廣州某辦公大樓地下室排水減壓設計

郭遠翔, 吳晨浩, 沈雪龍

(1.華南理工大學土木與交通學院，2.華南理工大學建筑設計研究院，廣州 510640)

傳統的地下室抗浮設計方法為采用抗拔構件來直接抵抗地下水浮力[1]。隨著城市化進程的推進，地下空間的利用也朝著更深更廣的方向發展，這也使得地下室底板受到的來自地下水的浮力趨于增大。在實際工程中，地下水的設計水位存在不確定性，這也導致抗拔構件的抗拔力可能不足以平衡地下水的浮力，進而帶來災難性的后果。廣東佛山某大廈地下室頂板由于地下水浮力的影響，上拱213 mm[2];青島某商場由于地下水位上升，引起地下室頂板上浮且并發裂縫[3]；四川某工程在經歷降雨后，引發地下室頂板上浮170 mm，同時伴有滲水現象[4]；深圳市某建筑在主體施工完畢后半個月，發生局部上浮，最高上浮點達397 mm，并伴有混凝土壓碎現象[5]。

上述工程事故的共同點在于錯誤地估計了地下水浮力對地下室的影響。為杜絕此類事故的發生，本工程提出采用“疏導”的方法來減少甚至消除地下水浮力對地下室底板的影響。

1 項目概況

廣州市某辦公大樓位于廣州市番禺區，南側為一低矮建筑，北側為一空地，東西側均為山地，現場場地大部分位于停車場內，局部位于山地上，總體地形有一定起伏。場地總體呈方形，總用地面積約為69 457 m2。擬建一棟地上20層、地下2層的綜合辦公樓，地下室占地面積約21 000 m2，建筑效果圖如圖1所示。

圖1 建筑效果圖Fig.1 The construction effect graph

地下室基坑總體呈近似L形，基坑周長約710 m，±0.00 相當于絕對標高15.00 m，場地周邊自然地面標高設計平整后約為11.50～14.00 m(絕對標高)，基坑底面絕對標高3.50～4.50 m，基坑設計開挖深度8.00～10.50 m。場地內樓房主樓采用鋼管混凝土柱框架-混凝土核心筒結構，裙樓采用鋼筋混凝土框架結構。著重對其地下室排水減壓設計進行研究。

2 水文地質情況

依據該工程《巖土工程詳細勘察報告》，本工程所在場地自上而下土層地質如表1所示。

場地地下水主要賦存和運移于素填土1、中砂2-2的孔隙中。沿線除粗砂2-2屬強透水和主要含水層，水量較豐富外，其余各土層均屬弱透水、弱含水層或相對隔水層，地下水量較貧乏。其中中砂2-2的地下水屬承壓水，素填土1屬上層滯水。地下水主要接受大氣降水的下滲、相鄰含水層及地表水的滲透補給。

本工程地下水位的變化隨季節性變化較大，一般雨季水位略有抬升，旱季水位略有降落。勘察期間大致為平水-枯水期，在沖洪積洼地測得鉆孔中地下水初見水位為0.80～2.50 m(標高9.45～12.67 m)，穩定水位一般為1.20～2.80 m(標高10.77～15.13 m)；在殘坡積地段水位埋藏較深，未見有初見水位，穩定水位一般為3.00～7.60 m(標高10.97～12.39 m)。

3 滲流減壓設計

在綜合考慮場地情況、工期以及經濟效益之后，本工程地下水控制采用靜水壓力釋放技術，相當于采用明溝排水的方法，利用疏水層收集地下水，并匯聚至盲溝，再讓地下水沿著盲溝流入到集水井中，進而消除地下水對地下室底板的浮力。由于浮力的消失，在設計地下室時，可取消抗浮構件。這一方法稱為“滲流減壓”或“釋放水浮力法”設計[6]。

3.1 滲流減壓設計原理概述

滲流是沿著巖土內部的孔隙流動的，發生于存在水頭差的含水土層中，通常遵循達西(Darcy)定律。在穩定流這一條件下，滲流流量等于滲透系數、斷面面積和水力坡降的乘積。

