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地下建筑水力分布控制模式分析

摘要:众所周知,地下水会造成地下建筑物的渗漏、浮起、下陷等困扰安全使用的问题。通过有效的手段,全面获得建筑物周边的水压状态,并且有序地安排(释放或者增进)这种压力状态,就可以在使用中获得良好的效果,包括延长建筑物寿命、提高使用效率、减少能源和材料使用。文章对地下建筑水力分布的控制模式进行了研究,以供参考。

关键词:水力分布;地下建筑;防洪系统;水压力分布云图;常规降压;应变缓冲

1城市地下空间开拓的必要性

我国人多地少,是人均资源小国,因而人们应当加倍珍惜土地资源。地下空间已被视为人类所拥有、迄今尚未被大量开发的一种宝贵自然资源,开发利用地下空间是开拓新的生存空间较为现实的途径,在世界人口不断增长、而陆地上适于生存的土地正在日益减少的背景下,对于人类的生存和发展具有重大意义。

2地下空间开拓的主要挑战

国外一些人口密集的国家,在21世纪初就提出“在地下再建立一个城市”。长期看来,将那些不需要日光、会污染环境及引发噪音的工业移到地底下,有利于地面上的空间发展。地面更加充分地使用能让人享受生活、住房、娱乐、绿化等设施。最佳情况是把交通设施都建在地底下,将高速公路建在地底下,还原生态地面。目前已确定可在地下空间发展用途分别为发电厂、焚化厂、水供应回收厂、垃圾掩埋厂、仓库、港口和机场后勤设施、资料中心、芯片制造厂等一系列不需要甚至要避免阳光、流动空气的制造业。随着我国前30年的高速发展,在基建领域在全世界范围内已经取得排头兵的地位,无论在研发攻关和施工技术上,都取得辉煌成绩。地下空间的造价和社会接受度是建设地下城市面临的主要挑战,但影响有限,一些技术限制可以通过科研解决。

3地下水问题的传统解决路径

地下建筑物空间的建造、使用中一个最受困扰的工程难题,是地下水的治理问题。位于非干旱地区的地下室,在每年长达几个月的雨季中,基本上和土壤接触的地下室底板和侧壁,都是完全浸泡在地下水中。长时间浸泡在水中的建筑物面临着渗透和长期浮力两大问题。渗透问题的传统解决办法是通过设置混凝土结构的自防水和建筑卷材涂料两重关口。一般工程来说,建筑物的卷材防水在使用5年后,均会发生加速退变失效,剩下混凝土自防水。只要混凝土浇筑过程中,稍有裂隙空洞,立即就会发生地下建筑物常见的条带状和点状渗漏。发生这种情况时,现实中最有效的方法就是沿着裂缝进行高压灌浆,但一般在渗漏面均有水的存在,造成灌浆粘合度大打折扣。灌浆体是混合的活性石油化工原料,会随着年限老化。地下水存在一定的水压,一般又是在内表面进行处理,要想把水堵住是很有工程实施难度的,往往采取了大量措施,而收效甚微。针对长期的地下建筑物抗浮问题,传统工艺主要有3个解决方法:(1)增加地下室的层高来增加地下室的重量是解决地下室抗浮问题的一个直接有效的方法,但这种方法还应该结合地基土的承载力而定。增加基础配重大致有3种情况,即增加基础底板的厚度、增加基础顶面覆土厚度、基础顶面采用容重大且价格低廉的填料。在城市建设中要回填大量的填料,在环境保护和运输上,成本相对还是较高。(2)设置抗浮桩,抗浮桩具有一定的安全储备,实际上长期起着“抗压桩”的作用。这种“反作用”将阻碍有抗浮要求的地下室的合理沉降;如果地下水位长期处于一种较高的水平之上,设置抗浮桩也不乏是一种有效的方式。(3)尽可能提高基坑坑底的设计标高,间接降低抗浮设防水位,梁式筏基的基础埋深要大于平板式筏基,从而相对提高了抗浮水位,故采用平板式筏板基础更有利于降低抗浮水位。楼盖提倡使用宽扁梁或无梁楼盖。一般宽扁梁的截面高度为跨度的1/22~1/16,宽扁梁的使用将有效地降低地下结构的层高,从而相对降低了抗浮设防水位。依靠工程抗拔锚杆和抗拔桩来进行物理抵抗,也存在实际使用上的尴尬点。工程桩和锚杆,处于长期的拉力状态下。施工时浇筑混凝土是在钢筋没有施加额外拉力的状态下进行的,凝固后的混凝土,和钢筋同时受拉,在长期荷载下,会产生细微裂缝。地下水浸泡情况下,通过毛细作用侵蚀里面的钢筋。在长年累月的侵蚀和拉力作用,钢筋自身会削减,最终变形过大而加速失效。当然在设计中已经考虑了50年的保证率,就是说正常情况下50年不失效。但是一般情况下,在使用者的角度考虑,当然希望使用年限越长越好。另一种极端情况下,在特大暴雨或者设计考虑不足时,地下室锚杆、桩拉断,造成局部或整体浮起,将对人民群众的生命财产造成不可挽回的破坏。这种浮力破坏,涉及面广,往往建筑物基础、柱子、顶板受到连带的永久损坏,修复的难度极大。

