基于滲流原理的既有建筑抗浮修復治理工程研究

【摘 要】以河南省安陽工學院教學樓為研究對象，通過試驗和數值模擬，并依據相關設計規范，研究了一種將沉沙集水坑和盲溝相結合的排水泄壓方法。研究結果表明：針對極限水位和抗浮水位，盲溝滲流通道的存在可以顯著降低沿滲流路徑到達地下室地板的總水頭及孔隙水壓力；沉沙集水坑可有效觀察排水情況，避免排水過程中堵塞，增大排水效率。沉沙集水坑和盲溝相結合的排水設計可有效緩解既有建筑物基底受到浮力的作用，提升既有建筑物抗浮能力。

【關鍵詞】既有建筑； 抗浮修復； 沉沙集水坑； 盲溝； Seep/W

【中圖分類號】TU46【文獻標志碼】A

1 研究背景

近年來，隨著極端天氣的增多和城市建設引起的下墊面改變等多種因素的影響，造成了地下水位的頻繁波動，主要體現在局部地區地下水水位的異常上升。地下水水位的改變可以直接造成建造物的不均勻變形或進一步的結構損壞。馬海志［1］通過分析北京市近3年地下水位變化情況對城市基礎設施安全運行的影響，研究了地下水管控和治理措施的重點。而現在地下建筑面積的增多，部分地下結構在設計或施工過程中低估了場地內的地下水水位的波動情況，或是采取的抗浮措施不當，在過快上漲的地下水水位的影響下，導致既有建筑的地下結構出現上浮失穩或破壞等質量和安全問題，造成了較大的財產損失［2］。2021年“7瘙簚21”的極端強降雨在河南省眾多地市引發了洪澇災害，導致地下水位急劇上升［3］，超過了很多既有建筑物的原設計的抗浮水位，地下水上升過程中產生的水壓力等導致了這些既有建筑物地下室和地下車庫等地下建筑物發生開裂和涌水破壞等現象，從而造成了建筑結構的安全隱患和使用上的功能缺失。以河南省安陽工學院為例，本次極端強降雨造成校內共計11棟教學樓、圖書館的地下室、泵房等地下建筑物不同程度的損壞，據統計破壞面積達2萬余m2，在2022年“7.19”特大暴雨中，地下水涌水現象更加嚴重，安陽工學院A09及圖書館地下室涌水及破壞情況見圖1。因此，既有地下結構物的防水與抗浮問題日益突出，如何科學地解決地下結構物的抗浮問題已經成為建筑施工和既有建筑維護經常面臨和急需解決的問題。

工程實踐中，抗浮措施總體上可以分為主動抗?。ㄈ缗潘疁p壓、帷幕隔水等）與被動抗浮（如抗浮樁、結構配重等）兩類［4-7］。對于新建的建筑物，按照工程規范進行抗浮水位論證，采取符合規范的抗浮和防水設計即可，但既有建筑物均在正常使用中，如果采用大拆大建的方案進行施工，將長時間影響建筑物的正常運行和廣大居民正常的生活起居。為解決既有建筑物地下室抗浮破壞問題，確保建筑物安全和地下室恢復使用功能，需要提出并研究行之有效、經濟可行、對建筑物正常使用影響小的修復方案。同時，也是建設具有可持續特征的韌性城市系統工程的需要［8］。

因此，本論文選擇安陽工學院A09教學樓地下結構為研究對象，采用有限元數值模擬和理論計算的方法，針對既有建筑抗浮破壞修復問題，依據承載力極限狀態與正常使用極限狀態確定的抗浮水位進行設計，提出一種基于滲流原理的既有建筑抗浮破壞修復方法，確定工程施工過程中的關鍵參數取值。發展和完善傳統的抗浮設計方法，對于既有建筑的抗浮修復具有重要的工程意義和廣闊的應用前景。

2 研究區概況與方法

2.1 研究區概況

安陽市地處北暖溫帶，屬大陸性季風氣候，年平均氣溫為13.6 ℃，7月份平均氣溫27.2 ℃，年平均降雨量為606.1 mm，降雨量多集中在7、8月份，年平均蒸發量1 989.9 mm，平均相對濕度為66%。根據區域地質勘查資料，場地內第三系基巖埋深為80～100 m，地下水屬孔隙潛水類型，主要接受大氣降水和側向徑流補給，水位隨季節變化，年變幅2～3 m，抗浮水位需按自然地面下1.0 m考慮。

