人工島上新建建筑地下室的排水減壓抗浮計(jì)算

黃 俊 宋永良 曲紅波 李奇志 陳 之

中國(guó)建筑第二工程局有限公司華南分公司 廣東 深圳 518048

橫琴口岸及綜合交通樞紐功能區(qū)項(xiàng)目地下水壓大，最大達(dá)180 kPa，絕大部分地下室底板地下水壓力為140 kPa。工程基坑大且分期開(kāi)挖，分坑樁多，分坑樁處底板防水能力薄弱。基坑內(nèi)支撐穿墻孔洞多、水荷載大，地下室外墻存在較大的滲水隱患；地下室結(jié)構(gòu)面積大，達(dá)13.6萬(wàn) m2，為超長(zhǎng)結(jié)構(gòu)施工，勢(shì)必造成混凝土結(jié)構(gòu)開(kāi)裂概率相對(duì)較大。因此，本項(xiàng)目地下結(jié)構(gòu)防水難度非常大，影響項(xiàng)目使用功能及觀感，此外仍須采用常規(guī)的抗浮措施，進(jìn)而大幅增加地下結(jié)構(gòu)抗浮的費(fèi)用。如能有效減少底板上的水壓力，可較好解決這一系列問(wèn)題[1-5]。

本次計(jì)算采用水平二向滲流有限元分析方法，使用多層透水地層滲流計(jì)算程序進(jìn)行計(jì)算，該程序前期已在多個(gè)項(xiàng)目的滲流場(chǎng)分析和工程處理中應(yīng)用過(guò)，效果顯著，得到廣泛好評(píng)。

1 工程概況

橫琴口岸及綜合交通樞紐工程位于廣東省珠海市橫琴區(qū)，總用地面積34.5 hm2，總建筑面積逾130萬(wàn) m2，其中通關(guān)大廳主體工程地下3層，地上4層，基坑坑底絕對(duì)高程－10.6～－5.6 m，基坑周邊絕對(duì)高程2.70～5.65 m，基坑深度為9.2～13.3 m。基坑呈矩形，周長(zhǎng)為611 m，開(kāi)挖面積為21 251 m2。

本工程場(chǎng)地原始地貌單元屬于濱海灘涂，原地勢(shì)低洼，后經(jīng)人工填土、填砂抬高。地勘揭露通關(guān)大廳主體工程地下室底板處于①2沖填土與②淤泥之間，場(chǎng)地地下水位埋深0.10～1.20 m，平均0.62 m，素填土層和沖填土層賦存的上層滯水不可忽視。珠海地區(qū)降雨量豐富，介于1 700～2 200 mm之間。

本工程若按常規(guī)抗浮設(shè)計(jì)，將以抗拔樁和抗浮錨桿為主，但本工程地下水豐富，地下水位高，絕大部分地下室底板水壓力為140 kPa，最大水壓力達(dá)180 kPa，且工程大部分為交通樞紐，塔樓部分少，上部結(jié)構(gòu)自重小于水壓力。按常規(guī)抗浮設(shè)計(jì)，抗浮措施成本高、工期長(zhǎng)。由于場(chǎng)地內(nèi)分坑樁多、分縫多，支撐預(yù)留孔洞多，地下室底板及外墻存在較大的滲水隱患。又由于地下結(jié)構(gòu)面積大，連續(xù)澆筑易造成混凝土開(kāi)裂較多，地下室結(jié)構(gòu)自防水難度大。

在綜合考慮工程抗浮設(shè)計(jì)的困難和地下室防滲漏措施的需求后，項(xiàng)目決定通過(guò)減少地下室底板以上的水壓力來(lái)有效解決這一系列問(wèn)題，并采用水平二向滲流有限元分析方法，對(duì)地下室截排減壓抗浮滲流場(chǎng)進(jìn)行分析，確保工程截排減壓方案設(shè)計(jì)的有效性。

