CN113700124B - 一种泄水降压的地下抗浮水池及其泄水降压方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种泄水降压的地下抗浮水池，包括水池，所述水池内部且位于水池钢筋砼底板下方设置集水坑，所述集水坑上方设有与集水坑相连通的监测井，所述监测井顶部标高大于等于水池标高，保证水池与监测井之间相互隔绝；所述水池钢筋砼底板底部设置复合反滤层，所述复合反滤层内设置排水管，所述排水管与集水坑相连通；所述监测井内设有液位调控系统，并通过液位调控系统对监测井内液位进行自动控制。本发明通过在水池底部设置常规建筑材料组成的复合反滤层，将地下水收集汇入集水坑中，消除了水池底板的水浮力，而且渗流出来的水属于清水不会带走原状土的土颗粒，不会污染环境，因此本发明属于一种经济环保的水池抗浮技术。
Description
技术领域
本发明涉及建筑工程施工技术领域，具体涉及一种泄水降压的地下抗浮水池及抗浮方法。
背景技术
常用的水池抗浮设计方法有压重抗浮法、结构抗浮法、锚固抗浮法三种，采用增加结构配重或增加抗拔承载能力来满足水池的抗浮设计安全。
压重抗浮法：抗浮压重荷载包括地下结构底板自重及其上部压重、地下结构底板挑出结构板自重及其上部覆土自重、地下结构上部覆土自重或顶部压重结构提供的抗浮承载力等。压重材料包括土、砂石、浆砌块石、混凝土等，适用于水池容量较小，抗浮承载力差异不大的水池。
结构抗浮法：通过增加底板或结构刚度和抗拔承载力或利用基坑维护结构增加竖向抗力。该方法适用于抗浮力分布较小区域，地下结构底板刚度不均的工程，结构抗浮有效作用范围不大。
锚固抗浮法：利用抗浮锚杆或抗浮桩的抗拔承载力来保证抗浮设计的安全。该方法前期施工费用较高，但后期维护简单，结构受力合理。
压重抗浮法、结构抗浮法、锚固抗浮法都存在水浮力，然后通过增加结构抗力的方法来解决水池的抗浮，不可避免的需要额外增加结构压重或抗浮措施来保证水池的安全，存在施工周期长、投资费用高的缺陷。
因此现有技术中的水池抗浮设计方法并不完善，均存在明显缺陷。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种泄水降压的地下抗浮水池及抗浮方法。
本发明的技术方案如下：
一种泄水降压的地下抗浮水池，包括水池，所述水池内部且位于水池钢筋砼底板下方设置集水坑，所述集水坑上方设有与集水坑相连通的监测井，所述监测井顶部标高大于等于水池标高，保证水池与监测井之间相互隔绝；所述水池钢筋砼底板底部设置复合反滤层，所述复合反滤层内设置排水管，所述排水管与集水坑相连通；所述监测井内设有液位调控系统，并通过液位调控系统对监测井内液位进行自动控制。
进一步的，复合反滤层依次包括竹篦子板、细砂层、中粗砂层、无纺土工布、碎石层、聚乙烯彩条布，且所述竹篦子板与被保护土层直接接触，所述聚乙烯彩条布上方设有水池素砼垫层，所述水池素砼垫层上方设置水池钢筋砼底板。
进一步的，竹篦子板与被保护土层直接接触，且竹篦子板之间采用钢丝绑扎错缝搭接连接。
进一步的，水池钢筋砼底板投影范围的周边设置竖向混凝土止水挡墙，且复合反滤层的侧面收边于竖向混凝土止水挡墙上。水池钢筋砼底板投影范围的周边设置水平向混凝土止水挡墙，所述水平向混凝土止水挡墙一端与水池钢筋砼底板相连，另一端与水池基坑围护结构相连。减少水池周边地表水的渗流通过透水、导水层汇入集水坑中。
进一步的，不锈钢管的一端开口伸入集水坑内，另一端闭口埋入碎石层中，所述不锈钢管上设置渗水孔，且渗水孔沿不锈钢管的环向布置，渗水孔直径为碎石层粒径的1/3-1/2。
进一步的，集水坑设置在水池中部位置处，且集水坑之间相互连通，并共用一个监测井；当集水坑集中布置有困难时，可将集水坑用水管连接共用监测井。
