排水减压技术设计应用研究

陈志坚

(中国城市建设研究院有限公司福建分院 福建福州 350004 )

0 引言

近年来随着国家经济飞速发展，如雨后春笋般不断涌现出超大型地下结构。其设计基础深度往往在15m以下，在这个深度范围内，常会遇到复杂的工程地质与水文地质条件，而这类超大型地下结构工程上部结构自重荷载一般较小，使其结构抗浮问题愈发突出。目前比较常用的抗浮设计是采用配重法、抗浮锚杆(索)、抗拔桩等被动抗浮措施。对于大部分华南沿海地区而言在相应多层地下结构基础开挖深度处往往存在一层低透水地层(如福州地区地质一般有一段一定深度的淤泥层)，这就给近年来越来越多使用排水减压技术(主动抗浮措施)提供了适用条件[1-3]。

1 工程概况

1.1 工程简介

该项目位于福州市仓山区南三环国际商贸城，总建筑面积为1 295 007m2，其地上建筑面积为377 649m2，地下建筑面积为917 358m2。建筑用地被市政规划道路分隔成A区、B区、C区、D区共4个区域。建筑场地类别分别为:A、B区为多层商业场馆；C、D区为高层商业服务楼、超高层商务办公楼；三层地下室为地下二层商业和地下三层汽车库及设备用房。

1.2 场地水文地质条件

根据地质勘察资料，该工程场地为冲堆积成因的河谷阶地地貌单元，高程起伏较小，场地内覆盖层主要为第四系不同成因类型的岩土层(成因类型分别为人工堆填、淤积、冲洪积、残积等)，基底为不同风化程度的花岗岩(具体岩土层分布特征如表1所示)。地下水类型主要为赋存于①-A层素填土及②层粉质粘土上部耕土中的上层滞水，③-夹层细砂、③-A层含泥中细砂和⑧-1层圆砾中孔隙承压水，以及下部花岗岩风化带中的风化孔隙-裂隙水。钻孔最高地下水位埋深为0.70m，最大水位高程为5.25m，场地南侧的马州江勘察期间最高。水位高程为3.5m，据了解近3～5年最高水位高程约5.8m，场地南侧盖山路路面高程约为6.70m，场地内道路高程多在7.0m～7.2m之间，建筑设计地坪整平高程为7.35m和7.55m，建筑抗浮设计水位高程按6.00m(黄海高程)考虑。

表1 场地岩土层分布特征

注：1.摘录自《岩土工程勘察报告》 ;2.③-B层淤泥夹薄层粉细砂为软弱土层，弱透水层。

2 排水减压的设计思路

2.1 排水减压的设计原理

排水减压技术是利用基础下低透水地层(土层或岩层)的透水特性，以物理方法于基础底板下建造一层于结构物使用年限内具永久性功能的透水层，经由集水管网系统，将渗至基底的压力水以自然溢流方式排至专用清水池水箱中，再以高水位溢流管排除到建物原设计的废水池中。当排除基础底板蓄留水的能力远大于渗流入基底的地下水时，基底便不会形成超额水压力，达到控制基础底板下方水浮力的功能，以符合设计要求的目的。

2.2 排水减压的适用条件

(1)采用水密性围护结构(连续壁、挡土排桩+止水围幕)设计时：基础底板到挡土设施底端，必须有厚度大于2.0m 且渗透系数k小于等于10-4cm/s 土层或岩层。当基底土层渗透系数k大于10-4cm/s或存在局部高透水裂缝时，可采用地质改良、换土或注浆等方式降低土层渗透系数以符合本工法使用条件。

(2)采用非水密性挡土设施(挡土排桩)设计时：基础底板面上、下方2m 必须全部为渗透系数k小于等于10-5cm/s 的土层或岩层。

(3)采用放坡开挖(明开挖)时：基础底板面上、下方2m 必须全部为渗透系数k小于等于10-5cm/s的土层或岩层，并须评估地层水平渗透系数(kh)及垂直渗透系数(kv)的影响。地下室完成开挖面回填时，最下方须配合回填至少2m 渗透系数k小于等于10-5cm/s 的低透水性土壤。

(4)经评估基底土层每平方米每天的渗流水量Q≤0.03m3建(构)筑物。

2.3 渗水量计算及集水坑的布置

根据地质勘察资料，该项目建筑抗浮设计水位高程按6.00m(黄海高程)考虑。地坪标高±0按8.15m考虑，底板面标高为-6.03m,设计水头大致有129.5kN/m2,其中③-B层淤泥夹薄层粉细砂渗透系数k为1.5×10-6cm/s,⑥层粉质粘土渗透系数k为5.0×10-5cm/s，结构方案控制水位为-3.53m，故排水减压的水压力△H为6-(-3.53)=9.53m。馆内馆外分别取几组孔位进行计算水量；如馆内ZK269：⑥层粉质粘土底标高-36.04m,水力路径L=36.04-3.53=32.51m;③-B层淤泥夹薄层粉细砂底标高-25.54m,加权平均渗透系数k为0.000 061cm/s，水力坡降i=△H/L=9.53/32.51=0.293，根据达西渗透定律渗透水量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设置一集水坑，则抽水能力为0.015×900×10/24=5.63m3/h(10倍的安全系数，满足长期使用要求)。

