm，計算獲得本調蓄池自重為46353kN，單根錨桿抗拔力為P(kg)，可以依據下述公式進行計算[4]：

P=πd1LR1

(2)

式中，d1—錨桿直徑，cm，本次取15cm；L—錨桿的有效錨固長度，cm，本次取5m；R1—砂漿與巖石間的容許粘結力，kg/cm2，本次取4.5。計算獲得單根錨桿抗拔力為105975kg，即1038kN。

錨桿抗浮力總和與調蓄池浮力之間需滿足公式：

∑Gt/F≥Kt

(3)

式中，∑Gt—所有抗浮力總和；Gt=nP，n—錨樁數；F—調蓄池浮力，本文取137.2×103kN；Kt—安全系數，一般取值范圍為1.05～1.15。

[(1038n)+46353]/137200≥1.05

計算n≈94.1=95，因此本調蓄池需要布置至少95根錨桿。

嵌入地下的錨桿由于地下環境因素，地下水會腐蝕到錨桿本身，因此在設計過程中對防腐措施的問題應該重點考慮[6- 8]。

使用的錨桿特點是全長粘結性錨固體，頂部與主體結構連接處是需要重點進行防腐措施的位置，因為這個位置在施工灌漿過程中，土一側的約束常常有限，導致了灌漿不飽滿情況的出現，底板的施工也會導致錨桿頂受到破壞，以上的不利因素均會使得水體侵入錨桿以致于腐蝕發生。

為了消除上述錨桿腐蝕帶來的不利因素，可以采取下述技術措施[9- 10]：

(1)桿體鋼筋表面均全長涂刷環氧樹脂涂層，對鋼筋進行保護；

(2)錨桿頂部取消設置C15混凝土墊層，采用C20細石混凝土澆筑成倒錐形，澆筑底板混凝土前對其頂面糙化處理，加大、加強接觸面。

錨桿圖如圖1所示。

圖1 單錨桿大樣圖

4 結語

調蓄池是一項規模浩大的地下結構工程，其受力因素復雜多變，在計算其抗浮作用時，常規的二維模型已難以滿足精度需要。需要結合三維模型來確定極限工況條件下的計算結果。調蓄池的抗浮驗算過程不應該被忽視，從經濟性與適宜度的方面來確定抗浮措施。

本文選擇抗拔錨桿作為抗浮措施，經過計算，該調蓄池為達到抗浮需要，所需錨桿數量應不少于95根。同時嵌入地下的錨桿防腐措施也需要重點考量。調蓄池的設計中還應注意混凝土的配合比、摻合料的選用以及后期施工養護方面的問題，盡可能保證調蓄池結構抗浮能力穩定性。