在工程建設過程中，基坑降水后，會使得基坑內的水頭小于基坑外的水頭，形成水頭差。設置止水帷幕可防止地下水直接通過基坑側壁滲入到基坑中，但地下水仍可以繞過止水帷幕的底部來滲入到基坑內部，因此需要采取措施來應對地下水對基坑的影響。當止水帷幕對基坑側壁的止水效果較好，且基坑底部的土層滲透系數較小時，滲入基坑內的地下水將十分有限且可控。

基于這一實際情況，提出排水減壓設計方法，即在地下室原狀土層上鋪設一層具有一定厚度及坡度的碎石疏水層，并在疏水層上方設置隔水層，當地下水由原狀土向上滲入后，抵達碎石疏水層，而疏水層具有較大的滲透系數，地下水在重力的作用下將流至集水盲溝中，再經由盲溝抵達集水井，集水井中設置抽水泵用于將地下水及時抽走。常見的釋放水壓力系統應該包括五個部件[7]，即透水系統、集水系統、出水系統、滲流檢測系統以及水箱，如圖2所示。

表1 各層巖土參數建議值

注：*表示經驗值。

為使得排水減壓系統成立，要保證滲流水每天的補給量是有限的，因此限制地下水的滲流補給以及準確分析地下水的日補給量是設計中的重要一步。由于滲流減壓系統的應用，理論上地下水滲透原狀土后，會及時被匯聚到集水井中，因而地下水對地下室底板不產生影響，因此可以取消地下室抗拔樁與抗拔錨桿的設置[8]，帶來經濟效益與技術效益。

1為滲流壓監測系統；2為專用水箱或集水井；3為基礎底板；4為素混凝土墊層；5為透水系統；6為給水系統；7為出水系統；8為開挖面圖2 釋放水浮力系統示意圖Fig.2 Releasing buoyancy system diagram

3.2 滲流減壓設計方案

在保證滲流補充水量有限可控的前提下，在地下室基坑底設置疏排水系統可將滲流水及時排走。本工程塔樓部分因可滿足整體抗浮要求，可不專門進行排水減壓設計。其余地下室設置碎石疏水層，如圖3所示，具體為：地下室底板厚600 mm，墊層以下則為用碎石夯實填充鋪設的疏排水系統；上層為沿地下室全范圍設置的400 mm厚的碎石疏水層，任何部位滲出的地下水均可在該層中流動至排水盲溝。疏水層以下為網狀分布的排水盲溝，溝深0.5 m、寬0.5 m，內部填充碎石并埋設直徑為200 mm的集水管，盲溝沿地下室輪廓線一圈附近有一道分布，根據滲流分析結果，該處為滲水量最大的位置，利用盲溝可將其直接截流，然后中間用縱橫盲溝網狀相連，使水路相互連接貫通，且控制盲溝之間的間距不大于20 m，使疏水層內的最大排水坡度達到1.5%左右。

在網狀的排水盲溝中，滲透水主要沿外圈主截流溝均勻布置若干集水井，集水井在盲溝以下范圍長寬為1.5 m、深為1.2 m，集水井布置需結合給排水專業設計要求，間距30～50 m，使盲溝內的最大排水坡度普遍不小于0.5%。地下水最終會匯集到集水井處，當集水井中的水位升高至一定高度時，井內的水泵自動啟動，將積水在短時間內迅速抽走。這樣一來便保證了混凝土墊層處于永久干爽無水狀態，也不會承受水浮力。具體的滲流減壓疏排水系統布置如圖4所示。

圖3 碎石疏水層示意圖Fig.3 Gravel hydrophobic layer diagram

圖4 滲流減壓疏排水系統布置示意圖Fig.4 Layout of seepage decompression and drainage system

在地下室平面中布置水壓監測點，具體做法如圖5所示。用一根長度約為1.9 m的透明直管穿過地下室底板與混凝土墊層，到達碎石疏水層的中部，由于采用排水減壓設計方法，理論上地下水只會經由疏水層的下部匯集至排水盲溝，因此在透明觀察管中是無法見到水體的。若在透明管中發現有較高的水位，或地下水從管中溢出，則說明疏水層中存在較大的水壓力，則本方法有可能已失效。

