某工程初雨調蓄池抗浮方案研究和優化

張劉平，石哲然

（南京市市政設計研究院有限責任公司，江蘇 南京 210008）

隨著城市河道水環境綜合治理、雨污管網改造和海綿城市建設的加快，初雨水調蓄池的建設逐漸增多。為滿足調蓄的使用要求，調蓄池多為埋地水池，其容積大、深度大、內部空曠，且多設置在臨江、臨河區域，周邊環境復雜，這給結構設計帶來了不少難度。其中，不可避免的問題是抗浮設計，抗浮措施直接影響著工程的施工難度和總投資。

1 工程概況

按照《室外排水設計規范》（GB 50014—2006）（2016年版），根據當地初雨水質、歷年降雨量分布等情況，確定該工程的初雨調蓄池總容積為5000m3，尺寸為39.8m×29.5m×5.7m，埋深7.15m。該單體位于濕地公園內，為不影響整體效果，該調蓄池為整體地下式，且上部覆土頂標高不能超過景觀標高。調蓄池整體平面布置如圖1、圖2所示。

（1）主要地質條件。場地地層由①層水、②層雜填土、③-1層淤泥、④-3層黏土、④-6層粉質黏土、⑤-1層灰巖組成，土層參數如表1所示。

（2）主要水文地質條件。在勘探孔揭穿的深度范圍內場地地下水可分為：①上層滯水：主要賦存于②層雜填土中，主要接受大氣降水、生活用水的入滲補給，地下水水位、水量與地形及季節關系密切，并受人類活動影響明顯。②基巖裂隙水：主要賦存于中等風化石灰巖中，隨著風化程度的減弱，漸顯隔水性，建議抗浮水位取設計完成地坪標高。

2 設計方案比選

該單體位于濕地公園內，瀕臨池塘和現狀溝渠之間，地下水豐富，根據地勘資料，抗浮水位取設計完成地坪標高。根據《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007—2011），按式（1）進行抗浮穩定性驗算。

式中：GK為建筑物自重及壓重之和，kN；Nw，k為浮力作用值，kN；Kw為抗浮穩定安全系數，一般情況下可取1.05。

該單體自重抗浮不滿足設計要求，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（池內或池外）、打抗拔樁抗浮或打錨桿抗浮等。

圖1 調蓄池平面布置圖

圖2 調蓄池剖面和平面圖（單位：mm）

表1 土層相關物理參數表

2.1 方案一：自重抗浮

自重抗浮是通過提高池體結構自重G1來滿足抗浮設計的要求。增加水池自重措施包括增加水池的底板、壁板或頂板的厚度。根據工程實踐，當自重與地下水浮力相差在10%以內時，用此措施來達到抗浮要求，較為經濟合理[1]。該單體自重G1=53590kN，浮力Fk=80054kN，自重抗浮安全系數Kw=0.67，自重與地下水浮力相差33%，若通過增加自重來滿足抗浮要求，顯然不經濟。

2.2 方案二：增加配重抗浮

配重抗浮是通過在池內、池頂、池底外挑墻趾上或池底下增加配重，即增加Gk來滿足抗浮要求。具體做法：

（1）池頂加覆土或覆土改為鋼渣等密度大的材料；（2）底邊飛邊外挑加長，或飛邊上用素混凝土澆筑；（3）池內回填部分素混凝土；（4）水池底板下填素混凝土或漿砌塊石并用插筋與底板連接。

該調蓄池位于濕地公園內，池頂覆土有景觀使用要求，不可超過景觀標高，因此池頂增加覆土空間有限。該單體自重+覆土重度Gk=62095kN，浮力Fk=80054kN，覆土后抗浮安全系數Kw=0.78，仍不滿足抗浮要求。池頂增加覆土重量會增加水池整體荷載，即導致水池整體鋼筋含量和混凝土用量增加。

由于該單體自重及壓重之和缺少較多，通過底板飛邊增加配重，也不能滿足抗浮要求。底板飛邊增加配重不能對局部抗浮產生效果，局部抗浮不能滿足要求。底板飛邊增加配重一般適用于平面尺寸較小的水池抗浮措施。