2 截排減壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

采用“止水帷幕＋疏水層（中粗砂＋碎石）＋減壓井＋自流進(jìn)入集水系統(tǒng)”截排減壓系統(tǒng)方案，利用止水帷幕截?cái)嗟叵率覂?nèi)外的水力聯(lián)系，減少基坑涌水量；在底板下鋪設(shè)厚500 mm疏水層（300 mm碎石層＋200 mm中粗砂反濾層），將地下室外周土層內(nèi)的滲水迅速引導(dǎo)至排減壓井中，減壓井蓄滿水后，水由鋼塑管自流排往地下室的減壓集水坑，最終把水排至市政系統(tǒng)（圖1、圖2）。根據(jù)計(jì)算，場(chǎng)地地下結(jié)構(gòu)范圍外大部分沉降差值小于90 mm，總體來(lái)說(shuō)，減壓井排水引起地表沉降小，對(duì)周邊環(huán)境影響小，符合規(guī)范及環(huán)境要求。

圖1 地下室節(jié)點(diǎn)示意

圖2 外墻節(jié)點(diǎn)示意

3 排水減壓計(jì)算區(qū)域及邊界情況

A區(qū)東側(cè)緊鄰城軌車站，A區(qū)與B1區(qū)、A區(qū)與B2區(qū)之間分別緊鄰并間隔信德地塊和灝怡地塊，B2區(qū)南側(cè)緊鄰中葡地塊和南光地塊，城軌車站、信德地塊、灝怡地塊、中葡地塊和南光地塊均采用地下連續(xù)墻作為支護(hù)結(jié)構(gòu)和止水帷幕，A區(qū)、B1區(qū)和B2區(qū)與這5個(gè)地塊的連接處均采用它們的地下連續(xù)墻作為本項(xiàng)目的支護(hù)結(jié)構(gòu)和止水帷幕。A、B、C、D區(qū)域的其他部分均采用攪拌樁作為止水帷幕。地下室和止水帷幕形式，以及周邊的地下室情況，如圖3所示。

另外，地下室側(cè)墻與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)間將采取回填方案，回填區(qū)域內(nèi)下層主要填充中粗砂，地表填土層部分采用黏土封底，周邊利用土工膜密封，頂部采用素混凝土板封頂。

圖3 地下室及止水帷幕平面示意

采用水平二向滲流有限元分析方法計(jì)算區(qū)域水力邊界：東面取至十字門(mén)水道邊，南面取至天沐河邊，西面取至子期北道旁的洪渠邊，北面取至大角頂山腳下，東北面邊界與十字門(mén)水道邊界垂直。東南西北四面為主要的來(lái)水邊界，計(jì)算時(shí)水頭山邊按地表取值，水域按最高潮位大致取至地表；東北面地下室水流由山腳流入十字門(mén)水道，取其一條近似流線，作為計(jì)算區(qū)域的不透水邊界（圖4）。

圖4 計(jì)算邊界區(qū)域

4 土層概況

計(jì)算時(shí)，將素填土和沖填土層合為1層，稱為填土層；將淤泥層、粉質(zhì)黏土層、淤泥層土層以及作為夾層零星分布的中砂層合為1層，稱為淤泥層；礫砂層單獨(dú)為1層。因而從地表往下共分三大類土層，以礫砂層層底為最低面。分析勘察報(bào)告中的地址剖面圖可知，三大類土層大致均勻分布，層面間的高程起伏變化不大，統(tǒng)計(jì)各土層的層面和層底高程，取其絕對(duì)高程的平均值。

5 計(jì)算工況及模型水頭邊界條件

按暴雨工況和正常水位工況進(jìn)行計(jì)算分析。

1）正常水位工況。根據(jù)勘察報(bào)告，地下室周邊地勢(shì)較為平坦，各鉆孔揭露水頭在地表以下1.00 m以內(nèi)。來(lái)水邊界水頭均取至地表絕對(duì)高程即3.50 m。地下室所承受的水壓主要來(lái)自礫砂層的承壓水。礫砂層與十字門(mén)水道連通。

2）暴雨工況。以此工況計(jì)算，所得水頭分布校核底板所受的揚(yáng)壓力。暴雨工況為最不利工況，在考慮礫砂層的承壓水的同時(shí)，考慮地表水滲入。

6 地下水頭計(jì)算參數(shù)

