某河道调蓄池抗浮技术方案比选

何伟琴，苏敏贤

(深圳市广汇源水利勘测设计有限公司，广东 深圳 518020)

调蓄池总的来说就是将水资源储存在一定规模的场地里，然后起到调蓄水量，避免峰值过大，或者是储存水量以备以后净化回用，当水流超过调蓄最大流量时会从溢流口排出。有时候调蓄池甚至可以当作河流水的沉淀池使用。实际工程应用中，调蓄池的抗浮方式主要有配重抗浮、锚固抗浮、桩基抗浮、降水抗浮和观察井抗浮等。以经济合理、安全可靠为原则，结合场地的岩土工程地质条件和水池结构形式，抗拔锚杆技术是以锚杆提供抗拔力，抵抗地下水浮力与水池自重的差值。相比其它抗浮方式，锚固抗浮受制于场地地层特性和水池结构布置。锚杆一般可按理想的抗拉构件进行设计，可忽略其受压状态，锚杆长度根据地层条件在设计和施工阶段作自由调整。

1 工程概况

深圳某河道工程拟在其河口位置新建污水调蓄池，调蓄池容积7000m3，占地面积约2000m2。其地层情况由上至下为：人工填土层，淤泥质粉质黏土层，砾质黏性土，强风化花岗岩层，中风化花岗岩层。根据实际满足承载力要求的情况，选择强风化花岗岩层为持力层，各地层岩土基本物理力学参数值见表1[1]。

2 常用抗浮措施

由于调蓄池选址位置位于水库淹没区，水库正常蓄水位为28.7m，而调蓄池建基面高程为21.7m。当工况为调蓄池无水，而池外水位为28.7m(水深7m)时，调蓄池靠其自重无法满足抗浮稳定。需要考虑增加其它抗浮措施。本节介绍PHC抗拔管桩、压重抗浮以及抗拔锚杆等3种抗浮措施，分析其优缺点。

表1 岩土基本物理力学参数建议值

2.1 PHC抗拔管桩

PHC抗拔管桩的优点在于其机械化施工，施工周期短；适用于土层较厚的区域；可靠性高，可同时加固地基，对地基不好的情况尤为适用[2]。

PHC抗拔管桩的缺点是工程投资相对较大，沉桩过程中对周边区域有一定影响，桩长较长时，要严格控制接桩部位的施工质量。

2.2 抗拔锚杆

抗浮锚杆施工工艺原理抗浮锚杆，是指建筑物重力及其与周边土体摩擦力之和小于地下水对其浮力时，而采取的基础桩体。

抗浮锚杆是根据设计要求在基槽内钻孔，向孔内注入混凝土，混凝土必须充实整个桩孔，然后在抗浮桩孔内植入锚杆钢筋，钢筋应对准抗浮桩中心，并将设计用的钢筋预留一定长度，然后浇筑筏板基础混凝土，当筏板混凝土强度达到设计强度100%后，将工程主体与抗浮桩锚固在一起，工程主体接受的抗浮力是一种合力，其中抗浮桩贡献了很大一部分，这样就解决了工程主体向上漂浮的问题。

其优点在于可以充分利用上部结构传来的竖向力来平衡掉一部分水浮力；由于锚杆布置集中，有很强的抵抗力。面状均匀布置，在地下室底板下均匀布置，适用于所有土体和岩体；地下室底板梁板配筋较小。

缺点是要求锚固于较硬岩体中，不适用于软岩与土体，地下室底板板配筋较大。

抗拔锚杆的优点在于其工艺成熟，抗拔锚杆施工方便；投资相对较低。

抗拔锚杆的缺点是对于个别锚杆承载力不足的情况，由于能分担的锚杆较少，此情况抵抗力差，同时本工程岩层较深，采用抗拔锚杆，长度较长。

由于锚杆布置相对分散，对于地下室底板下的外防水施工比较麻烦。

2.3 压重抗浮

压重抗浮主要的过程是采用在调蓄池的内部与、顶部或者调蓄池底外挑墙底部增加负重来实现抗浮。

压重抗浮需要足够深的池体，然后在调蓄池内部浇筑压重混凝土或者填筑其它压重材料，用于实现抗浮的效果。

这样的方法需要加大基坑深度与调蓄池壁的高度，增加压力值，对地基承载力应复核。却不会加强池底受到的荷载不匀称反作用力，影响底板的内力不大，但会增加基坑的支护和基坑降水费用。