若通過池內混凝素混凝土來滿足要求，該池內需回填素混凝土2m，池壁板和水池基坑深度增加2m，導致基坑造價增加和施工難度加大，較為不合理。

增加底板底部配重，會增加基坑的深度和施工的難度。但相較于在池內增加配重，在池外增加配重較為經濟。

2.3 方案三：打抗拔樁抗浮

抗拔樁抗浮是利用樁基的側阻力和自重產生的抗拔力Nf來抗浮，此方法對大體積埋地水池的抗浮相當有效，不僅能滿足池體的整體抗浮，還能通過樁或錨桿的合理布置，很好地解決大型水池的局部抗浮問題。常用抗拔樁有PHC預應力混凝土管樁和灌注樁。

抗拔管樁的優點在于其機械化施工，施工周期短；適用于土層較厚的區域；可靠性高，可同時加固地基，對地基不好的情況尤為適用[2]。抗拔管樁的缺點主要是接樁部位的施工質量難以保障，因此抗拔樁的樁長宜盡量控制在單節樁的長度范圍內，以避免接樁帶來的抗浮安全隱患，減少接樁基費用和施工難度。

灌注樁抗拔樁的優點在于可靠性很高，同時可作為抗壓樁，對地基承載力不好的情況適用；缺點是費用高、工期長。

該工程場地土質較好，調蓄池基底落于④-3層黏土層上，其承載力特征值fak=120kPa，滿足設計要求，不需進行地基處理，采用樁基作為抗浮措施較為浪費，不經濟。

2.4 方案四：打錨桿抗浮

錨桿抗浮同抗拔樁的方法相似，也是通過錨桿的抗拔力N1來抗浮，即利用錨桿對池體的錨固力來抗浮。錨桿抗浮根據錨入土層，可分為巖石錨桿和土層錨桿。巖石錨桿適用于基礎直接坐落于基巖上的情況，由于錨桿直接插入基巖灌漿，巖石錨桿的抗拔力較大；土層錨桿則用在一般土層中，影響土層錨桿抗拔力的因素較多，對設計和施工的要求也比較高。

抗拔錨桿的優點：造價相對較低，同時因錨桿的布置密度相比抗拔樁較密，對池底板的整體作用更接近于均布荷載，這有利于底板的防滲裂。缺點：施工要求較高、土層錨桿可靠性較差；一般需錨固于較硬質巖體中，不適用于軟巖與土體[3]；錨桿對防腐有較高的要求[4-5]。

結合地下土質情況，該工程選用巖石錨桿，錨桿長度約10m，錨入巖層3.0m，根據規范《巖土錨桿與噴射混凝土支護工程技術規范》（GB 50086—2015），按式（2）計算可得錨桿抗拔力為120kPa。

式中：Nd為錨桿或單元錨桿軸向拉力設計值，kN；fmg為錨固段注漿體與地層極限黏結強度標準值，kPa；D為錨桿錨固段鉆孔直徑，mm；La為錨固段長度，m；ψ為錨固段長度對極限黏結強度的影響系數。

3 結論

由于初雨調蓄池使用功能要求，以及其所建設的位置因素，抗浮問題是其設計過程中必然遇到的問題。針對該工程初雨調蓄池抗浮設計方案對比分析，可得出如下結論：

（1）抗浮設計基本原理比較明確，但是每種措施各有優缺點，具體工程需具體分析；（2）做好方案比選，選擇經濟、安全可靠的抗浮措施；（3）若水池抗浮欠缺比較少時，宜優先考慮自重或配重來解決；（4）若水池自重抗浮欠缺比較多時，且水池地基承載力滿足規范要求，可考慮采用錨桿抗浮，較為經濟；（5）若水池自重抗浮欠缺比較多時，且水池地基承載力不滿足規范要求，可考慮采用抗拔樁，既能承擔豎向壓力又可承擔豎向拉力。