彭柏興

(長沙市規(guī)劃勘測設(shè)計研究院，湖南長沙 410007)

1 引言

地下水是指賦存于飽和土層和巖土孔隙、裂隙及空洞中的水之總稱。地下水作為巖土介質(zhì)的組成部分，直接影響著巖土工程性質(zhì)和行為。隨著我國城鎮(zhèn)化建設(shè)進程加速，城市正在成為人類生存空間中開發(fā)強度最大、密度最高的地區(qū)，城市建設(shè)與地下水的關(guān)系越來越密切［1～3］。近年來，由于對地下水考慮不當(dāng)，引發(fā)的地下室整體或局部上浮、上部結(jié)構(gòu)開裂甚至破壞的事故屢見不鮮［4～6］。經(jīng)分析，其原因無過于如下情況:①勘察報告提供的抗浮設(shè)防水位偏低;②設(shè)計人員忽視地下室主體建筑外上部荷重較輕的受力單元的浮力驗算;③施工單位過早停止降低地下水措施、地下室回填土質(zhì)量差;④不可抗力因素—連續(xù)的暴雨或海水倒灌造成地表水位急劇升高。歸底結(jié)底，是地下水浮力大于建筑物當(dāng)時的上部荷重，其核心仍然是如何確定抗浮設(shè)防水位。

眾所周知，勘察報告中的初見水位和穩(wěn)定水位都是勘察期間的靜態(tài)值。而地下水隨季節(jié)、氣候條件、排水狀態(tài)、地形、地貌等因素影響，并隨區(qū)域性水文地質(zhì)條件、各層地下水的變化和滲流造成的壓力水頭分布形態(tài)變化而變化。如何準(zhǔn)確、客觀地確定建筑場地的抗浮設(shè)防水位是一件相當(dāng)困難的事情，諸多專家、學(xué)者對此進行過分析和研究，各有見地，并不一致［7～11］。本文試圖結(jié)合長沙地區(qū)的水文地質(zhì)特征，對本地區(qū)的抗浮設(shè)防取值問題進行探討。

2 長沙地區(qū)水文地質(zhì)特征

2.1 自然地理特征

長沙地處湘中丘陵與洞庭湖平原的過渡地帶，湘瀏盆地西南緣。地貌分為剝蝕構(gòu)造丘陵與河流堆積Ⅴ級階地兩類，其北、西、南三面環(huán)山，中、東部為湘江、瀏陽河沖積階地，自南往北階地由老至新遞降［12］。

地層主要為第四系全新統(tǒng)人工填土層，第四系更新統(tǒng)沖積層、殘積層，基巖為古近系粉砂質(zhì)泥巖，白堊系碎屑巖(泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及礫巖)，石炭系白云質(zhì)灰?guī)r，泥盆系泥巖、泥灰?guī)r及灰?guī)r，元古界冷家溪群板巖以及燕山期侵入巖體?；鶐r以白堊系碎屑巖和震旦系板巖居多。

長沙屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū)，溫暖潮濕，春夏多雨，秋冬干旱。多年平均降雨量1394.6 mm，每年4月～8月的降雨量約占全年的80%。

區(qū)內(nèi)主要河流為湘江、瀏陽河、撈刀河、靳江及溈水(圖1)。湘江由南而北縱貫全市，對長沙市區(qū)水域起控制作用，河床坡降小，洪峰延時長，逕流量大，逕流模量在26 L/s·km2以上，逕流系數(shù)達50%。湘水動態(tài)為單汛周期類型，逕流洪峰出現(xiàn)于5月～9月份。湘水流域內(nèi)的地表水與地下水具雙重關(guān)系，旱季形成地下水流的排泄通道，洪水季節(jié)反過來補給地下水。

圖1 長沙地區(qū)水系分布圖

2.2 地下水類型

地下水類型可分為孔隙水、巖溶水及基巖裂隙水。

(1)孔隙水:分布于河流兩岸的全新統(tǒng)橘子洲組(Qj)，更新統(tǒng)白水江組(Qbs)、馬王堆組(Qmw)、白沙井組(Qb)、洞井鋪組(Qd)及新開鋪組(Qx)的砂卵石層中，為潛水或微承壓水。其中，Qj、Qbs、Qmw中，富水性豐富，單井流量＞1000 m3/d。