根據(jù)A區(qū)的地質(zhì)勘察報(bào)告，各土層的滲透系數(shù)統(tǒng)計(jì)值如表1所示。據(jù)此，三大類土層的滲透系數(shù)取值為：填土層為7×10－3cm/s，礫砂層為4×10－2cm/s，項(xiàng)目范圍外淤泥層為1×10－6cm/s。考慮到零星分布的夾層中砂層，將此大層的滲透系數(shù)適當(dāng)提高取至10－6量級(jí)。

表1 滲透系數(shù)統(tǒng)計(jì)

另外，項(xiàng)目場(chǎng)地內(nèi)存在不少的地質(zhì)鉆孔和工程樁，考慮到地質(zhì)鉆孔的封堵不嚴(yán)和工程樁與土體間的間隙滲水問(wèn)題，項(xiàng)目范圍內(nèi)淤泥層的滲透系數(shù)比項(xiàng)目外的大10倍，即為1×10－5cm/s。后文將在此基礎(chǔ)上進(jìn)行選取，項(xiàng)目范圍內(nèi)淤泥層的滲透系數(shù)分別取與項(xiàng)目范圍外淤泥層一致時(shí)、增大20倍及增大30倍時(shí)的系數(shù)，即取值分別為1×10－6、2×10－5、3×10－5cm/s，對(duì)滲流場(chǎng)作敏感性分析。

對(duì)于止水帷幕，其主要作用在于堵截填土層的上層滯水和地表來(lái)水。緊鄰地塊的地下連續(xù)墻防滲效果較好，滲透系數(shù)取值為1×10－6cm/s。攪拌樁止水帷幕的滲透系數(shù)取值為1×10－5cm/s。比周邊的淤泥層的滲透系數(shù)大一個(gè)量級(jí)，計(jì)算時(shí)實(shí)際上可不考慮攪拌樁的止水作用。同時(shí)，又在攪拌樁與地下室側(cè)墻之間填土層厚度范圍內(nèi)采用黏土、土工膜等進(jìn)行封堵，截住填土層對(duì)地下室疏水層的透水通道。因此，攪拌樁成樁的效果并不是影響滲流場(chǎng)的重要 因素。

抗浮設(shè)施中將在地下室底板以下鋪設(shè)厚500 mm的疏水層，疏水層由厚200 mm的中粗砂和厚300 mm的碎石自下而上組成，滲透系數(shù)取值為5×10－2cm/s。攪拌樁與地下室側(cè)墻之間的縫隙回填中粗砂（以下稱回填區(qū)），中粗砂滲透系數(shù)取值為5×10－2cm/s；地表以下填土層厚度范圍內(nèi)回填相對(duì)不透水材料，回填料的滲透系數(shù)綜合取值為1×10－6cm/s。

綜合上述，模型的計(jì)算參數(shù)取值如表2所示。

表2 模型計(jì)算參數(shù)

7 地下水頭計(jì)算結(jié)果

7.1 正常工況

正常工況下，項(xiàng)目范圍內(nèi)淤泥層的滲透系數(shù)取值為1×10－5cm/s，攪拌樁滲透系數(shù)為1×10－5cm/s，其他土層滲透系數(shù)取值均如表2所示。A、B區(qū)2層地下室水頭分布大致為－5.0～－4.0 m，A、B、C、D區(qū)3層地下室水頭分布大致為－9.0～－8.5 m。減壓井總出水量為585.2 m3/d。

7.2 暴雨工況

暴雨工況下，各土層的滲透系數(shù)取值與正常工況下的一致。在考慮礫砂層的承壓水的同時(shí)，考慮地表水入滲，同時(shí)取非地下室區(qū)域和非回填區(qū)域的區(qū)域地下水位為3.5 m。A、B區(qū)2層地下室水頭分布大致為－6.0～－4.0 m，A、B、C、D區(qū)3層地下室水頭分布大致為－9.0～－8.5 m。減壓井總出水量為591.4 m3/d。

7.3 2種工況對(duì)比

為了更直觀地比較地下室底板在正常及暴雨2種工況下的水頭分布情況，此處選擇縱、橫2個(gè)典型剖面進(jìn)行分析，2個(gè)工況下地下室底板處的水頭分布如圖5和圖6所示。

