华工团队新技术解决地下空间抗浮难题，为地下工程建设“保驾护航”

★聚焦2019年度广东省科学技术奖

地下空间的开发利用已提升为国家战略。然而，城市地下结构的规模越来越大，抗浮问题越来越突出，解决抗浮问题成为地下工程建设的关键。华南理工大学土木与交通学院曹洪教授团队经过15年的系统研究，在地下结构截排减压主动抗浮基础理论研究、技术体系创新及工艺产品研发，工程验证及应用，规范标准编制等方面取得一系列研究成果，在广东、四川、云南等省市的建筑、交通、水利等行业近100项工程中推广应用。项目成果“地下结构截排减压主动抗浮关键技术与工程应用”荣获2019年度广东省技术发明一等奖。

突破多项关键技术

项目组在研究过程中，系统创立了地下结构截排减压主动抗浮理论，提出了大区域复杂渗流数值计算方法和地下结构截排减压主动抗浮设计计算方法。揭示了无砂混凝土孔隙结构特征及其长期保持通畅的机理和止水帷幕缝隙的渗流稳定与自愈条件。首创高效虚拟旁路井流单元和无厚度截渗墙单元，提出了多层区域复杂渗流场有限元+解析解降维计算方法，求解效率比三维有限元渗流计算方法提高2-3个数量级。采用宏观渗流模型实验及细观颗粒运移可视实验，揭示了满足无砂混凝土保土且能长期通畅的临界条件。

同时，创新划分了平地、坡地及临江场地三类地质地形的抗浮设计类型，提出了对应的抗浮设防水位及水浮力计算方法。对于平地地形，项目组提出由潜水位与承压水位的相对关系确定抗浮设防水位的方法。对于坡地地形，建立了考虑止水帷幕厚度影响的坡地渗流改进阻力系数法。对于临江地形，考虑上覆弱透水层的厚度变化和堤后地下结构物对渗流场的影响，建立堤后地层水头值解析解。由此显著提高了计算准确度，有效避免因水荷载计算不可靠而造成的地下结构物抗浮事故。

项目组还发明了抗浮用大直径无砂混凝土减压井成套技术和排水廊道成套技术，解决了截排减压系统的耐久性、可靠性问题，突破了在强透水平地、坡地和临江地形条件下的应用难题。以大直径无砂混凝土减压井或排水廊道为核心、由“截水”、“排水”及“监控”三部分组成的截排减压抗浮系统，充分截断与场地以外的水力联系，及时疏排地下结构底板下的少量地下水，确保底板下水压力和排水量长期保持稳定，解决了水位频动引起土体颗粒启动运移淤堵排水结构的耐久性难题，以及排水量过大引发的环境影响难题。

成果在多项重大工程中得到应用

项目实施过程中，获授权专利37件（发明专利23件）、软件著作权1项；发表论文156篇，其中被SCI/EI收录93篇，总他引2093次；主编行业标准1部、地方标准1部，参编国家标准1部、行业标准3部。经鉴定，项目成果总体达到国际先进水平，其中抗浮用大直径无砂混凝土减压井及排水廊道技术达到国际领先水平。项目成果已成功应用于广州保利世界贸易中心、南方电网生产科研综合基地、港珠澳大桥人工岛、广州新光大桥、广东北江大堤、潮州水利枢纽等建筑、交通、水利领域的多项重大工程项目，新增经济效益18.9亿元，节约造价4.0亿元。

港珠澳大桥是粤港澳三地首次合作共建的超大型跨海通道，人工岛工程是其中重要组成部分。作为国家科技支撑计划课题“外海厚软基桥隧转换人工岛设计与施工关键技术”子课题的重要组成部分，“渗流场有限元+解析解降维分析”技术在该工程中得到成功应用。研究成果解决了离岸海上人工岛深基坑渗流分析及止水技术的重大难题，节省工程造价2800万元，社会经济效果显著。

广州新光大桥利用截排减压技术进行江中桥墩承台围堰方法设计，用减压的技术解决围堰渗透破坏问题，取消了常规围堰施工所必需的大体积封底混凝土，在此基础上总结了不封底单壁钢板桩围堰工法，在全国推广应用，取得了显著的经济效益。广东北江大堤作为全国七大堤防之一，采用多层区域复杂渗流场有限元+解析解降维分析技术，对长32公里的堤防流场进行准确分析，提出了可靠的排水减压保护方案，消除多年的重大安全隐患，确保堤防安全渡汛，成为广东省的标杆工程。

文字 | 冯海波 通讯员 华轩

编辑 | 刘肖勇