进一步的，复合反滤层被水池结构隔断时，在水池结构上开孔，并使水池结构左右两侧水流畅通。
进一步的，液位调控系统包括液位计、带控制阀的水泵及雨水沟，所述液位计设置在监测井内，用于监测监测井水位，并通过带控制阀的水泵将集水坑内的积水排入雨水沟。
一种泄水降压的地下抗浮水池的泄水降压方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)水池正常使用状态是池内有水时：
考虑水池正常使用状态是池内有水时，以地下水池不产生整体上浮所能承受的最大水头压力作为监测井的最高水位；监测井的最高水位Hw应符合下列以下公式的规定：
Hw≤(H1+αH2+βH3)/Kw
H1—水池池内水位高度；
H2—水池混凝土底板和顶板的厚度；
H3—水池顶板面以上覆土厚度；
α—混凝土与水比重的比值；
β—回填土与水比重的比值；
Kw—抗浮稳定安全系数，其中甲级抗浮水池Kw＝1.10，乙级抗浮水池Kw＝1.05；丙级抗浮水池Kw＝1.00；
2)当水池正常使用状态是池内无水时：
考虑水池为空池的正常使用状态下，也是以地下水池不产生整体上浮能承受的最大水头压力作为监测井的最高水位；监测井的最高水位Hw应符合下列计算公式的规定：
Hw≤(αH2+βH3)/Kw
式中Kw—抗浮稳定安全系数；
H2—水池混凝土底板和顶板的厚度；
H3—水池顶板面以上覆土厚度；
α—混凝土与水比重的比值；
β—回填土与水比重的比值；
3)液位计对监测井水位进行监测，当监测井内液位高于最高水位时，带控制阀的水泵自动开启将集水坑中的渗流水排入雨水沟中；当液位计监测到水位低于水泵吸水口标高时，带控制阀的水泵自动关闭停止抽水。
通过采用上述技术，与现有常用抗浮技术相比，本发明的有益效果如下：
1)本发明通过在水池底部设置常规建筑材料组成的复合反滤层，将地下水收集汇入集水坑中，消除了水池底板的水浮力，而且渗流出来的水属于清水不会带走原状土的土颗粒，不会污染环境，因此本发明属于一种经济环保的水池抗浮技术。
2)因抗拔桩的承载力特征值远小于抗压桩的承载力特征值，因此采用常规抗浮方法设计时，水池桩的数量往往由抗拔承载力设计的桩数控制。采用本发明的泄水降压技术之后，在水池正常使用期间水池的底板可以不用考虑抗浮水头压力，水池不用考虑设置抗拔桩。这样既节省了桩的数量，又节省了桩施工的工期，减少水池配重。经济效益比较明显。
3)采用本发明的泄水降压技术之后，在水池正常使用期间水池的底板可以不用考虑抗浮水头压力，水池底板的厚度和配筋存在优化的空间。
4)采用本发明的泄水降压技术之后，常规设计的地下水池中因水池抗浮刚度需要设置的剪力墙可以取消仅保留框架柱即可、水池底板周边因抗浮配重需要的悬挑板长度可以大大缩短仅满足水池钢筋的锚固搭接长度即可，大幅减低了水池设计的工程材料用量。
5)采用本发明的泄水降压技术之后，使得水池对雨季地下水的变化不敏感，可以杜绝因暴雨引起水池上浮或水池结构破坏等现象。
附图说明
图1为本发明集水坑布置图；
图2为本发明集水坑结构示意图；
图3为本发明监测井布置图；
图4为本发明的水平向及竖向止水挡墙结构示意图；
图5为本发明的复合反滤层结构示意图；
图中：1-被保护弱透水土层，2-竹篦子板，3-第一层反滤层—细砂层，4-第二层反滤层—中粗砂层，5-无纺土工布，6-第三层反滤层—碎石层，7-聚乙烯彩条布，8-水池素砼垫层，9-水池钢筋砼底板，10-水池结构，11-竖向混凝土止水挡墙，12-水平向混凝土止水挡墙，13-水池基坑围护结构，14-带泄水孔的不锈钢管，15-集水坑，16-液位计，17-带控制阀的水泵，18-雨水沟，19-监测井，20-水池内框架柱，21-水池池壁，22-水池。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明作进一步说明：