圖5 典型剖面

圖6 2種工況下的水頭分布

正常工況和暴雨工況下，地下水頭分布和減壓井總出水量的對(duì)比情況如表3所示。由表可知，正常工況和暴雨工況下，地下的水頭分布一致，減壓井總出水量大致相同，暴雨工況下的井總出水量?jī)H比正常工況下的大6.2 m3/d。

表3 2種工況對(duì)比

8 項(xiàng)目?jī)?nèi)淤泥層的滲透系數(shù)敏感性分析

多次計(jì)算表明，在各種土層參數(shù)中，項(xiàng)目范圍內(nèi)淤泥層的滲透系數(shù)對(duì)滲流場(chǎng)的影響最大。現(xiàn)將項(xiàng)目范圍內(nèi)淤泥層的滲透系數(shù)分別取1×10－6cm/s（與項(xiàng)目外淤泥層的滲透系數(shù)一致） 、1×10－5cm/s（正常情況下）、2×10－5cm/s 和3×10－5cm/s（極端情況下），將計(jì)算所得的項(xiàng)目?jī)?nèi)地下水頭分布和減壓井總出水量進(jìn)行對(duì)比。

由地下水頭計(jì)算結(jié)果可知，正常工況和暴雨工況下，滲透場(chǎng)和減壓井總出水量的變化不大，因此進(jìn)行敏感性分析時(shí)，僅以正常工況為例。地下室水頭分布和減壓井總出水量的對(duì)比結(jié)果如表4所示。

表4 水頭分布和井總出水量統(tǒng)計(jì)

由表4可知，考慮地質(zhì)鉆孔的封堵不嚴(yán)、工程樁與土體間的間隙滲水問(wèn)題，項(xiàng)目范圍內(nèi)的淤泥層滲透系數(shù)分別取1×10－6cm/s（與項(xiàng)目外淤泥層的滲透系數(shù)一致）、1×10－5cm/s（正常情況下）、2×10－5cm/s和3×10－5cm/s（極端情況下）時(shí)，大部分面積的2層地下室底板所承受的水頭均為－5.0～－4.5 m，僅部分小面積區(qū)域的水頭分布 較大。

項(xiàng)目范圍內(nèi)的淤泥層滲透系數(shù)增大時(shí)，3層地下室底板所承受的最大水頭將由－8.5 m增大至極端情況的－7.5 m，減壓井總出水量由297.5 m3/d增大至極端情況下的1 455.2 m3/d。本項(xiàng)目的基坑滲水量將由實(shí)際測(cè)試核實(shí)，并可推算項(xiàng)目范圍內(nèi)淤泥層的實(shí)際滲透系數(shù)。

9 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目地下室底板下弱透水地層厚度超過(guò)30 m，下伏強(qiáng)透水砂層，其與十字門(mén)水道聯(lián)通，迅速補(bǔ)充滲流缺失，控制降水漏斗的范圍和大小。

本項(xiàng)目地下室采用截排減壓抗?jié)B技術(shù)，通過(guò)少量的排水，大大降低了作用在底板上的水壓力，同時(shí)又不會(huì)引起周邊地表過(guò)大的沉降。大直徑無(wú)砂混凝土淺井＋自流進(jìn)入集水系統(tǒng)的施工方案經(jīng)過(guò)以往工程的實(shí)踐檢驗(yàn)，能保證長(zhǎng)期可靠。

經(jīng)分析計(jì)算，采用截排減壓防滲方案后，在正常條件下，A、B、C、D區(qū)地下室3層和2層底板的抗浮水位可由原來(lái)的黃海高程5.4 m降至為－8.5、－4.5 m，排水量約為600 m3/d。如果考慮地質(zhì)鉆孔的封堵不嚴(yán)密和工程樁與土體間的間隙滲水，地下室3層和地下室2層底板的抗浮水位升高至－7.5、－4.0 m，排水量約為1 500 m3/d。項(xiàng)目采用水平二向滲流有限元分析方法，運(yùn)用多層透水地層滲流計(jì)算程序，對(duì)地下室截排減壓抗浮滲流場(chǎng)進(jìn)行分析，截排減壓抗?jié)B技術(shù)通過(guò)大幅降低作用在底板上的水壓力，確保工程截排減壓方案設(shè)計(jì)的有效性。