4问题解决的路线图

在建筑物周围的地下水主要有两个来源,一个是原有地下潜水,另一个是地面附近侵入的雨水和城市用水,治理这两种水源应采取不同的方向。由于水的特性,总是由高势能流向低势能、由高压力流向低压力,因此在治理和控制地下建筑周围的地下水的各种问题,可以通过水压力控制这个权柄枢机来解决。众所周知,地下水会造成地下建筑物的渗漏、浮起、下陷等困扰安全使用的问题。通过有效的手段,全面获得建筑物周边的水压状态,并且有序的安排(释放或者增进)这种压力状态,就可以在使用中获得良好的效果,包括延长建筑物寿命、提高使用效率、减少能源和材料使用。控制系统的主要目的是主动控制建筑物周边接触面的水压分布模式,通过有目的连续检测,并进行水压力预警。同时对进入预警范围的部分建筑物临界面,进行有序的泄压,达到一个理想的地下建筑物使用状态,并且兼顾周边影响范围的建筑物基础的压力平衡,防止发生下陷事故。

5系统的构成

这套控制系统主要包括几个部分:简单而可靠的检测装置;物联网形成水压力分布云图;通过云图的特征发出主动控制命令;泄压增压系统工作;被动常规降压系统;主动降压系统;紧急应变缓冲装置(见图1)。本系统由当代工程技术程度中,已经稳定可靠的零部件产品构成,配备半自动的计算机动态实现整个地下建筑物的水压力平衡(见图2)。

6系统的工作情况

利用地下室柱内的空间,埋置贯通全柱和基础底板、顶板的排水管道通路,让地下水能通过管路,直通地下室顶板。同时,在沿着墙、柱间隔设置侧压点,用以连接服务器进行整个场地测量水压分布,绘制成根据时间排列的时程水力云图,帮助计算机有效预测和安排抽排水的动作。为了保证直观,也在相同位置布置物理观测点,用以水位测量纠正。这个埋置在柱内的通路,在柱高约1~2m处设置有常规溢流管。当水位达到溢流管高度时,即可自动留到集水坑进行有序的排走。这种情况下,结构受力一直可以保证在较小的应力状态。有利于控制渗水和拉裂,进一步延长建筑物的使用寿命和使用质量。位于地下室顶部的阀门,可以保证在需要的时候(自动或者手动)开启,在地下室顶板安排有序抽水运作。用以在地下室水位有剧烈波动,对结构构成不利情况的时候提早进行主动干预。特别对于遇到特大暴雨,周边场地被洪水淹没,水位升高大于地下室原来设计的设防抗浮水位,危害到桩基(拔断)安全时。这些水,因当时周边市政管道已经满水或者发生倒灌,已经不可能进行排水,故需要直接排到紧急缓冲作用的地下室顶板绿化围堰、游泳池、备用池中。同时这些水作为荷载,对压住地下室不上浮也起到积极作用。

7其他行之有效的防洪系统

对于地下建筑,应该强制补充配置一套对地下室防洪的装置。包括报警和自动控制防洪装置两大部分。地下室防淹报警装置。包括有报警监视模块、淹水报警开关、报警器。淹水报警开关安装在地下室的地面50mm附近,淹水报警开关通过连线与安装在壁上的报警监视模块连接,报警监视模块通过连线与报警器连接。突发洪水倒灌到地下室,地面上的水淹到泵房淹水报警开关,淹水报警开关马上闭合,并且发出信号反映给监视模块,监视模块将信号传至报警器,报警器立即发出警报,值班人员即刻采取行动,防止事态扩大,设备、汽车等全部财产就得到有效保护,较大限度的降低损失。同时,由于有可能造成电路故障而无法启动上述报警系统,造成抢救延误,因此尚需要一套被动的、不依赖电力的防洪装置。现有技术中,一般在地下室坡道的起始端和坡道到地下室的尽端分别设计雨水沟,适当阻挡地面雨水,其缺点是只能阻挡无路面积水状态下的普通雨量以下洪水。另一种现有做法是在地下室坡道的起始端采用一定高度的台地,阻挡地面雨水,但缺点是增加坡道的总长度。目前常用技术均无法在满足土地高效利用的情况下,解决雨洪灾害天气下的城市洪水对地下室安全的威胁。可以使用浮力式或者气囊式的地下室车道口挡水结构,把排水明沟和挡水槛结合起来,当雨量较大时,利用明沟积水,自动浮起挡水槛或者触发气囊燃爆膨胀,防止地下室被淹。

8结束语

以上所提到的几种解决地下建筑建设、使用中的难点的实际方法,以现有的工程技术来说已经完全具备实施技术。但国家规范没有涉及这个方面,在建设方和使用方并没有意识到其便利和积极意义。城市化的地下建筑普遍存在以上提到的使用缺陷,我国有必要将地下建筑的水文情况主动观测、控制在有利于人民活动的层面。同时,掌握这些地下建筑的周边水文情况,将更有利于建设海绵城市和智能建筑的发展前景。

参考文献:

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作者:阮商陶 单位:广东华方工程设计有限公司

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