某工程初雨调蓄池抗浮方案研究和优化

张刘平，石哲然

（南京市市政设计研究院有限责任公司，江苏 南京 210008）

随着城市河道水环境综合治理、雨污管网改造和海绵城市建设的加快，初雨水调蓄池的建设逐渐增多。为满足调蓄的使用要求，调蓄池多为埋地水池，其容积大、深度大、内部空旷，且多设置在临江、临河区域，周边环境复杂，这给结构设计带来了不少难度。其中，不可避免的问题是抗浮设计，抗浮措施直接影响着工程的施工难度和总投资。

1 工程概况

按照《室外排水设计规范》（GB 50014—2006）（2016年版），根据当地初雨水质、历年降雨量分布等情况，确定该工程的初雨调蓄池总容积为5000m3，尺寸为39.8m×29.5m×5.7m，埋深7.15m。该单体位于湿地公园内，为不影响整体效果，该调蓄池为整体地下式，且上部覆土顶标高不能超过景观标高。调蓄池整体平面布置如图1、图2所示。

（1）主要地质条件。场地地层由①层水、②层杂填土、③-1层淤泥、④-3层黏土、④-6层粉质黏土、⑤-1层灰岩组成，土层参数如表1所示。

（2）主要水文地质条件。在勘探孔揭穿的深度范围内场地地下水可分为：①上层滞水：主要赋存于②层杂填土中，主要接受大气降水、生活用水的入渗补给，地下水水位、水量与地形及季节关系密切，并受人类活动影响明显。②基岩裂隙水：主要赋存于中等风化石灰岩中，随着风化程度的减弱，渐显隔水性，建议抗浮水位取设计完成地坪标高。

2 设计方案比选

该单体位于湿地公园内，濒临池塘和现状沟渠之间，地下水丰富，根据地勘资料，抗浮水位取设计完成地坪标高。根据《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011），按式（1）进行抗浮稳定性验算。

式中：GK为建筑物自重及压重之和，kN；Nw，k为浮力作用值，kN；Kw为抗浮稳定安全系数，一般情况下可取1.05。

该单体自重抗浮不满足设计要求，需采取一定抗浮措施。水池常用的抗浮措施有自重抗浮、增加配重抗浮（池内或池外）、打抗拔桩抗浮或打锚杆抗浮等。

图1 调蓄池平面布置图

图2 调蓄池剖面和平面图（单位：mm）

表1 土层相关物理参数表

2.1 方案一：自重抗浮

自重抗浮是通过提高池体结构自重G1来满足抗浮设计的要求。增加水池自重措施包括增加水池的底板、壁板或顶板的厚度。根据工程实践，当自重与地下水浮力相差在10%以内时，用此措施来达到抗浮要求，较为经济合理[1]。该单体自重G1=53590kN，浮力Fk=80054kN，自重抗浮安全系数Kw=0.67，自重与地下水浮力相差33%，若通过增加自重来满足抗浮要求，显然不经济。

2.2 方案二：增加配重抗浮

配重抗浮是通过在池内、池顶、池底外挑墙趾上或池底下增加配重，即增加Gk来满足抗浮要求。具体做法：

（1）池顶加覆土或覆土改为钢渣等密度大的材料；（2）底边飞边外挑加长，或飞边上用素混凝土浇筑；（3）池内回填部分素混凝土；（4）水池底板下填素混凝土或浆砌块石并用插筋与底板连接。

该调蓄池位于湿地公园内，池顶覆土有景观使用要求，不可超过景观标高，因此池顶增加覆土空间有限。该单体自重+覆土重度Gk=62095kN，浮力Fk=80054kN，覆土后抗浮安全系数Kw=0.78，仍不满足抗浮要求。池顶增加覆土重量会增加水池整体荷载，即导致水池整体钢筋含量和混凝土用量增加。

