如何确定地下结构抗浮设防水位

2020-12-16吴自金

有色金属设计 2020年3期

吴自金

(贵州省有色金属和核工业地质勘查局物化探总队，贵州贵阳 550000)

0 引言

随着中国城市建设的高速发展，建筑不仅向天空发展，而且向地下掘进，很多高层建筑基础埋深超过15 m，甚至达到30 m以上，加上建筑体型常常较复杂，建筑结构下部有时存在裙房和“广场式建筑”的纯地下室部分。抗浮设防水位与场地所在地貌单元、地层结构、地下水类型、各层地下水水位及变化幅度和地下水补给、径流、排泄条件等因素有关。在地下室外墙承载力验算和抗浮设计中，正确确定抗浮设防水位不仅关系着建筑结构的安全，而且对工程的造价、施工工期、施工难度都有较大影响，是工程建设中的一个重点及难点问题。

1 确定地下结构抗浮设防水位的难点

地下水水位往往随着时间的变化而变化，有季节变化规律，也有年变化规律，随着场区的水文地质环境条件变化而变化，如大的挖方和填方、地下结构的修建等因素都会改变地下水文地质环境。勘察规范中加重了初步勘察阶段对地下水勘察的要求，但是初勘单位和详勘单位常常不是同一单位，而且很多项目往往直接是详勘阶段，一般详勘阶段时间紧迫，只能了解勘察时刻的地下水状态，这对岩土工程师掌握场区地下水位长期动态变化规律带来较大的困难。

地下结构面积大，基础埋置深，抗浮设防水位定得过高，工程费用可能浪费较大；定得过低，如地下结构底板及梁柱发生局部破坏，甚至发生整体上浮，后果将会很严重，处理起来也非常困难。抗浮设防水位一般取地下结构自施工期间至全使用寿命周期间可能遇见的最高水位，这个水位不是勘察期间实测到的场地最高水位，也不是历史上观测到的最高水位，而是地下结构整个寿命周期可能遇到的最高水位。抗浮设防水位是岩土工程师根据场地条件和当地经验预测的未来可能出现的一个水位，既反映了岩土工程师的经验判断水平，也反映了当地的技术经济发展水平。而在地下结构未来的五十年甚至上百年使用期间，地下水位变化可能较大，周边场地条件也可能发生较大的改变，这给合理确定抗浮设防水位带来较大的困难。

2 地下结构抗浮设防水位的确定

(1)抗浮设防水位一般取地下结构自施工期间至全使用寿命周期间可能遇见的最高水位。

当有地下水长期观测资料时，可根据历史上最高水位来推定今后使用期间的地下水最高水位。当没有地下水长期观测资料时，但是对不同地貌单元地下水有季节变化幅度经验数据时，可按“勘察期间实测地下水位+地下水季节变化幅度+意外补给可能带来的地下水升高值”，来预测地下水抗浮设防水位。地下水季节变化幅度旱季勘察时加变化幅度大值，雨季勘察时加变化幅度小值。

(2)施工期间的抗浮设防水位可按勘察时的实测最高水位，并根据季节变化导致的地下水可能升高的因素、结构自重和上覆土未施加，浮力对地下结构的不利因素等因素综合确定。

(3)建筑场地存在上层滞水、潜水和承压水等多层地下水时，各层地下水分别有各自的独立水位，若隔水层属饱和状态，说明各类地下水有水力联系，而且场地勘察时打穿所有含水层，桩基施工时和地下结构肥槽回填未处理好也可能将各类含水层联通起来，因此，地下结构使用期间，各类地下水实际是相互联通的，故抗浮设防水位按各层地下水的混合最高水位确定。

(4)建筑场地临近水库、河流、湖泊、海洋等大型地表水体时，当与场地地下水有水力联系时，可按地表水体百年一遇高水位及波浪雍高，结合地下排水管网等情况和当地经验综合确定抗浮设防水位。

(5)对于低洼地区，如贵州地区的一些洼地，雨季会遭遇特大暴雨，降水在低洼地区往往来不及排走，形成水涝，产生“盆池效应”，特别是当遇地下结构施工时，基坑形成汇水区，造成地下结构上浮，其灾害难以阻止。为保证地下结构安全，抗浮设防水位取室外地坪高程。