3 抗浮设计

3.1 浮力计算

计算浮力的水位，根据高水位或验算施工阶段抗浮的相应水位确定。调蓄池所受的浮力等于它排开水的重量[4- 5]：

F=AH1γωg

(1)

式中，A—包括挑出部分的调蓄池底板面积，m2；γω—水密度，t/m3，一般取1，海水取1.03，水含泥沙量较大时，取1.05；H1—底板底面至水面高度，m。根据上式可以算出该调蓄池在水深7m时所受浮力为137.2×103kN。

当地基为基岩时，应将上式结果乘以面积系数K0，即F=K0AH1γω。一般取K0=0.8～1。目前在许多工程中，由于无确切地质资料，仍取K0=1[4]。

3.2 抗浮方案的选择

考虑到该调蓄池工程的实地情况，由于调蓄池所处的地层为粗砂砾岩、强风化花岗岩等，加之工程预算有限，PHC抗拔管桩、压重抗浮措施造价较高，不满足本工程施工要求。因此考虑抗浮锚杆的施工造价相对低廉、工程可靠性高、操作方便、可以适应水位的不断变化等特点，采用抗浮锚杆用于本调蓄池的抗浮施工设计中。锚杆的杆体多使用钢绞线，或者螺纹钢筋，在螺纹钢筋内部灌入水泥浆等材料[5]。

该调蓄池的主要结构基础处于粗砾砂层之中，结构处于的基底相距中风化地层3～5m，在充分考虑工程的经济效益与适用性，本工程的抗浮设计采取螺纹钢筋锚杆，底板梁上的锚杆需要分布均匀。结构的抗浮力包括了2个方面，其一是自重，其二是抗浮锚杆的抗拔力。

已知混凝土容重为25kN/m3，调蓄池围墙与池底厚度为600mm，计算获得本调蓄池自重为46353kN，单根锚杆抗拔力为P(kg)，可以依据下述公式进行计算[4]：

P=πd1LR1

(2)

式中，d1—锚杆直径，cm，本次取15cm；L—锚杆的有效锚固长度，cm，本次取5m；R1—砂浆与岩石间的容许粘结力，kg/cm2，本次取4.5。计算获得单根锚杆抗拔力为105975kg，即1038kN。

锚杆抗浮力总和与调蓄池浮力之间需满足公式：

∑Gt/F≥Kt

(3)

式中，∑Gt—所有抗浮力总和；Gt=nP，n—锚桩数；F—调蓄池浮力，本文取137.2×103kN；Kt—安全系数，一般取值范围为1.05～1.15。

[(1038n)+46353]/137200≥1.05

计算n≈94.1=95，因此本调蓄池需要布置至少95根锚杆。

嵌入地下的锚杆由于地下环境因素，地下水会腐蚀到锚杆本身，因此在设计过程中对防腐措施的问题应该重点考虑[6- 8]。

使用的锚杆特点是全长粘结性锚固体，顶部与主体结构连接处是需要重点进行防腐措施的位置，因为这个位置在施工灌浆过程中，土一侧的约束常常有限，导致了灌浆不饱满情况的出现，底板的施工也会导致锚杆顶受到破坏，以上的不利因素均会使得水体侵入锚杆以致于腐蚀发生。

为了消除上述锚杆腐蚀带来的不利因素，可以采取下述技术措施[9- 10]：

(1)杆体钢筋表面均全长涂刷环氧树脂涂层，对钢筋进行保护；

(2)锚杆顶部取消设置C15混凝土垫层，采用C20细石混凝土浇筑成倒锥形，浇筑底板混凝土前对其顶面糙化处理，加大、加强接触面。

锚杆图如图1所示。

图1 单锚杆大样图

4 结语

调蓄池是一项规模浩大的地下结构工程，其受力因素复杂多变，在计算其抗浮作用时，常规的二维模型已难以满足精度需要。需要结合三维模型来确定极限工况条件下的计算结果。调蓄池的抗浮验算过程不应该被忽视，从经济性与适宜度的方面来确定抗浮措施。

本文选择抗拔锚杆作为抗浮措施，经过计算，该调蓄池为达到抗浮需要，所需锚杆数量应不少于95根。同时嵌入地下的锚杆防腐措施也需要重点考量。调蓄池的设计中还应注意混凝土的配合比、掺合料的选用以及后期施工养护方面的问题，尽可能保证调蓄池结构抗浮能力稳定性。