圖5 水壓監測點示意圖Fig.5 Hydraulic pressure monitoring diagram

4 地下水滲流有限元分析

4.1 分析模型

Plaxis是一款用于分析巖土工程的有限元軟件，中國一些學者[9-10]采用此軟件來模擬實際工程，并得到良好的擬合結果。

本項目地下室底板落于絕對高程3.5 m高度處，以工程地質剖面圖2-2為例，如圖6所示，地下室底板主要位于砂質黏性土層4-2中，即為圖6中加粗點畫線位置。采用Plaxis軟件進行分析，計算建模時，各土層數據采用表1中的對應的土層參數，基坑左側土體自上而下的土層依次為4-1、4-2、5-1、5-2，基坑右側土體自上而下依次為1、2-1、4-1、4-2、5-1、5-2。考慮最不利的水頭高度，取本地最高水頭高度為絕對高程15.13 m。

作為分析對象的土體剖面，其水平向范圍取從基坑外輪廓外擴約5倍基坑深度，豎直向則取坑底以下約3倍基坑深度，各層巖土分界及材料屬性根據勘察報告結果進行設置，止水帷幕采用不透水材料建模，底端穿過砂卵石層、淤泥質土層進入粉質黏土層大于等于1 m，且低于基坑底不小于3 m。分析時假定模型底部為不透水邊界，指定基坑底部及頂部周邊為自由水面。具體模型如圖7所示。

4.2 分析結果

分析結果顯示，對于剖面2-2，其最大滲流率為47.9×10-3m3/(m·d)，發生在基坑周邊位置，主要為地下水繞過止水帷幕的底端滲到基坑周邊，而基坑內部基本無地下水滲入，如圖8、圖9所示。

圖6 工程地質剖面2-2Fig.6 Engineering geological profile 2-2

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

圖8 剖面2-2滲流率云圖Fig.8 Seepage rate nephogram of geological profile 2-2

圖9 剖面2-2滲流率示意圖Fig.9 Seepage rate diagram of geological profile 2-2

本次分析采用了兩組巖土滲透系數進行滲流分析，一組是勘察報告中給的經驗值，計算得到的總滲流量為111.65 m3/d，單位面積滲流量為0.005 3 m3/(m2·d)，另一組是結合工程經驗得出的巖土滲透系數，得到的坑底總滲流量為137.08(m2·d)，單位面積滲流量為0.0065 m3/(m2·d)，均小于《CMC靜水壓力釋放層技術規程》限值0.03 m3/(m2·d)。因此，坑底滲水量是有限和可控的[7]。

5 經濟技術效益分析

本方案采用排水減壓技術，無需施打抗拔樁，取消的抗拔樁數量約為2 600根，總長度為26 000 m，取消了板底防水層做法，同時增加了疏排水系統的工程量。

本工程采用的水泵參數為：功率5.5 kW，額定流量40 m3/h，揚程20 m。依據前文，本工程地下室每日的總滲流量為137.08 m3，劇此計算得出每天抽水所需用電為18.8 kW時。當前商業用電電費約為1.2元/kW時，據此算得每年水泵用電費用約為0.82萬元。考慮到水泵的維護成本等，將這筆費用取為2萬/年。

以本建筑50 a設計周期來計算需要用水、用電總費用，經濟對比分析如表2所示。

表2中的綜合單價為按以往工程經驗了解到的市場估價，實際價格由甲方根據實際情況作相應調整。由表2可知，采用排水減壓設計方案可節省約400萬元，且本設計抽取的地下水可用于綠植灌溉等，具有明顯的經濟效益。

本工程對工期要求比較嚴格，采用排水減壓技術方案，相比采用抗拔樁方案，施工工期短，工藝簡單，對縮短工程總工期、保證項目按時完成，具有很大的幫助。

表2 工程量及造價對比

6 結論

本項目竣工于2018年5月，正處于廣州降水量較大的季節，截至目前，布置于地下室平面中的各水壓監測點均未觀察到水體，說明本方法行之有效。

通過闡述廣州某工程辦公大樓地下室排水減壓設計的原理、分析過程以及經濟技術效益分析，得出以下結論。

(1)排水減壓設計方法將地下室抗浮設計由傳統的以“抗拔”為主的抗拔設計改變為以“排水”為主的疏導設計。

(2)設置碎石層旨在為地下水提供一個有效的排水路徑，從而減小甚至完全消除地下水對地下室底板的影響。

(3)相比傳統的抗拔設計，采用排水減壓設計方法可以有效降低造價，同時可以縮短工期，帶來較大的經濟技術效益。