(2)巖溶水:分為覆蓋型與埋藏型兩類，分布于C、Ds、Dq中，富水性中等，單井流量100 m3/d ～1000 m3/d。

(4)淺變質(zhì)巖裂隙水:賦存于震旦系(Pt)地層中，水量貧乏，井泉流量 ＜0.1 L/s，徑流模數(shù) ＜1 L/s·km2。

一般地，與工程建設(shè)關(guān)系密切的淺層地下水以孔隙水為主，賦存于各階地砂礫石層中，其流向受基底和地勢的控制。Ⅰ、Ⅱ級階地的富水性相對于Ⅲ、Ⅳ級較好，Ⅴ、Ⅳ級階地中的地下水之間存在一定的聯(lián)系。按照湘江與瀏陽河之間的階地可將本區(qū)淺層地下水為4個區(qū)(表1)。

長沙市淺層地下水分區(qū)一覽表 表1

2.3 地下水的補、排、徑流特性［13］

補給:水平方向上由南往北、高階地向低階地;垂向上，下伏土層接受上覆土層的滲透補給;

徑流或越流:地下水向低階地徑流，低階地的地下水向河谷徑流。徑流方向大體與河流方向垂直，特殊情況下，地下水向基底低洼處或沿斷裂帶徑流。局部地段，地下水徑流因開采而向集水構(gòu)筑物運動。在垂向，下伏砂卵石接受大氣降雨穿越上覆土層越流補給。

排泄:主要為泉、蒸發(fā)和人工開采。在溝谷切割較深部位，多以泉的形式排泄，如白沙井即Ⅲ級階地的砂卵石層在斜坡地帶被切割自然溢流的侵蝕下降泉。

2.4 地下水動態(tài)特征

孔隙水:具有埋藏淺、變幅小，季節(jié)性變化明顯等特征，主要受大氣降水及江河水位的影響。主城區(qū)地下水受大氣降水影響較弱，水位動態(tài)變幅較小1 m～3 m，外圍地下水變幅一般5 m～8 m。根據(jù)湖南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站對主城區(qū)3口長期觀測井的資料(圖3)顯示，除鴛鴦井水位因城市建設(shè)引起地下水徑流場改變而呈階段性、緩慢下降趨勢外，其他兩個監(jiān)測點地下水位相對比較穩(wěn)定，并且呈周期性變化，明顯的豐枯季。淺表地下水位動態(tài)總體穩(wěn)定。

圖3 1999－2009主要觀測井水位變化圖(據(jù)湖南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測總站)

巖溶水:動態(tài)受大氣降水影響隨季節(jié)變化，雨季上升，旱季下降，總體變幅較小，年變幅1 m～2 m?；鶐r裂隙水大部分為潛水，深部覆蓋型的基巖由于受補給的限制，富水性弱。

淺部的基巖裂隙水:主要靠大氣降水補給，儲存于裂隙中，存儲空間有限，動態(tài)特征具季節(jié)變化，變化較大。

3 關(guān)于抗浮設(shè)防的討論

3.1 抗浮設(shè)防的必要性

在上世紀(jì)90年代之前，抗浮設(shè)防問題并沒有引起足夠重視。隨著城市高層建筑及超高層建筑大量興建，地下室及超深地下室，純地下室及地下廣場等超補償建/構(gòu)筑物出現(xiàn)，地下水對基礎(chǔ)工程影響日漸突出而引起工程界廣泛關(guān)注。一般地，高層建筑的地下室在建成之后的使用階段，抗浮很少有問題，抗浮問題嚴(yán)重的是純地下車庫或地下廣場式建筑，其上覆荷載有限，使用期間的抗浮驗算一般難以通過，需要考慮抗浮措施。此外，地下室施工階段的臨時抗浮是當(dāng)前最為普遍的。當(dāng)?shù)叵率覀?cè)墻已經(jīng)施工完畢，如果場地沒有采取降水措施或者已經(jīng)停止了降水，此時若上覆荷載過小，將可能導(dǎo)致危險情況的發(fā)生。