2.4 疏水管路布设思路

该项目基本柱网间距为8.4m～10.8m,沿柱间距中点布置100径双壁高密度聚乙烯打孔波纹地下排水管(专用接口连接。管孔大小为10mm×2mm,180度开孔，环刚度大于6.3，平面布置示意如图1所示)。每段PVC滤水管需疏水能力为0.015×10.8×10.8×10/24/3600=2.025×10-4m3/s(10倍的安全系数，满足长期使用要求)。参考《给水排水设计手册·第1册·常用资料》[5]，100径管过水面积A=0.004m2;基床降坡s=0.004;湿周P=0.157m;粗糙系数n=0.0125;查表得疏水能力即容许流量为1.732×10-3m3/s>2.025×10-4m3/s(满足场地渗流流量条件)。

图1 疏水管平面布置示意图

3 技术措施

3.1 疏水设计施工措施

(1)疏水施工时应采取措施，保证土工布随用随铺及时覆盖，防止紫外线照射。

图2 集水坑大样与止水围幕位置大样

(2)底板下采用满铺级配碎石加土工布的浮力释放系统，其工作原理是：地下水通过铺设在碎石层以下的土工布的过滤层进入碎石层，碎石层与底板之间也铺设防水层，碎石层中地下水通过包在PVC滤水管外的土工布进一步过滤；然后进入滤水管并顺着管子流入积水井，最后通过抽水泵将地下水排出基础底板之外。这样地下水产生的上浮力对基础底板的压力被大大地释放减弱，基础底板处于动态平衡之中。

(3)基坑东南侧、西南侧、西北侧的止水帷幕采用单排单轴水泥搅拌桩Φ600@400，搅拌桩桩长取底板下5m。

(4)基底渗流压是否正常必须进行定期监测,在CMC静水压力释放层开始启用后每6个月至少应检测1次，以确保该系统功能正常。固定渗流压Pw检测系统及高出地下室底板面出水系统管线应注意做好保护措施，防止被破坏且不影响地下室正常使用。

3.2 材料性能要求

材料性能是保证设计效果能否良好体现的关键，以下参数参考了基底静水压力释放技术规程如：透水系统使用的一级高渗透阻流滤层性能指标如表2所示[6]；释放层、释放带集水系统使用的二级高渗透阻流滤层性能指标如表3所示[6]；保护膜性能指标如表4所示。

表2 过滤层土工布性能

表3 包扎水平集水网络用土工布表性能

表4 保护层使用的聚乙烯保护膜性能

3.3 疏水构造大样

疏水构造设计要满足保土性(防止地基土的流失)、透水性和防止淤堵的要求，还要满足上部结构地基承载力和沉降控制要求。常用疏水构造大样如图2～图4所示。

3.4 注意事项

(1)减压排水系统是个多专业完成的系统，管道的铺设、集水井的布置，需要与地勘单位、水专业、设备专业等协作完成。

(2)针对地下室底板所在的土层，需要对渗流过渡垫层材料及排水管材的适用性进行论证，以防止发生管路堵塞等情况。

(3)排水驱动设备应保证台风等异常天气状况下能正常运转，采取必要的备用系统，并设专人专职维护。

4 结论

该项目地下结构采用排水减压技术抗浮设计，有效控制基底水压力，减少或取代费用高、耗能、环境污染严重及施工时间长的传统抗浮措施。工程使用至今，没有出现不良的沉降、裂缝和渗水，可作为基底存在一段底透水性软弱土层情况下超大地下结构抗浮设计参考。

参 考 文 献

[1] 李明书，李进军，刘维扬.CMC 静水压力释放技术原理及设计方法[J].岩土工程学报，2013,35(2):932-935.

[2] 庞小朝，顾问天，肖文海，等.排水减压抗浮技术在深圳地区的实践[J].建筑结构，2015，45(1)：777-780.

[3] 刘波，刘钟，张慧东，等.建筑排水减压抗浮新技术在新加坡环球影城中的设计应用[J].工业建筑，2011，41(8)：138-141.

[4] 张克恭，刘玉松.土力学[M].北京：中国建筑工业出版社，2001：46 -54.

[5] 中国市政工程西南设计研究院·给水排水设计手册·第1册·常用资料(第二版)[M].北京：中国建筑工业出版社，2000：46 -54.

[6] DJB-CT177-2013 CMC基底静水压力释放技术规程[S].上海：上海市建筑建材业市场管理总站，2013.