埋置式矩形结构局部抗浮在抗浮计算中重要性的探讨

陈小刚，马忠武

（中国市政工程中南设计研究总院有限公司，武汉 430010）

埋置式矩形结构局部抗浮在抗浮计算中重要性的探讨

陈小刚，马忠武

（中国市政工程中南设计研究总院有限公司，武汉 430010）

随着社会的发展，城镇公共配套建设用地资源越来越稀少，对绿化的要求也相应提高，许多水厂构筑物、车库选择埋置式结构形式。埋置式结构的抗浮工程造价在构筑物总造价中占比例较高，因此，经济可靠的抗浮设计显得十分重要。论文结合湖北省某项目实际工程，对埋置式矩形结构的局部抗浮与整体抗浮进行计算，并将计算结果对比分析，结果表明,埋置式矩形结构抗浮计算中局部抗浮的计算分析不容忽视。该研究可为类似工程的计算与分析提供参考。

埋置式矩形结构；整体抗浮；局部抗浮；抗浮设计水位；抗浮方法

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.05.001

1　概述

随着社会的发展，越来越多的水厂生产构筑物、工业与民用建筑的地下室和地下车库选择埋置式矩形结构，该结构在占地面积降低、绿地率增加的同时，结构设计中必须重点考虑抗浮稳定安全。

通常埋置式构筑物设计中，小型构筑物一般考虑整体抗浮即可，但中大型构筑物的局部抗浮也是不容忽视的关键问题。整体抗浮即保证构筑物在地下水(包括上层滞水)或地表水浮力作用下结构整体不发生整体上浮或倾斜。局部抗浮是指保证在地下水(包括上层滞水)或地表水浮力作用下结构构件不产生超出允许的位移。一般工程中结构整体上浮较少见，多发生于尺度较小且构件强度较大的矩形结构。局部抗浮出问题的较多，常见于尺度较大的矩形结构，多表现在视为向下支承点处出现向上的位移，造成顶底板破坏，立柱破坏，壁板出现竖向裂缝等。

本文结合湖北省某水厂工程实践经验，通过对结构的整体抗浮及局部抗浮分别计算与对比，分析局部抗浮对结构内力的影响，为类似工程提供设计参考。

2　抗浮设计的水位确定

《给水排水工程构筑物结构设计规范》（GB 50069—2002）[2]中4.3.3条[1]明确的规定抗浮设计水位：原则上根据勘察部门和水文部门提供的数据采用，对于地表水宜按百年一遇洪水位考虑，对于地下水位应综合考虑近期内变化及构筑物设计基准期内可能的发展趋势确定。

大量工程实例表明，对于不透水或弱透水地质环境下，则必须考虑上层滞水、场内管道和构筑物漏水的可能性，这样的地质情况下，进入基坑范围内的水不易渗出，使池外水位具有累积性，对于这种情况，应充分考虑上层滞水对构筑物的浮托作用，若有条件时，可采取疏导措施，来消除或消减上层滞水、管道和构筑物漏水的影响，据此确定较合理的设计抗浮水位，否则抗浮水位应该考虑至设计地面。

如陕西省某污水处理厂的氧化沟的地基为不透水的膨胀土，地质勘察报告中的结论是：“地表以下36m范围内无地下水，设计按无地下水考虑”，仅在说明中有一句“在雨季不得放空”。设计时按照无地下水进行抗浮设计计算，结果在枯水季放空检查积泥时，因局部抗浮不足，造成底板开裂，池壁在变形缝处错位近40mm。

3　抗浮方法概述

抗浮方法主要从两个方向考虑，即增加结构抗力和减少浮力。本文仅介绍几种常见的抗浮方法及适用条件。

1）增加结构抗力措施有两种比较常用：第一种是结构自重抗浮，以底板、壁板、顶板等结构自重来抵抗浮力，这种方式只适合于抗浮地下水位较低或建筑物平面尺度较小的情况；另一种自重加配重抗浮，通常有顶板配重和底板配重两种方式，也有在底板下吊混凝土的做法，但此时应注意混凝土强度等级应满足结构耐久性要求，结构底板与所吊混凝土间传力要可靠。

2)减少浮力措施：采取永久或短期降水措施，减少地下水水头，从而减轻结构抗浮压力。这是比较经济的措施，但在设计中必须考虑水位监测（控）措施。

（1）导渗自流降水

本方法属于永久降水措施，适用于各类用途的构筑物。设计时在构筑物基坑下部或底板下部设置盲沟集渗，再设置专用管道排到水面较低的水体里，要求厂区内或厂区附近有稳定的排水出路。

设计时需要注意的是：专用排水管应绘制在厂区管道布置图中，详细标注管道各节点标高；采取措施防止专用排水管倒灌，并在构筑物基坑里布置地下水位监测井。

（2）集渗强排降水

本方法为短期降水措施，适用于地下水为上层滞水的情况。在设计基准期内，内部水位经常连续处于较高水位，仅用于构筑物土建施工、设备安装、清理、检查维修期需要短时的抗浮。在构筑物基坑下部或底板下部设置盲沟集渗，在适当的位置设集渗井，在需要抗浮期间，可通过集渗井抽排原基坑内的地下水，使地下水位降至设计抗浮水位以下，这种方式通常称之为管理抗浮。