現(xiàn)行規(guī)范針對地下水勘察、設(shè)計的要求 表2

3.2 抗浮設(shè)防水位

給予“抗浮設(shè)防水位”明確定義的是《高層建筑巖土工程勘察規(guī)程》(JGJ72 －2004，J366 －2004)［14］，而其后修訂的《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021－2001)［15］(2009年版)及《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB50007 － 2011)［16］都相應(yīng)地給予了重視(表 2)。GB50007－2011在3.0.2條規(guī)定“建筑地下室或地下構(gòu)筑物存在上浮問題時，尚應(yīng)進行抗浮驗算”，為強制性條文。第3.0.4條文規(guī)定地基基礎(chǔ)設(shè)計前應(yīng)進行巖土工程勘察，“尚應(yīng)提供用于計算地下水浮力的設(shè)防水位”，明確設(shè)防水位應(yīng)通過巖土工程勘察確定。

據(jù)規(guī)程JGJ72－2004解釋，抗浮設(shè)防水位(water level for prevention of up－floating)是指“地下室抗浮評價計算所需的、保證抗浮設(shè)防安全和經(jīng)濟合理的場地地下水位”?？垢≡O(shè)防水位能確保建筑在使用期間安全，簡言之，抗浮設(shè)防水位應(yīng)是地下建筑在其使用年限內(nèi)可能遇到的最高水位。

3.3 抗浮設(shè)防水位的確定

抗浮水位的確定是一個復(fù)雜問題，文獻［14］第8.6.2條對場地地下水抗浮設(shè)防水位的綜合確定提出了具體的要求:

(1)當(dāng)有長期水位觀測資料時，場地抗浮設(shè)防水位可采用實測最高水位;無長期水位觀測資料或資料缺乏時，按勘察期間實測最高穩(wěn)定水位并結(jié)合場地地形地貌、地下水補給、排泄條件等因素綜合確定;

(2)場地有承壓水且與潛水有水力聯(lián)系時，應(yīng)實測承壓水水位并考慮其對抗浮設(shè)防水位的影響;

(3)只考慮施工期間的抗浮設(shè)防時，抗浮設(shè)防水位可按一個水文年的最高水位確定;

(4)當(dāng)?shù)叵滤x存條件復(fù)雜、變化幅度大、區(qū)域性補給和排泄條件可能有較大改變或工程需要時，應(yīng)進行專門論證。

抗浮設(shè)防水位的確定，應(yīng)以區(qū)域水文地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，根據(jù)地下水類型，各層地下水位及其變化幅度和地下水補給、排泄條件等因素對抗浮設(shè)防水位進行評價。巖土工程師在提供建筑場地的抗浮設(shè)防水位時，尤其要避免以下不良傾向［6］:

①只表述初見/靜止水位，不明確抗浮水位;

②臨近江河場地不考慮最高洪水位影響;

③唯業(yè)主要求是從，隨意變改抗浮水位;

④不考慮勘察期間與建筑使用期撞地面標(biāo)高發(fā)生變化，簡單地提交勘察期水位;

⑤坡地建筑抗浮水位遠高于設(shè)計地坪標(biāo)高。

4 長沙地區(qū)抗浮設(shè)防水位取值分析

長沙地貌分為剝蝕構(gòu)造丘陵與河流堆積階地兩大類，地形變化較大，對地下水抗浮設(shè)防水位進行分析時應(yīng)因時因地而異，不應(yīng)忽視新構(gòu)造運動抬升、掀斜對含水層厚度及分布的影響，甚至將不同階地含水層模糊化。研究表明新開鋪組與白沙井組兩個地質(zhì)時期的新構(gòu)造運動強度、幅度存在明顯差異:新開鋪組與洞井鋪組為河流與湖泊交替出現(xiàn)的古地理環(huán)境的沉積物，當(dāng)時的長沙在豐水期可與古洞庭湖連通［17］。白沙井組為河流沉積，物質(zhì)來源主要是湘江及瀏陽河兩大水系，其底部的粗碎屑表明盆地周圍有一段快速上升的歷史［18］。不同階地之間含水層并無聯(lián)系或聯(lián)系程度存在差異［19］。