場地土層主要為一套第四紀沖洪積物。根據鉆探地層揭露，并結合室內試驗結果，各主要土層的物理力學指標統計見表1。

2.2 數值模擬

項目地下室單層面積約1 480 m2，長74" m，寬19.2 m，埋深3.5 m。利用SEEP/W和模型對各工況進行瞬態分析，主要統計分析不同工況下降水穩定后的地下室底處的孔隙水壓力和水位等重要參數指標，對盲溝降水減浮效果進行分析，如圖2所示。在軟件中建立地下室橫剖面的模型，豎向計算區域向下取至地下水位絕對高程位置，并將之賦予相應的地層結構，各個土層中分別賦予相應的物理力學參數及水力參數見表1。選用瞬態分析類型模擬了地下水上升至不同高度過程中滲流和孔隙水壓力變化特征。為了便于分析并考慮到地下結構的對稱性，分別在地下室邊墻附近和盲溝中間基底位置設置兩個數據觀測點（K1和K2）。模擬過程中將結構基礎地板及側墻設置為不透水層，地下水初始水位高程設置為62 m。將模型以8節點的四邊形單元剖分為6 430單元，6 614個節點，網格設置位0.5 m。

考慮到盡可能較少破壞原有建筑物的整體性及施工便利性，擬采用有濾管盲溝，其做法為在地下工程結構底板下自下而上鋪設反濾層，反濾層中埋設直徑110 mm導水管形成完整的排水系統，盲溝斷面形式選擇矩形斷面，寬0.8 m，埋深距離原地面高度為1.25 m，數值模擬模型見圖2。

2.3 模擬工況

根據研究區地下水波動情況及2021年“7.15”極端強降雨過程中地下水位上升過程，按照最不利工況（極限水位）、抗浮設計水位工況和一般工況（年平均水位）進行模擬。三種工況的地下水水位分別位于地表處、地表以下1.9 m和地表以下2.6 m。地下水位上升速率按照降雨期7 cm/d，極端強降雨期70 cm/d上升（極端情況），具體模擬工況見表2。

盲溝數量和間距是影響其排水效率的主要因素，本文擬對比雙盲溝和三盲溝布設的方案，并選擇合適的方案進行施工。其中雙盲溝的間距9.6 m，距離地下室邊墻4.8 m；三盲溝的間距為7 m，距離地下室邊墻3 m。

3 盲溝排水泄壓效果分析

模擬結果顯示，由于盲溝滲流通道的存在，可以顯著降低沿滲流路徑到達地下室地板的總水頭、孔隙水壓力和地下水位高度。

3.1 孔隙水壓力和總壓力水頭變化

模擬計算結果顯示，三盲溝的排水泄壓能力優于雙盲溝的排水效果，模擬結果見圖3。

圖3顯示了不同數量盲溝排水泄壓以后結構底部的孔隙水壓力和總水頭變化曲線圖。工況1.1和2.1的模擬結果顯示對于平均水位兩種盲溝設計均可以達到較好的排水泄壓效果，1.1工況模擬結束時的孔隙水壓力分別為K1和K2分別為4.68 kPa和1.68 kPa，2.1工況模擬結束時K1和K2的孔隙水壓力分別為0.67 kPa和-1.29 kPa，穩定以后的總水頭在66.5 m左右。

設計抗浮水位和極限水位的盲溝泄水減壓模擬結果顯示，當地下水位以較小速率（7 cm/d）上升時，雙盲溝減壓效果優于三盲溝，當水位以較大速率（70 cm/d）上升時即極端強降雨工況下，三盲溝的減壓效果強于雙盲溝的。1.2工況模擬結束時K1和K2的孔隙水壓力分別為12.68 kPa和8.6 2kPa，穩定以后的總水頭在67.2 m左右，2.2工況模擬結束時的孔隙水壓力分別為K1和K2分別為7.17 kPa和3.71 kPa，穩定以后的總水頭在66.7 m左右。1.3工況模擬結束時K1和K2的孔隙水壓力分別為12.68 kPa和8.6 2kPa，穩定以后的總水頭在68.7 m左右，2.3工況模擬結束時的孔隙水壓力分別為K1和K2分別為19.77 kPa和14.23 kPa，穩定以后的總水頭在68.1 m左右。

綜上所述，在抗浮水位和年平均水位的工況下，雙盲溝的布設可以有效減少地下水上升引起的孔隙水壓力增加，在極端工況下，雖然增加盲溝的數量可以相對減少孔隙水壓力，但還需要增加地下室地板的抗拉性能，才能有效地減小地下水對基底造成的破壞。