如图1-5所示，泄水降压地下抗浮水池在水池底部设置了复合反滤层，自下而上的做法如下：被保护弱透水土层1、竹篦子板2、第一层反滤层—细砂层3、第二层反滤层—中粗砂层4、无纺土工布5、第三层反滤层—碎石层6、聚乙烯彩条布7、水池素砼垫层8、水池钢筋砼底板9。除被保护弱透水土层1、水池素砼垫层8、水池钢筋砼底板9为原始土层或水池结构本体之外，其他各层为复合反滤层的具体组成部分。
其中第一层反滤层—细砂层3和第二层反滤层—中粗砂层4合称为透水层，透水层最小厚度一般不小于300mm，第三层反滤层—碎石层6为导水层，带泄水孔的不锈钢管14设置在导水层中。透水层和导水层的总厚度不宜小于500mm。泄水降压法适用于弱透水地基土，一般要求弱透水层的垂直渗透系数KV<1x10-5cm/s，弱透水层的厚度不小于隔水层层底水头的1/5且不小于2米。
当复合反滤层被水池结构10(水池地梁或承台)隔断时，需要在地梁上开孔，保证地梁左右两侧导水层水流畅通，承台因平面投影面积较小对水流阻断影响有限不必在承台上留孔。开孔地梁或承台10底部均不需要设置复合反滤层。
水池钢筋砼底板9投影范围的周边设置竖向混凝土止水挡墙11和水平向混凝土止水挡墙12，水平向混凝土止水挡墙12一端与水池钢筋砼底板9相连，另一端与水池基坑围护结构13相连。其中Ⅱ型反滤层(复合反滤层)的侧面收边于竖向混凝土止水挡墙11上，杜绝了渗流方向与重力方向垂直的Ⅰ型反滤层(普通反滤层)出现，通过增长水池地表水的渗流路径并减少渗透系数，减少水池周边地表水的渗流通过透水、导水层汇入集水坑中。
采用带渗水孔的不锈钢管14构成的水平集水系统，带渗水孔的不锈钢管14的一端开口伸入集水坑15内，另一端闭口埋入导水层第三层反滤层—碎石层6中；不锈钢管14上的渗水孔直径宜采用碎石层较小粒径的1/3-1/2，具体根据计算的碎石层直径颗粒级配范围确定，渗水孔沿不锈钢管的环向布置，宜梅花形排列。
当集水坑15数量较多时，集水坑15宜集中布置，尽量共用监测井，当集水坑集中布置有困难时，可将集水坑用水管连接共用监测井。除监测井19的集水坑15外，其余集水坑15顶部均设置混凝土板，多个集水坑15之间相互连通，共用一个监测井19。监测井19设置在其中一个集水坑15上部，监测井19用钢筋混凝土墙从水池的底板做到水池的顶板，保证监测井19内水池底部汇集到集水坑15的渗流水与监测井19外的水池用水互不干扰，保证雨水与污水分别排放。
复合反滤层自下而上的做法如下：
1)竹篦子板：
竹篦子板与被保护土层弱透水层直接接触，适用于被保护土层为流塑性较强的淤泥质黏土，竹篦子板要求采用钢丝绑扎错缝搭接连接。竹篦子板有利于保证人员和小型机械施工时作业面的平整，防止被保护土层与反滤层的砂层搅合在一起。
2)第一层反滤层—细砂层：
根据岩土工程勘察报告《地基土物理力学指标数理统计表》中提供的被保护土层的颗粒级配曲线，根据《碾压式土石坝设计规范》SL 274-2020附录B中的要求计算第一层反滤层—细砂层的颗粒级配范围即上包线-细颗粒范围线和下包线-粗颗粒范围线。
3)第二层反滤层—中粗砂层：
以第一层反滤层—细砂层作为保护层，根据《碾压式土石坝设计规范》SL 274-2020附录B中的要求计算第二层反滤层—中粗砂层的颗粒级配范围即上包线-细颗粒范围线和下包线-粗颗粒范围线。
4)无纺土工布：
无纺土工布设置在透水层之上，导水层之下。主要目的是防止因地下水压力大产生流土或管涌；无纺土工布材料性能执行GB/T17638、GB/T17639中的规定，无纺土工布单位面积质量宜为300g/m2-500g/m2，抗拉强度不宜小于6kN/m。无纺土工布搭接长度不小于500mm，层面平整度不应大于10mm/m。