4.1 Ⅰ級階地

Ⅰ級階地沿湘江、瀏陽河及撈刀河兩岸分布。由全新統(tǒng)橘子洲組和晚更新統(tǒng)白水江組沖積物構(gòu)成。地貌上組成掩埋階地，有些地段為嵌入階地。軟弱地層分布普遍，砂層較普遍，地下水多具承壓性，地下水位與江河共漲落，是長沙地區(qū)管涌易化地段。且地勢往往較低，雨季時常有內(nèi)澇發(fā)生，抗浮設(shè)防水位通常可取設(shè)計室外地坪或道路標(biāo)高。

當(dāng)基坑開挖時，當(dāng)開挖深度以內(nèi)有強透水層及粉細砂層時，基坑設(shè)計、施工時尚應(yīng)考慮江河最高洪水位影響，事實上，在長沙地區(qū)，每當(dāng)汛期來臨時，沿江/河兩岸500 m以內(nèi)均不允許基坑開挖。

4.2 Ⅱ級階地

分布于湖南省第一師范至伍家?guī)X，由中更統(tǒng)馬王堆組沖積物所組成，為基座階地或嵌入階地，從上游到下游，后緣至前緣有所降低，略具崗丘化。

該類地段受江河水位季節(jié)性變化影響甚大，含水層主要為砂層與圓礫，二元結(jié)構(gòu)清晰，地下水因季節(jié)性降水影響，由微承壓—潛水間轉(zhuǎn)化。其抗浮設(shè)防水位一般可取設(shè)計室外地坪標(biāo)高以下1 m。

當(dāng)前勘察設(shè)計者還應(yīng)關(guān)注的一個問題是，湘江水利樞紐工程建成對沿江兩岸地下水的抬升產(chǎn)生影響，影響最大者主要在Ⅱ級階地范圍內(nèi)。目前，建設(shè)主管部門已著手考慮全城排水系統(tǒng)的改造，抗浮水位的研究也應(yīng)提上日程。

4.3 Ⅲ級階地

主要分布于湘江、瀏陽河兩岸，由中更新統(tǒng)白沙井組沖積物構(gòu)成，為基座階地或上迭階地，嵌入Ⅱ、Ⅳ級階地之間，崗丘化明顯，地下水主要為潛水性質(zhì)，當(dāng)場地地形較平坦，且場地外圍地形標(biāo)高與場內(nèi)標(biāo)高相近或略低，其抗浮設(shè)防水位可取勘察期間的穩(wěn)定水位。

但應(yīng)該注意的，季節(jié)性降水可能導(dǎo)致地下水位驟升甚至內(nèi)澇，基坑施工期間應(yīng)保證排水的通暢和地下室坑側(cè)肥槽土的及時回填與質(zhì)量。否則，抗浮設(shè)防水位取室外設(shè)計地坪標(biāo)高以下1 m～2 m，即常規(guī)的室外排水管道的埋置標(biāo)高。位于梓園路的地下室抬升事故便是暴雨所致。

4.4 Ⅳ －Ⅴ級階地

Ⅳ級階地主要分布于湘江兩岸，由早更新統(tǒng)新開鋪組沖積物構(gòu)成。地貌上主要構(gòu)成上迭階地，因侵蝕剝蝕、崗丘化明顯。Ⅴ級階地分布于新開鋪－洞井鋪－京廣鐵路南段一帶，是區(qū)內(nèi)最老階地，由早更新統(tǒng)洞井鋪組構(gòu)成，被Ⅳ階地新開鋪組沖積層掩埋，構(gòu)成掩埋階地，部分因剝蝕出露地表，形成基座階地。