3.2 剩余水頭變化

為分析剩余水頭對地下結構的影響，分別計算了雙盲溝條件下極限水位和設計抗浮水位兩種工況下的滲流量及剩余水位分布情況。

盲溝滲流量Qs計算見圖4。

單位長度盲溝一側流入溝內的流量Q計算公式見式（1）～式（4）。

Q=kH-H0φ（1）

φ=1k′k（H+H02R）1φ（2）

φ=0.637archsh2πL2T-sh2πl02Tsh2π（l0+b）2T-sh2πl02T（3）

Qs=2Q·Ls（4）

式中：Ls為盲溝的長度，（m）；k為土體的滲透系數，（d/m）；b為盲溝底寬，（m）；h為盲溝高度，（m）；l為滲流路徑，（m）；T為排水時間，（d）；H0為盲溝處水位高度，（m）。

兩盲溝之間地下水最高水位Hm見式（5）、式（6）。

Hm=H0+（H-H0）φ0φ（5）

φ0=0.637archsh2π（l0+b）2Tsh2π（l0+b）2T-sh2πl02T（6）

盲溝兩側剩余水頭Hx見式（7）、式（8）。

Hx=H0+（H-H0）φxφ（7）

φx=0.637archsh2πx2T-sh2πl02Tsh2π（l0+b）2T-sh2πl02T（8）

如表3和圖5所示。計算結果顯示，盲溝泄水作用下地下室結構地板的0 m （降水穩定深度）等值線均呈 “W”形狀，即在盲溝附近等值線深度小于其他位置處等值線的深度。

值得注意的是，剩余水位可通過上覆現澆混凝土板（15 cm厚）自重抵抗其浮力，使得本文中的抗浮措施滿足設計抗浮水位工況下平穩運行，極限水位工況下安全運行的效果。

3.3 滲流排水方案

綜合考慮排水泄壓效果和地下室施工條件，對于地下室面積在1 500 m2左右的結構形式，雙盲溝的布設方案可以滿足既有建筑的抗浮要求，基于滲流原理的盲溝泄水減壓系統整體布置見圖6（a）。

在地下室地面做橫向和豎向導流盲溝（呈蜘蛛網狀，避開墻柱），把地下水導流至集水坑（井）進行集中抽排。該系統保證既有建筑在抗浮水位的工況下平穩運行。隨著地下水上升過程中匯入盲溝內，盲溝匯水系統將水引流到設置的排水井中；排水井內的傳感器及自動控制電路通過掌握水壓變化，當井內水位達到預設限值時，排水泵啟動排出井內的水；當水位回落至安全值時，水泵停止排水見圖6（b），整個排水系統動態控制地下水位及結構承受的浮力，從而最大程度減小地下水水位的波動變化對建筑物結構穩定性的不利影響。考慮到后期運行過程中泥沙會隨著地下水沉積在寬緩地帶，影響排水效果，在盲溝連接處設置沉沙集水坑見圖6（c）。沉沙集水坑分位兩種，主要布設在管道連接處。一種沉沙集水坑沉沙集水坑用于排水過程中利用泥沙自重沉積在坑內，確保排水效率；另一種通過上覆防爆玻璃便于觀測盲溝運行期的排水情況，方便維護。

墻體間的盲溝采用鋼管穿墻的方式進行布設，這樣可以大程度減少對既有結構承載力等性能產生不利影響，見圖6（d）。

4 結論

通過對工程實例的分析，驗證了沉沙集水坑結合盲溝排水系統應用于既有建筑抗浮破壞后修復的合理性，得到幾點主要結論：

（1）沉沙集水坑結合雙盲溝的排水系統可以保證上部結構的安全運行。

（2）利用減壓抗浮措施可以消除作用在底板上的水壓力，使得結構不受水浮力作用。而且排水對周圍環境的影響可以保持在很小的范圍。

（3）與其他抗浮修復措施相比，該項技術節省工程材料的投入，工程造價較低，后期維護方便，是一種安全經濟的既有建筑災害抗浮修復措施。

參考文獻

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［基金項目］安陽工學院科研培育基金項目（項目編號：YPY2022006）;安陽工學院博士科研啟動基金項目（項目編號：BSJ2021050）

［作者簡介］張勇（1989—），男，博士，講師，研究方向為城鄉防災、減災技術。