地下建筑水力分布控制模式分析

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摘要：眾所周知，地下水會(huì)造成地下建筑物的滲漏、浮起、下陷等困擾安全使用的問題。通過有效的手段，全面獲得建筑物周邊的水壓狀態(tài)，并且有序地安排（釋放或者增進(jìn)）這種壓力狀態(tài)，就可以在使用中獲得良好的效果，包括延長(zhǎng)建筑物壽命、提高使用效率、減少能源和材料使用。文章對(duì)地下建筑水力分布的控制模式進(jìn)行了研究，以供參考。

關(guān)鍵詞：水力分布；地下建筑；防洪系統(tǒng)；水壓力分布云圖；常規(guī)降壓；應(yīng)變緩沖

1城市地下空間開拓的必要性

我國(guó)人多地少，是人均資源小國(guó)，因而人們應(yīng)當(dāng)加倍珍惜土地資源。地下空間已被視為人類所擁有、迄今尚未被大量開發(fā)的一種寶貴自然資源，開發(fā)利用地下空間是開拓新的生存空間較為現(xiàn)實(shí)的途徑，在世界人口不斷增長(zhǎng)、而陸地上適于生存的土地正在日益減少的背景下，對(duì)于人類的生存和發(fā)展具有重大意義。

2地下空間開拓的主要挑戰(zhàn)

國(guó)外一些人口密集的國(guó)家，在21世紀(jì)初就提出“在地下再建立一個(gè)城市”。長(zhǎng)期看來，將那些不需要日光、會(huì)污染環(huán)境及引發(fā)噪音的工業(yè)移到地底下，有利于地面上的空間發(fā)展。地面更加充分地使用能讓人享受生活、住房、娛樂、綠化等設(shè)施。最佳情況是把交通設(shè)施都建在地底下，將高速公路建在地底下，還原生態(tài)地面。目前已確定可在地下空間發(fā)展用途分別為發(fā)電廠、焚化廠、水供應(yīng)回收廠、垃圾掩埋廠、倉(cāng)庫(kù)、港口和機(jī)場(chǎng)后勤設(shè)施、資料中心、芯片制造廠等一系列不需要甚至要避免陽光、流動(dòng)空氣的制造業(yè)。隨著我國(guó)前30年的高速發(fā)展，在基建領(lǐng)域在全世界范圍內(nèi)已經(jīng)取得排頭兵的地位，無論在研發(fā)攻關(guān)和施工技術(shù)上，都取得輝煌成績(jī)。地下空間的造價(jià)和社會(huì)接受度是建設(shè)地下城市面臨的主要挑戰(zhàn)，但影響有限，一些技術(shù)限制可以通過科研解決。

3地下水問題的傳統(tǒng)解決路徑

地下建筑物空間的建造、使用中一個(gè)最受困擾的工程難題，是地下水的治理問題。位于非干旱地區(qū)的地下室，在每年長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)月的雨季中，基本上和土壤接觸的地下室底板和側(cè)壁，都是完全浸泡在地下水中。長(zhǎng)時(shí)間浸泡在水中的建筑物面臨著滲透和長(zhǎng)期浮力兩大問題。滲透問題的傳統(tǒng)解決辦法是通過設(shè)置混凝土結(jié)構(gòu)的自防水和建筑卷材涂料兩重關(guān)口。一般工程來說，建筑物的卷材防水在使用5年后，均會(huì)發(fā)生加速退變失效，剩下混凝土自防水。只要混凝土澆筑過程中，稍有裂隙空洞，立即就會(huì)發(fā)生地下建筑物常見的條帶狀和點(diǎn)狀滲漏。發(fā)生這種情況時(shí)，現(xiàn)實(shí)中最有效的方法就是沿著裂縫進(jìn)行高壓灌漿，但一般在滲漏面均有水的存在，造成灌漿粘合度大打折扣。灌漿體是混合的活性石油化工原料，會(huì)隨著年限老化。地下水存在一定的水壓，一般又是在內(nèi)表面進(jìn)行處理，要想把水堵住是很有工程實(shí)施難度的，往往采取了大量措施，而收效甚微。針對(duì)長(zhǎng)期的地下建筑物抗浮問題，傳統(tǒng)工藝主要有3個(gè)解決方法：（1）增加地下室的層高來增加地下室的重量是解決地下室抗浮問題的一個(gè)直接有效的方法，但這種方法還應(yīng)該結(jié)合地基土的承載力而定。增加基礎(chǔ)配重大致有3種情況，即增加基礎(chǔ)底板的厚度、增加基礎(chǔ)頂面覆土厚度、基礎(chǔ)頂面采用容重大且價(jià)格低廉的填料。在城市建設(shè)中要回填大量的填料，在環(huán)境保護(hù)和運(yùn)輸上，成本相對(duì)還是較高。（2）設(shè)置抗浮樁，抗浮樁具有一定的安全儲(chǔ)備，實(shí)際上長(zhǎng)期起著“抗壓樁”的作用。這種“反作用”將阻礙有抗浮要求的地下室的合理沉降；如果地下水位長(zhǎng)期處于一種較高的水平之上，設(shè)置抗浮樁也不乏是一種有效的方式。（3）盡可能提高基坑坑底的設(shè)計(jì)標(biāo)高，間接降低抗浮設(shè)防水位，梁式筏基的基礎(chǔ)埋深要大于平板式筏基，從而相對(duì)提高了抗浮水位，故采用平板式筏板基礎(chǔ)更有利于降低抗浮水位。樓蓋提倡使用寬扁梁或無梁樓蓋。一般寬扁梁的截面高度為跨度的1/22～1/16，寬扁梁的使用將有效地降低地下結(jié)構(gòu)的層高，從而相對(duì)降低了抗浮設(shè)防水位。依靠工程抗拔錨桿和抗拔樁來進(jìn)行物理抵抗，也存在實(shí)際使用上的尷尬點(diǎn)。工程樁和錨桿，處于長(zhǎng)期的拉力狀態(tài)下。施工時(shí)澆筑混凝土是在鋼筋沒有施加額外拉力的狀態(tài)下進(jìn)行的，凝固后的混凝土，和鋼筋同時(shí)受拉，在長(zhǎng)期荷載下，會(huì)產(chǎn)生細(xì)微裂縫。地下水浸泡情況下，通過毛細(xì)作用侵蝕里面的鋼筋。在長(zhǎng)年累月的侵蝕和拉力作用，鋼筋自身會(huì)削減，最終變形過大而加速失效。當(dāng)然在設(shè)計(jì)中已經(jīng)考慮了50年的保證率，就是說正常情況下50年不失效。但是一般情況下，在使用者的角度考慮，當(dāng)然希望使用年限越長(zhǎng)越好。另一種極端情況下，在特大暴雨或者設(shè)計(jì)考慮不足時(shí)，地下室錨桿、樁拉斷，造成局部或整體浮起，將對(duì)人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)造成不可挽回的破壞。這種浮力破壞，涉及面廣，往往建筑物基礎(chǔ)、柱子、頂板受到連帶的永久損壞，修復(fù)的難度極大。