Ⅳ－Ⅴ級階地是長沙主城區(qū)地勢較高地段，與湘江河流的水力聯(lián)系基本沒有關(guān)聯(lián)。一般可取勘察期間的最高水位并結(jié)合場地及其外圍地形取值。當(dāng)場地外圍地面標(biāo)高低于場地內(nèi)標(biāo)高時，取場地內(nèi)設(shè)計地坪標(biāo)以下2 m～3 m或場外地坪標(biāo)高。

須注意的是，該地段受新生構(gòu)造運動影響，多崗丘化，常是建筑場地施工大面積削方或填方區(qū)，如一味根據(jù)勘察時觀測到的地下水位確定抗浮水位常失之公允，應(yīng)結(jié)合場地平整后地形確定抗浮設(shè)防水位。

4.5 坡地(丘陵/山地)

在長沙經(jīng)常會遇到建筑群沿坡而建，地下室相連的情況，水是往低處流的，坡地上下端水位常形成一定水頭差。對于斜坡地段的地下室或可能產(chǎn)生明顯水頭差的場地上的地下室進行抗浮設(shè)計時，應(yīng)考慮地下水滲流在地下室底板產(chǎn)生的非均布荷載對地下室結(jié)構(gòu)的影響。若取上游水位值為抗浮水位就會增加建設(shè)成本、取下游水位為抗浮水位，抗浮設(shè)計得不到滿足容易發(fā)生事故。

有觀點認(rèn)為，對高低不平場地，可按建筑物外墻最低處的地而標(biāo)高估算抗浮，失之偏頗。文獻［20］考慮到坡地地下水滲流的復(fù)雜性，根據(jù)改進阻力系數(shù)法原理和滲流基本理論推導(dǎo)出計算承壓水、潛水兩種不同類型的坡地地下結(jié)構(gòu)浮力計算公式，提供了一種簡單的計算方法，值得借鑒。

4.6 可不考慮地下水影響的情況

當(dāng)?shù)叵陆ㄖ锿耆裰糜跓o水的土層內(nèi)，周邊的水不能滲入基底，地面水也不能滲入基底，可不考慮水的浮力作用。但須滿足以下條件:

(1)地下建筑物所在場地?zé)o積水，雨水及其他地表水應(yīng)有組織地及時排走。

(2)地下建筑物基底以上無雜填土、砂類土、粉土等透水層，或雖有上述透水層，但層厚較薄，且不賦存潛水或承壓水，可以采取有效的隔、排水措施者。

(3)基坑側(cè)壁回填土必須采用壓實的不透水的粘性土或灰土，壓實系數(shù)不小于0.93。

(4)地下室外墻防水層及保護層不形成水通道。

此外，尚宜采取基礎(chǔ)及底板砼原槽澆灌，超挖部分以砼回填，地面外墻周邊設(shè)砼散水等措施。

5 結(jié)語

(1)長沙地區(qū)地下水的類型相對簡單，對建筑工程影響者主要為第四系地層中的孔隙水。但不同地段的地下水性質(zhì)存在較大差異，水力聯(lián)系也不盡相同，抗浮水位的取值須結(jié)合水文地質(zhì)環(huán)境綜合確定。

(2)抗浮水位的確定直接關(guān)系到地下結(jié)構(gòu)防水、防滲設(shè)計、外墻及底板結(jié)構(gòu)設(shè)計、抗浮穩(wěn)定性驗算。合理的確定方法應(yīng)通過對長期水位觀測的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，而長沙城區(qū)僅有少量長期水文觀測成果可資參考，系統(tǒng)設(shè)置長期水文地質(zhì)觀測孔，正是長沙地區(qū)亟待解決的問題。

(3)湘江水利樞紐建成蓄水后，必然會對本地區(qū)的地下水賦存條件、變化幅度以及區(qū)域內(nèi)地下水的補排關(guān)系造成影響，建議相關(guān)部門根據(jù)工程需要，進行專門論證。

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