5)第三层反滤层—碎石层：
以第二层反滤层—中粗砂层作为保护层，根据《碾压式土石坝设计规范》SL 274-2020附录B中的要求计算第三层反滤层—碎石层的颗粒级配范围即上包线-细颗粒范围线和下包线-粗颗粒范围线。
6)聚乙烯彩条布：
设置聚乙烯彩条布主要是为了防止水池底板素混凝土垫层浇灌时水泥浆渗入导水层中，从而影响碎石层的导水性能。
具体地，复合反滤层中砂、碎石的填筑标准是以相对密度作为设计控制指标的，Ⅱ型反滤层(复合反滤层)的相对密度宜为0.70。
具体地，复合反滤层中反滤料应采用砂砾石和硬岩，颗粒连续级配，粒径小于0.075mm的颗粒含量不应超过5％。
具体地，复合反滤层中反滤料应具有良好的透水性能，反滤料中的有机料含量、含泥量应不超过5％。
具体地，复合反滤层中反滤料的级配可在上下包线范围内调整。若滤土更重要，级配曲线更接近上包线特征粒径；若排水更重要，级配曲线更接近下包线特征颗粒。
一种泄水降压的地下抗浮水池的抗浮方法，具体步骤如下：
地下水池分两种情况，一种是水池正常使用状态是池内有水，以地下水池不产生整体上浮能承受的最大水头压力作为监测井的最高水位(池内有水时需要考虑水池内水的重量)。监测井的最高水位Hw(从水池底板底面算起)应符合下列以下公式的规定：
Hw≤(H1+αH2+βH3)/Kw
H1—水池池内水位高度；
H2—水池混凝土底板和顶板的厚度；
H3—水池顶板面以上覆土厚度；
α—混凝土与水比重的比值；
β—回填土与水比重的比值；
Kw—抗浮稳定安全系数，其中甲级抗浮水池Kw＝1.10，乙级抗浮水池Kw＝1.05；丙级抗浮水池Kw＝1.00；
其中α一般取2.4，β一般取1.8；如果考虑回填土的比重没有原状土那么密实，β可取1.6。
另一种是水池正常使用状态是空池，平时水池内无水。只有在生产装置存在事故状态下，消防污水经污水收集系统汇入水池中。这种水池需要考虑水池为空池的正常使用状态下，地下水池不产生整体上浮能承受的最大水头压力作为监测井的最高水位(水池为空池时附加物自重不考虑水池内水的重量)。监测井的最高水位Hw(从水池底板底面算起)应符合下列计算公式的规定：
Hw≤(αH2+βH3)/Kw
式中Kw—抗浮稳定安全系数；
H2—水池混凝土底板和顶板的厚度；
H3—水池顶板面以上覆土厚度；
α—混凝土与水比重的比值；
β—回填土与水比重的比值；
两种情况中地下水池内的水均为污水与监测井19中的雨水需要相互隔绝，并分别排放。且地下水池中最高水池与监测井19中的最高水位是不一样的。
当液位计16监测到监测井水位高于处于最高水位时，带控制阀的水泵17自动开启将集水坑15中的渗流水排入雨水沟18中。当液位计16监测到水位低于水泵吸水口标高时，带控制阀的水泵17自动关闭停止抽水。
此外常规水池设计除水池周边的水池池壁21外，在水池内框架柱20之间还需要设置水池抗浮刚度需要的剪力墙，水池底板9周边设置因抗浮配重需要的悬挑板。采用本发明的泄水降压的地下抗浮水池后，除水池周边的水池池壁21和监测井19的剪力墙外，其他水池内部的剪力墙均可以取消仅保留水池内框架柱20；水池底板9周边悬挑板的长度仅需要满足水池钢筋的锚固搭接长度即可，可以大幅节省水池本体的材料用量。
本发明通过泄水降压的方法消除了水池底部的水浮力。利用水工结构中复合反滤层的设置，花费少量的投资从源头上避免了水浮力的产生，通过取消水池抗浮刚度需要设置的剪力墙，降低水池底板周边因抗浮配重需要的悬挑板长度。起到节省施工周期、大幅度节省地下水池投资的目的。
Claims (3)