4問題解決的路線圖

在建筑物周圍的地下水主要有兩個(gè)來源，一個(gè)是原有地下潛水，另一個(gè)是地面附近侵入的雨水和城市用水，治理這兩種水源應(yīng)采取不同的方向。由于水的特性，總是由高勢(shì)能流向低勢(shì)能、由高壓力流向低壓力，因此在治理和控制地下建筑周圍的地下水的各種問題，可以通過水壓力控制這個(gè)權(quán)柄樞機(jī)來解決。眾所周知，地下水會(huì)造成地下建筑物的滲漏、浮起、下陷等困擾安全使用的問題。通過有效的手段，全面獲得建筑物周邊的水壓狀態(tài)，并且有序的安排（釋放或者增進(jìn)）這種壓力狀態(tài)，就可以在使用中獲得良好的效果，包括延長(zhǎng)建筑物壽命、提高使用效率、減少能源和材料使用?？刂葡到y(tǒng)的主要目的是主動(dòng)控制建筑物周邊接觸面的水壓分布模式，通過有目的連續(xù)檢測(cè)，并進(jìn)行水壓力預(yù)警。同時(shí)對(duì)進(jìn)入預(yù)警范圍的部分建筑物臨界面，進(jìn)行有序的泄壓，達(dá)到一個(gè)理想的地下建筑物使用狀態(tài)，并且兼顧周邊影響范圍的建筑物基礎(chǔ)的壓力平衡，防止發(fā)生下陷事故。

5系統(tǒng)的構(gòu)成

這套控制系統(tǒng)主要包括幾個(gè)部分：簡(jiǎn)單而可靠的檢測(cè)裝置；物聯(lián)網(wǎng)形成水壓力分布云圖；通過云圖的特征發(fā)出主動(dòng)控制命令；泄壓增壓系統(tǒng)工作；被動(dòng)常規(guī)降壓系統(tǒng)；主動(dòng)降壓系統(tǒng)；緊急應(yīng)變緩沖裝置（見圖1）。本系統(tǒng)由當(dāng)代工程技術(shù)程度中，已經(jīng)穩(wěn)定可靠的零部件產(chǎn)品構(gòu)成，配備半自動(dòng)的計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)實(shí)現(xiàn)整個(gè)地下建筑物的水壓力平衡（見圖2）。