由于该单体自重及压重之和缺少较多，通过底板飞边增加配重，也不能满足抗浮要求。底板飞边增加配重不能对局部抗浮产生效果，局部抗浮不能满足要求。底板飞边增加配重一般适用于平面尺寸较小的水池抗浮措施。

若通过池内混凝素混凝土来满足要求，该池内需回填素混凝土2m，池壁板和水池基坑深度增加2m，导致基坑造价增加和施工难度加大，较为不合理。

增加底板底部配重，会增加基坑的深度和施工的难度。但相较于在池内增加配重，在池外增加配重较为经济。

2.3 方案三：打抗拔桩抗浮

抗拔桩抗浮是利用桩基的侧阻力和自重产生的抗拔力Nf来抗浮，此方法对大体积埋地水池的抗浮相当有效，不仅能满足池体的整体抗浮，还能通过桩或锚杆的合理布置，很好地解决大型水池的局部抗浮问题。常用抗拔桩有PHC预应力混凝土管桩和灌注桩。

抗拔管桩的优点在于其机械化施工，施工周期短；适用于土层较厚的区域；可靠性高，可同时加固地基，对地基不好的情况尤为适用[2]。抗拔管桩的缺点主要是接桩部位的施工质量难以保障，因此抗拔桩的桩长宜尽量控制在单节桩的长度范围内，以避免接桩带来的抗浮安全隐患，减少接桩基费用和施工难度。

灌注桩抗拔桩的优点在于可靠性很高，同时可作为抗压桩，对地基承载力不好的情况适用；缺点是费用高、工期长。

该工程场地土质较好，调蓄池基底落于④-3层黏土层上，其承载力特征值fak=120kPa，满足设计要求，不需进行地基处理，采用桩基作为抗浮措施较为浪费，不经济。

2.4 方案四：打锚杆抗浮

锚杆抗浮同抗拔桩的方法相似，也是通过锚杆的抗拔力N1来抗浮，即利用锚杆对池体的锚固力来抗浮。锚杆抗浮根据锚入土层，可分为岩石锚杆和土层锚杆。岩石锚杆适用于基础直接坐落于基岩上的情况，由于锚杆直接插入基岩灌浆，岩石锚杆的抗拔力较大；土层锚杆则用在一般土层中，影响土层锚杆抗拔力的因素较多，对设计和施工的要求也比较高。

抗拔锚杆的优点：造价相对较低，同时因锚杆的布置密度相比抗拔桩较密，对池底板的整体作用更接近于均布荷载，这有利于底板的防渗裂。缺点：施工要求较高、土层锚杆可靠性较差；一般需锚固于较硬质岩体中，不适用于软岩与土体[3]；锚杆对防腐有较高的要求[4-5]。

结合地下土质情况，该工程选用岩石锚杆，锚杆长度约10m，锚入岩层3.0m，根据规范《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》（GB 50086—2015），按式（2）计算可得锚杆抗拔力为120kPa。

式中：Nd为锚杆或单元锚杆轴向拉力设计值，kN；fmg为锚固段注浆体与地层极限黏结强度标准值，kPa；D为锚杆锚固段钻孔直径，mm；La为锚固段长度，m；ψ为锚固段长度对极限黏结强度的影响系数。

3 结论

由于初雨调蓄池使用功能要求，以及其所建设的位置因素，抗浮问题是其设计过程中必然遇到的问题。针对该工程初雨调蓄池抗浮设计方案对比分析，可得出如下结论：

（1）抗浮设计基本原理比较明确，但是每种措施各有优缺点，具体工程需具体分析；（2）做好方案比选，选择经济、安全可靠的抗浮措施；（3）若水池抗浮欠缺比较少时，宜优先考虑自重或配重来解决；（4）若水池自重抗浮欠缺比较多时，且水池地基承载力满足规范要求，可考虑采用锚杆抗浮，较为经济；（5）若水池自重抗浮欠缺比较多时，且水池地基承载力不满足规范要求，可考虑采用抗拔桩，既能承担竖向压力又可承担竖向拉力。