3 地下结构抗浮设设防水位确定应注意的几个问题

(1)当某些场地地下水赋存条件复杂，补给和排泄在建筑使用期间可能发生较大改变，如近年一些城市湿地公园的建设或周边水库应急放水等都可能对该场地地下水产生较大影响，抗浮设防水位应由建设单位委托有资质的单位进行专门论证后提出。

(2)位于斜坡场地或可能产生明显水头差的地下结构，抗浮设计应考虑地下水渗流在地下结构底板产生的非均布荷载对地下结构的影响。

(3)地下结构在稳定地下水位作用下的浮力应按静水压力计算，即使在粘性土地基或地下结构底板直接与基岩接触的情况下也不宜折减。当遇因暴雨等因素产生的临时高水位，如该水位持续时间短，在粘性土中不能形成有效浮力，可根据当地经验折减。

4 贵州某项目抗浮设防事故分析

4.1 工程概况

场地地貌单元属剑江水系Ⅰ级阶地，地层分布为填土、粉质粘土、砂卵石和泥灰岩，砂卵石层渗透性非常好。湿地公园位于项目区北侧和西侧，于2011年4月开工建设，目前已满负荷运行，污水处理量约为5万m3/d，根据现场调查，污水净化池内水位基本与进出水管高度持平，水面标高约507.50 m。根据现场水位观测，湿地公园范围水位处于最高位置，湿地公园水补给地下后向四周径流，直接进入本项目范围内的水主要来自于湿地公园侧向径流补给低高程卵石层及向下补给基岩，约4 000 m3/d经过卵石层流经项目区，最终流入剑江。

详勘期间正值地下水平水期，周边施工场地降水对本项目有影响，地下水位标高为490.70～491.90 m。预计至丰水期，在自然条件下无降水影响时，场地地下水位将上升。根据区域水文地质资料，地下水变幅为1.5～3.0 m按不利组合的情况考虑，原详勘阶段本场地最高地下水位标高可能达到494.90 m，地下室抗浮设防水位按标高494.90 m取值。

该建筑物为地下二层框架-剪力墙结构，室外地坪标高500.1 m，地下结构-2F标高490.1 m，进行了抗浮锚杆设计与施工且抗浮锚杆检测合格。2015年6月底，地下室混凝土侧墙出现局部渗水现象，9月初地下室混凝土侧墙渗水区增多，-2F地下室底板出现局部起拱、上浮现象，部分框架梁、柱、现浇板等混凝土构件开裂。建设方采取紧急排水措施，在-2F底板起拱、上浮区域紧急开设排水孔，开孔初期地下水喷涌而出，随着水体涌出-2F地下室内水位急剧上升，最深约为2.2～2.5 m，随后通过数个抽水泵将水体抽出地下室。发现地下室-2F底板起拱、上浮时，降水井内水位标高为496.85 m。

4.2 事故原因分析及建议

事故发生后，建设方委托另一家勘察单位对该场地进行了水文地质勘查，并提供《水文地质勘查报告》，主要原因分析如下：①未充分考虑周边场地施工降水对该项目场地地下水位的影响，当周边场地施工降水结束后，使本项目场地地下水位回升；②场区内主要地层为上部中等透水填土层及中部强透水卵石层，粘性土层和基岩虽然透水性较弱，但在湿地公园持续不断向场地补水情况下，地表水与地下水形成水力联系，并对场地地下水长期持续补给，补给量约4000 m3/d；③地下室剪力墙与基坑之间肥槽回填物为含粘土、建渣和碎石的杂填土，结构松散，渗透性好，形成了良好的地下水渗流通道，在暴雨工况下，大量雨水以及湿地公园渗透水通过肥槽回填层进入地下室底板之下；④结合勘察区实际情况、湿地公园水位及相关工程经验，建议抗浮设防水位按标高497.9 m考虑。

综上所述，由于周边场地停止施工降水、雨水及相邻湿地公园地表水对场地地下水的大量补给，形成了高于该场地原详勘报告提供的抗浮水位的水头，大大超过抗浮锚杆设计的抗浮能力，地下水高水头对地下室底板形成较大的上浮作用，引起底板起拱、开裂。