设计时需要注意的是：图纸中应明确土建施工期和设备安装期的抗浮管理要求，还必须在运营后将"运行管理要求"纳入日常管理。

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（3）提高构筑物底板标高，减小浮托力

当场区地下水位高，为解决施工困难和抗浮等问题，条件允许时可采用提高底板标高，减少池深，同时加大平面尺寸，保证有效容积，修正后效果很好。

（4）无底抗浮

仅适于不透水的岩石地基，实际意义不大，本文不做详细讲解。

4　工程计算与分析

本算例为某水厂大型埋置式矩形敞口水池，如图1所示，结构形式为板壳式结构，水池长30m，宽20m，高3.5m。

图1　敞口水池效果图

该水池选择自重抗浮，按照《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》(CECS138:2002)[2]第6.1.3条、第6.1.6条进行计算，水池具体参数见表1。

表1　水池参数表

表2是该矩形敞口结构按照规范计算其在地下水作用下的内力结果，虽然整体抗浮满足规范要求，但局部抗浮不够，按照整体抗浮结果计算及配筋，导致该水池在投入使用1a后出现竖向裂缝。

表2　矩形敞口构筑物局部抗浮不足时的纵向弯矩

通过计算结果可以看出，本构筑物整体抗浮可以勉强过关，而局部抗浮不够，这样的结构在地下水扬压力的作用下往往会因纵墙（梁）抗弯强度不足而出现竖向裂缝。

本算例为某水厂大型埋置式矩形水池，如图2所示，结构形式为无梁楼盖，水池长24m，宽24m，高4m。

图2　无梁楼盖效果图

该水池选择自重抗浮及配重抗浮(顶板覆土0.3m)两种方式，按照《给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程》(CECS 138:2002)第6.1.8条计算其在地下水作用下的内力，水池具体参数见表3。

表3　水池参数表

结构计算时，采用理正计算软件，按照规范选取有代表性的4m宽的截条计算结果如下：图3a为自重抗浮，图3b为配重抗浮（顶板覆土0.3m）。两种方式计算水池在地下水作用下的内力结果（此结果未作空间调整）见表4，可以看出局部抗浮不足给结构内力造成的巨大影响。

图3　水池内力图

表4　不同覆土厚度空池时的计算结果比较(覆土重度=16kN/m3)

通过以上计算，不难看出内力的巨大差别。其中，池顶无覆土的局部抗浮系数为0.88，不满足规范要求，池顶覆土0.3m的局部抗浮系数为1.20，满足规范要求。通过以上计算及分析，可以看出，局部抗浮设计的作用是保证计算简图中向下的支承点不产生向上的位移，从而保证大跨度底板及较长的壁板在地下水作用下有足够的安全度。

5　小结

在水厂和地下构筑物施工、安装、运行、检修中出现“浮池”事例较多，危害较大；其中，多数发生于被“认定”为无地下水或地下水位在池底以下的场地的事实，由于无法准确衡量，因此要谨慎地确定设计抗浮水位。

构筑物抗浮工程造价，在水厂和地下构筑物的结构工程造价中占有相当比例，在抗浮措施上，宜从多方面考虑，经过技术、经济比较后确定抗浮方案，以期达到安全可靠，经济合理的效果。

严格地讲，构筑物抗浮是个系统工程，对于大型埋置式箱型构筑物在满足整体抗浮的前提下，必须考虑局部抗浮，在设计的过程中只有多方面配合，才能做到安全可靠，经济合理。

【1】GB50069—2002给水排水工程构筑物结构设计规范[S].

【2】CECS 138:2002给水排水工程钢筋混凝土水池结构设计规程[S].

Discussion on the Importance of Local Anti-floating of Embedded Type Rectangular Structure in Anti-floating Calculation

CHEN Xiao-gang，MA Zhong-wu
(Central and Southern China Municipal Engineering Design&Research Institute Co.Ltd.,Wuhan 430010,China)

With the development of society,the land resouces for public construction in city and town are less and less.The requirement of greening increases.The embeded type structure is widely used in structures of water works and garages.The project cost for anti-floating of embeded type structure takes large proportion in the total project cost.So economical design for anti-floating is very important.The local and whole anti-floating calculations of embeded type rectangular structure are conducted in this paper,combining one project in Hubei province. Comparison of the calculation results is analyzed.The results show that the local anti-floating calculation cannot be ignored in anti-floating calculation of embeded type rectangular structure.The study can provide references for design of similar engineering.

embeded type rectangular structure;whole anti-floating;local anti-floating;groundwater elevation in anti-floating design;anti-floating method

TU359

A

1007-9467（2016）05-0019-03

陈小刚（1971～），男，湖北江陵人，高级工程师，从事结构工程设计与研究，（电子信箱）172319660@qq.com。

2015-11-19