1.一种泄水降压的地下抗浮水池的泄水降压方法，地下抗浮水池包括水池(22)，其特征在于，所述水池(22)内部且位于水池钢筋砼底板(9)下方设置集水坑(15)，所述集水坑(15)上方设有与集水坑(15)相连通的监测井(19)，所述监测井(19)顶部标高大于等于水池(22)标高，保证水池与监测井之间相互隔绝；所述水池钢筋砼底板(9)底部设置复合反滤层，所述复合反滤层内设置排水管(14)，所述排水管(14)与集水坑(15)相连通；所述监测井(19)内设有液位调控系统，并通过液位调控系统对监测井(19)内液位进行自动控制；
所述复合反滤层依次包括竹篦子板(2)、细砂层(3)、中粗砂层(4)、无纺土工布(5)、碎石层(6)、聚乙烯彩条布(7)，所述聚乙烯彩条布(7)上方设有水池素砼垫层(8)，所述水池钢筋砼底板(9)设置在水池素砼垫层(8)上方；
所述竹篦子板(2)与被保护土层(1)直接接触，且竹篦子板之间采用钢丝绑扎错缝搭接连接；
所述水池钢筋砼底板(9)投影范围的周边设置竖向混凝土止水挡墙(11)，且复合反滤层的侧面收边于竖向混凝土止水挡墙(11)上；
所述水池钢筋砼底板(9)投影范围的周边设置水平向混凝土止水挡墙(12)，所述水平向混凝土止水挡墙(12)一端与水池钢筋砼底板(9)相连，另一端与水池基坑围护结构(13)相连；
所述集水坑(15)设置在水池中部位置处，且集水坑(15)之间相互连通，并共用一个监测井(19)；
所述液位调控系统包括液位计(16)、带控制阀的水泵(17)及雨水沟(18)，所述液位计(16)设置在监测井(19)内，用于监测监测井(19)水位，并通过带控制阀的水泵(17)将集水坑(15)内的积水排入雨水沟(18)；
所述复合反滤层的相对密度宜为0.70；
泄水降压方法，包括如下步骤：
1)水池正常使用状态是池内有水时：
考虑水池正常使用状态是池内有水时，以地下水池不产生整体上浮所能承受的最大水头压力作为监测井的最高水位；监测井的最高水位Hw应符合下列以下公式的规定：
Hw≤(H1+αH2+βH3)/Kw
H1—水池池内水位高度；
H2—水池混凝土底板和顶板的厚度；
H3—水池顶板面以上覆土厚度；
α—混凝土与水比重的比值；
β—回填土与水比重的比值；
Kw—抗浮稳定安全系数，其中甲级抗浮水池Kw＝1.10，乙级抗浮水池Kw＝1.05；丙级抗浮水池Kw＝1.00；
2)当水池正常使用状态是池内无水时：
考虑水池为空池的正常使用状态下，也是以地下水池不产生整体上浮能承受的最大水头压力作为监测井的最高水位；监测井的最高水位Hw应符合下列计算公式的规定：
Hw≤(αH2+βH3)/Kw
式中Kw—抗浮稳定安全系数；
H2—水池混凝土底板和顶板的厚度；
H3—水池顶板面以上覆土厚度；
α—混凝土与水比重的比值；
β—回填土与水比重的比值；
3)液位计对监测井水位进行监测，当监测井内液位高于最高水位时，带控制阀的水泵自动开启将集水坑中的渗流水排入雨水沟中；当液位计监测到水位低于水泵吸水口标高时，带控制阀的水泵自动关闭停止抽水；
该方法适用于弱透水地基土，要求弱透水层的垂直渗透系数KV<1x10-5cm/s，弱透水层的厚度不小于隔水层层底水头的1/5且不小于2米。
2.根据权利要求1所述的一种泄水降压的地下抗浮水池的泄水降压方法，其特征在于，所述排水管(14)的一端开口伸入集水坑(15)内，另一端闭口埋入碎石层(6)中，所述排水管(14)上设置渗水孔，且渗水孔沿排水管(14)的环向布置，渗水孔直径为碎石层(6)粒径的1/3-1/2。
3.根据权利要求1所述的一种泄水降压的地下抗浮水池的泄水降压方法，其特征在于，所述复合反滤层被水池结构(10)隔断时，在水池结构(10)上开孔，并使水池结构(10)左右两侧水流畅通。
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