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，并且有序地安排（釋放或者增進）這種壓力狀態，就可以在使用中獲得良好的效果，包括延長建筑物壽命、提高使用效率、減少能源和材料使用。文章對地下建筑水力分布的控制模式進行了研究，以供參考。

關鍵詞：水力分布；地下建筑；防洪系統；水壓力分布云圖；常規降壓；應變緩沖

1城市地下空間開拓的必要性

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

2地下空間開拓的主要挑戰

國外一些人口密集的國家，在21世紀初就提出“在地下再建立一個城市”。長期看來，將那些不需要日光、會污染環境及引發噪音的工業移到地底下，有利于地面上的空間發展。地面更加充分地使用能讓人享受生活、住房、娛樂、綠化等設施。最佳情況是把交通設施都建在地底下，將高速公路建在地底下，還原生態地面。目前已確定可在地下空間發展用途分別為發電廠、焚化廠、水供應回收廠、垃圾掩埋廠、倉庫、港口和機場后勤設施、資料中心、芯片制造廠等一系列不需要甚至要避免陽光、流動空氣的制造業。隨著我國前30年的高速發展，在基建領域在全世界范圍內已經取得排頭兵的地位，無論在研發攻關和施工技術上，都取得輝煌成績。地下空間的造價和社會接受度是建設地下城市面臨的主要挑戰，但影響有限，一些技術限制可以通過科研解決。

3地下水問題的傳統解決路徑

地下建筑物空間的建造、使用中一個最受困擾的工程難題，是地下水的治理問題。位于非干旱地區的地下室，在每年長達幾個月的雨季中，基本上和土壤接觸的地下室底板和側壁，都是完全浸泡在地下水中。長時間浸泡在水中的建筑物面臨著滲透和長期浮力兩大問題。滲透問題的傳統解決辦法是通過設置混凝土結構的自防水和建筑卷材涂料兩重關口。一般工程來說，建筑物的卷材防水在使用5年后，均會發生加速退變失效，剩下混凝土自防水。只要混凝土澆筑過程中，稍有裂隙空洞，立即就會發生地下建筑物常見的條帶狀和點狀滲漏。發生這種情況時，現實中最有效的方法就是沿著裂縫進行高壓灌漿，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，會隨著年限老化。地下水存在一定的水壓，一般又是在內表面進行處理，要想把水堵住是很有工程實施難度的，往往采取了大量措施，而收效甚微。針對長期的地下建筑物抗浮問題，傳統工藝主要有3個解決方法：（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直接有效的方法，但這種方法還應該結合地基土的承載力而定。增加基礎配重大致有3種情況，即增加基礎底板的厚度、增加基礎頂面覆土厚度、基礎頂面采用容重大且價格低廉的填料。在城市建設中要回填大量的填料，在環境保護和運輸上，成本相對還是較高。（2）設置抗浮樁，抗浮樁具有一定的安全儲備，實際上長期起著“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；如果地下水位長期處于一種較高的水平之上，設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計標高，間接降低抗浮設防水位，梁式筏基的基礎埋深要大于平板式筏基，從而相對提高了抗浮水位，故采用平板式筏板基礎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構的層高，從而相對降低了抗浮設防水位。依靠工程抗拔錨桿和抗拔樁來進行物理抵抗，也存在實際使用上的尷尬點。工程樁和錨桿，處于長期的拉力狀態下。施工時澆筑混凝土是在鋼筋沒有施加額外拉力的狀態下進行的，凝固后的混凝土，和鋼筋同時受拉，在長期荷載下，會產生細微裂縫。地下水浸泡情況下，通過毛細作用侵蝕里面的鋼筋。在長年累月的侵蝕和拉力作用，鋼筋自身會削減，最終變形過大而加速失效。當然在設計中已經考慮了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，當然希望使用年限越長越好。另一種極端情況下，在特大暴雨或者設計考慮不足時，地下室錨桿、樁拉斷，造成局部或整體浮起，將對人民群眾的生命財產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、柱子、頂板受到連帶的永久損壞，修復的難度極大。