6系統(tǒng)的工作情況

利用地下室柱內(nèi)的空間，埋置貫通全柱和基礎(chǔ)底板、頂板的排水管道通路，讓地下水能通過管路，直通地下室頂板。同時(shí)，在沿著墻、柱間隔設(shè)置側(cè)壓點(diǎn)，用以連接服務(wù)器進(jìn)行整個(gè)場(chǎng)地測(cè)量水壓分布，繪制成根據(jù)時(shí)間排列的時(shí)程水力云圖，幫助計(jì)算機(jī)有效預(yù)測(cè)和安排抽排水的動(dòng)作。為了保證直觀，也在相同位置布置物理觀測(cè)點(diǎn)，用以水位測(cè)量糾正。這個(gè)埋置在柱內(nèi)的通路，在柱高約1～2m處設(shè)置有常規(guī)溢流管。當(dāng)水位達(dá)到溢流管高度時(shí)，即可自動(dòng)留到集水坑進(jìn)行有序的排走。這種情況下，結(jié)構(gòu)受力一直可以保證在較小的應(yīng)力狀態(tài)。有利于控制滲水和拉裂，進(jìn)一步延長(zhǎng)建筑物的使用壽命和使用質(zhì)量。位于地下室頂部的閥門，可以保證在需要的時(shí)候（自動(dòng)或者手動(dòng)）開啟，在地下室頂板安排有序抽水運(yùn)作。用以在地下室水位有劇烈波動(dòng)，對(duì)結(jié)構(gòu)構(gòu)成不利情況的時(shí)候提早進(jìn)行主動(dòng)干預(yù)。特別對(duì)于遇到特大暴雨，周邊場(chǎng)地被洪水淹沒，水位升高大于地下室原來設(shè)計(jì)的設(shè)防抗浮水位，危害到樁基（拔斷）安全時(shí)。這些水，因當(dāng)時(shí)周邊市政管道已經(jīng)滿水或者發(fā)生倒灌，已經(jīng)不可能進(jìn)行排水，故需要直接排到緊急緩沖作用的地下室頂板綠化圍堰、游泳池、備用池中。同時(shí)這些水作為荷載，對(duì)壓住地下室不上浮也起到積極作用。

7其他行之有效的防洪系統(tǒng)

對(duì)于地下建筑，應(yīng)該強(qiáng)制補(bǔ)充配置一套對(duì)地下室防洪的裝置。包括報(bào)警和自動(dòng)控制防洪裝置兩大部分。地下室防淹報(bào)警裝置。包括有報(bào)警監(jiān)視模塊、淹水報(bào)警開關(guān)、報(bào)警器。淹水報(bào)警開關(guān)安裝在地下室的地面50mm附近，淹水報(bào)警開關(guān)通過連線與安裝在壁上的報(bào)警監(jiān)視模塊連接，報(bào)警監(jiān)視模塊通過連線與報(bào)警器連接。突發(fā)洪水倒灌到地下室，地面上的水淹到泵房淹水報(bào)警開關(guān)，淹水報(bào)警開關(guān)馬上閉合，并且發(fā)出信號(hào)反映給監(jiān)視模塊，監(jiān)視模塊將信號(hào)傳至報(bào)警器，報(bào)警器立即發(fā)出警報(bào)，值班人員即刻采取行動(dòng)，防止事態(tài)擴(kuò)大，設(shè)備、汽車等全部財(cái)產(chǎn)就得到有效保護(hù)，較大限度的降低損失。同時(shí)，由于有可能造成電路故障而無法啟動(dòng)上述報(bào)警系統(tǒng)，造成搶救延誤，因此尚需要一套被動(dòng)的、不依賴電力的防洪裝置。現(xiàn)有技術(shù)中，一般在地下室坡道的起始端和坡道到地下室的盡端分別設(shè)計(jì)雨水溝，適當(dāng)阻擋地面雨水，其缺點(diǎn)是只能阻擋無路面積水狀態(tài)下的普通雨量以下洪水。另一種現(xiàn)有做法是在地下室坡道的起始端采用一定高度的臺(tái)地，阻擋地面雨水，但缺點(diǎn)是增加坡道的總長(zhǎng)度。目前常用技術(shù)均無法在滿足土地高效利用的情況下，解決雨洪災(zāi)害天氣下的城市洪水對(duì)地下室安全的威脅?？梢允褂酶×κ交蛘邭饽沂降牡叵率臆嚨揽趽跛Y(jié)構(gòu)，把排水明溝和擋水檻結(jié)合起來，當(dāng)雨量較大時(shí)，利用明溝積水，自動(dòng)浮起擋水檻或者觸發(fā)氣囊燃爆膨脹，防止地下室被淹。

8結(jié)束語

以上所提到的幾種解決地下建筑建設(shè)、使用中的難點(diǎn)的實(shí)際方法，以現(xiàn)有的工程技術(shù)來說已經(jīng)完全具備實(shí)施技術(shù)。但國(guó)家規(guī)范沒有涉及這個(gè)方面，在建設(shè)方和使用方并沒有意識(shí)到其便利和積極意義。城市化的地下建筑普遍存在以上提到的使用缺陷，我國(guó)有必要將地下建筑的水文情況主動(dòng)觀測(cè)、控制在有利于人民活動(dòng)的層面。同時(shí)，掌握這些地下建筑的周邊水文情況，將更有利于建設(shè)海綿城市和智能建筑的發(fā)展前景。

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作者：阮商陶 單位：廣東華方工程設(shè)計(jì)有限公司