地下建筑水力分布控制模式分析
前言：想要寫出一篇引人入勝的文章？我們特意為您整理了地下建筑水力分布控制模式分析范文，希望能給你帶來(lái)靈感和參考，敬請(qǐng)閱讀。
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(wèn)題。通過(guò)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(lái)，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(lè)、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(yáng)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(wú)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(guò)科研解決。
3地下水問(wèn)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(wèn)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(wèn)題。滲透問(wèn)題的傳統(tǒng)解決辦法是通過(guò)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(lái)說(shuō)，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(guò)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(wèn)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(lái)增加地下室的重量是解決地下室抗浮問(wèn)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(wú)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(lái)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(méi)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(guò)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(guò)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(shuō)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(wèn)題解決的路線圖
在建筑物周圍的地下水主要有兩個(gè)來(lái)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(wèn)題，可以通過(guò)水壓力控制這個(gè)權(quán)柄樞機(jī)來(lái)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(wèn)題。通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(méi)，水位升高大于地下室原來(lái)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(guò)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(guò)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(wú)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?，F(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(wú)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(wú)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(lái)，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(yǔ)
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(lái)說(shuō)已經(jīng)完全具備實(shí)施技術(shù)。但國(guó)家規(guī)范沒(méi)有涉及這個(gè)方面，在建設(shè)方和使用方并沒(méi)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。
參考文獻(xiàn)：
[1]張勁,楊栗晶.水力計(jì)算與測(cè)試技術(shù)[M].北京:水利水電出版社,2013.
[2]汪徳爟.計(jì)算水力學(xué):理論與應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社出版,2017.
[3]沈春林.地下工程防水設(shè)計(jì)與施工[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2016.
[4]李文平.地下建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化及案例分析[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2019.
作者：阮商陶 單位：廣東華方工程設(shè)計(jì)有限公司