4問題解決的路線圖

在建筑物周圍的地下水主要有兩個來源，一個是原有地下潛水，另一個是地面附近侵入的雨水和城市用水，治理這兩種水源應采取不同的方向。由于水的特性，總是由高勢能流向低勢能、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權柄樞機來解決。眾所周知，地下水會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，并且有序的安排（釋放或者增進）這種壓力狀態，就可以在使用中獲得良好的效果，包括延長建筑物壽命、提高使用效率、減少能源和材料使用。控制系統的主要目的是主動控制建筑物周邊接觸面的水壓分布模式，通過有目的連續檢測，并進行水壓力預警。同時對進入預警范圍的部分建筑物臨界面，進行有序的泄壓，達到一個理想的地下建筑物使用狀態，并且兼顧周邊影響范圍的建筑物基礎的壓力平衡，防止發生下陷事故。

5系統的構成

這套控制系統主要包括幾個部分：簡單而可靠的檢測裝置；物聯網形成水壓力分布云圖；通過云圖的特征發出主動控制命令；泄壓增壓系統工作；被動常規降壓系統；主動降壓系統；緊急應變緩沖裝置（見圖1）。本系統由當代工程技術程度中，已經穩定可靠的零部件產品構成，配備半自動的計算機動態實現整個地下建筑物的水壓力平衡（見圖2）。

6系統的工作情況

利用地下室柱內的空間，埋置貫通全柱和基礎底板、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，在沿著墻、柱間隔設置側壓點，用以連接服務器進行整個場地測量水壓分布，繪制成根據時間排列的時程水力云圖，幫助計算機有效預測和安排抽排水的動作。為了保證直觀，也在相同位置布置物理觀測點，用以水位測量糾正。這個埋置在柱內的通路，在柱高約1～2m處設置有常規溢流管。當水位達到溢流管高度時，即可自動留到集水坑進行有序的排走。這種情況下，結構受力一直可以保證在較小的應力狀態。有利于控制滲水和拉裂，進一步延長建筑物的使用壽命和使用質量。位于地下室頂部的閥門，可以保證在需要的時候（自動或者手動）開啟，在地下室頂板安排有序抽水運作。用以在地下室水位有劇烈波動，對結構構成不利情況的時候提早進行主動干預。特別對于遇到特大暴雨，周邊場地被洪水淹沒，水位升高大于地下室原來設計的設防抗浮水位，危害到樁基（拔斷）安全時。這些水，因當時周邊市政管道已經滿水或者發生倒灌，已經不可能進行排水，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。同時這些水作為荷載，對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

對于地下建筑，應該強制補充配置一套對地下室防洪的裝置。包括報警和自動控制防洪裝置兩大部分。地下室防淹報警裝置。包括有報警監視模塊、淹水報警開關、報警器。淹水報警開關安裝在地下室的地面50mm附近，淹水報警開關通過連線與安裝在壁上的報警監視模塊連接，報警監視模塊通過連線與報警器連接。突發洪水倒灌到地下室，地面上的水淹到泵房淹水報警開關，淹水報警開關馬上閉合，并且發出信號反映給監視模塊，監視模塊將信號傳至報警器，報警器立即發出警報，值班人員即刻采取行動，防止事態擴大，設備、汽車等全部財產就得到有效保護，較大限度的降低損失。同時，由于有可能造成電路故障而無法啟動上述報警系統，造成搶救延誤，因此尚需要一套被動的、不依賴電力的防洪裝置。現有技術中，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計雨水溝，適當阻擋地面雨水，其缺點是只能阻擋無路面積水狀態下的普通雨量以下洪水。另一種現有做法是在地下室坡道的起始端采用一定高度的臺地，阻擋地面雨水，但缺點是增加坡道的總長度。目前常用技術均無法在滿足土地高效利用的情況下，解決雨洪災害天氣下的城市洪水對地下室安全的威脅。可以使用浮力式或者氣囊式的地下室車道口擋水結構，把排水明溝和擋水檻結合起來，當雨量較大時，利用明溝積水，自動浮起擋水檻或者觸發氣囊燃爆膨脹，防止地下室被淹。

8結束語

以上所提到的幾種解決地下建筑建設、使用中的難點的實際方法，以現有的工程技術來說已經完全具備實施技術。但國家規范沒有涉及這個方面，在建設方和使用方并沒有意識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，我國有必要將地下建筑的水文情況主動觀測、控制在有利于人民活動的層面。同時，掌握這些地下建筑的周邊水文情況，將更有利于建設海綿城市和智能建筑的發展前景。

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作者：阮商陶 單位：廣東華方工程設計有限公司