[摘要]確定抗浮設防水位是結構設計中的一項重要參數，但是影響抗浮設防水位的因素較多。通過對規范的詳細理解，深入分析了抗浮設防水位的確定方法，并結合工程實例探討了抗浮設防水位的重要意義。抗浮設防水位要綜合考慮場地不同的地質條件、建筑條件和地貌條件等因素，采用最不利組合確定。
　　[關鍵詞]地下水,地下結構,抗浮設防水位
　　Discussiononwaterlevelforpreventionofup-floatingofundergroundstructure
　　Hu-Xiqing1,LiJing2
　　(1,2ZhongFuDaDiBeijingConstructionLtd.,Beijing,100070)
　　Abstract:Determinationofwaterlevelforpreventionofup-floatingisanimportantparametertostructuredesign,howevertherearemanyfactorsinfluencingwaterlevelforpreventionofup-floating.Accordingtodetailunderstandingofcode,determinationmethodofwaterlevelforpreventionofup-floatingwasanalyzedandtheimportanceofwaterlevelforpreventionofup-floatingwasdiscussed.Consideringdifferentfactorssuchasgeologicalconditionsofsite,buildingconditionandphysiognomyconditionetc,themostunfavorablecombinationisadoptedtodeterminewaterlevelforpreventionofup-floating.
　　Keywords:groundwater;undergroundstructure;waterlevelforpreventionofup-floating
　　近年來，隨著城市建設的高速發展，建筑空間已從廣度向深度不斷拓展。大量的高層建筑物為了滿足人防指標、停車位數量和整體安全性的需要，在不斷加大基礎埋深。而土體孔隙及巖體裂隙中賦存著大量的地下水，對巖土體中的地下結構會產生浮力，若地下結構的自重小于浮力，會對地下結構產生以下破壞：地下室底板隆起，導致底板破壞；地下建筑物整體不均勻浮起，導致梁柱結點處開裂和底板破壞以及建(構)筑物的傾斜甚至整體失穩等事故。這些破壞，都會對工程造成巨大的經濟損失。因此需要深入研究地下結構的抗浮問題。
　　《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2002）第3.0.2條款規定：“當地下水埋藏較淺，建筑地下室或地下構筑物存在上浮問題時，尚應進行抗浮驗算”；第3.0.3條款規定：“巖土工程勘察報告當工程需要時，尚應提供用于計算地下水浮力的設計水位”。新修訂的《巖土工程勘察規范》(GB50021—2001)中第4.1.13條規定：“工程需要時，詳細勘察應論證地基土和地下水在建筑施工和使用期間可能產生的變化及其對工程和環境的影響，提出防治方案，防水設計水位和抗浮設計水位的建議。”以上兩個規范均是對抗浮設計水位做了概念性的規定，并未給出詳細的評判依據。在結構設計中合理確定基礎抗浮設計水位比較困難，這是由于：地下水位不僅與自然因素(地下水的補給、大氣降水、排泄與徑流等)有關，而且還受人為因素(地下水開采、水庫放水、灌溉等)的嚴重干擾，因此地下水位是一個隨機量。地下水的運動特性決定了地下水位高度的隨機動態變化性，特別是在北京等城市化問題突出的大城市，地下水位受人類活動影響顯著，多年年均水位呈不規則的高低變化。例如，從北京地區水文地質背景研究和多年地下水位動態監測情況看，受人類活動的影響(主要是過量抽取地下水和階段性放水回灌等)，北京西郊某些地段當前水位已經達到近3～5年最高水位，并有繼續上升趨勢；而東郊某些地下水集中開采區，水位自20世紀60年代以來已經持續下降了20多米，其未來恢復到歷史最高水位或近3～5年最高水位的可能性很小。
　　目前，設計單位以勘察報告提供的地下水浮力設計水位作為抗浮驗算的依據。而勘察報告中一般會給出：(1)勘察期間的水位；(2)歷史最高水位；(3)近3-5年的地下水位；一些有實力的勘察單位根據自身長期的水位觀測資料并進行分析后，會提供抗浮水位；而更多的勘察單位則是根據附近工程經驗提出抗浮水位，甚至一些勘察單位將歷史最高水位作為抗浮水位。這顯然是不合理的。對于埋深較大的高層建筑則需要委托北京市勘察設計院確定抗浮設防水位作為設計單位抗浮驗算的依據。
　　綜上所述，合理確定建筑結構設計中的基礎抗浮設防水位非常困難，但又非常重要，是關系到工程質量和工程造價的關鍵問題。本文結合其他學者的觀點，通過對工程實例的分析，淺析了合理確定超補償基礎抗浮設防水位的重要意義。
　　1.抗浮設防水位的確定
　　《高層建筑巖土工程勘察規程》（JGJ72-2004）第2.1.6條款規定：“抗浮設計水位指地下水抗浮評價計算所需的、保證抗浮設防安全和經濟合理的場地地下水水位”。換言之，抗浮設防水位是指基礎埋置深度內起主導作用的地下水含水層在建筑物運營期間的最高水位。這有兩層意思：一是保證不會因浮力作用對建筑物產生安全影響，二是采用的抗浮設防水位合理地控制地下建筑物的造價成本。第8.6.1條款規定：“當地下水水位高于地下室基礎底板時，根據場地所在地貌單元、地層結構、地下水類型和地下水位變化情況，結合地下室埋深、上部荷載等情況，對地下室抗浮有關問題提出建議。”從規范中不難看出，不考慮多層地下水的情況，不考慮具體建筑物基礎所在地層特性，不考慮地區地下水位變化動態，簡單地以場地抗浮設防水位的觀點，確定最高設防水位是不切合實際的。
　　地下水按照賦存形態分為上層滯水、潛水與承壓水。潛水層與承壓水層之間一般存在一個隔水層，它是一種滲透系數極小(k<1.Om/d)的巖土層。以往的勘察報告一般給出:1)勘察期間的水位;2)歷史最高水位;3)歷史最低水位。而這些水位一般都為鉆孔綜合水位，不能反映地下水的實際賦存狀態。故對多層含水層的水位測量，應該采取止水措施，使被測含水層與其他含水層分開，以便對設防水位的確定提供準確依據。地下水位需要根據本地區地下水的長期動態觀測資料，針對特定建筑場地的水文地質條件，結合本地區的經驗來確定，或者由主管部門建立本地區的地下水位動態模型來預測。確定了特定條件的地下水位后，還需要結合地下結構位置來確定設防水位，設防水位取值如下:
　　(一)地下結構底板位于潛水層時，潛水的動態具有明顯的季節變化，年水位變化幅度較大，為了掌握潛水水位變化幅度，巖土工程勘察往往應布置地下水位的長期觀測井，對潛水水位進行一個水文年以上的觀測。潛水型地下水設防水位應以最高潛水水位作為設防水位。抗浮設計水頭值為基底至建筑設防水位的高度。基底及地下室外墻地下水壓力的計算、浮力的計算，按全部浮力計算，不得折減。當地質報告中未能提供潛水的最高預測水位，《廣東省建筑地基基礎設計規范》(DBJ5-31-2003)規定一般地區可以取室外地坪標高。
　　(二)地下結構穿過潛水層，底板位于隔水層時，設防水位仍為潛水水面，但計算浮力時需要折減。
　　(三)地下結構穿過潛水層與隔水層，底板位于承壓水層時，底板處承壓水頭即為設防水位，且不需要折減。
　　《高層建筑巖土工程勘察規程》（JGJ72-2004）第8.6.1條款又規定：“根據地下水類型、各層地下水位及其它變化幅度和地下水補給、排泄條件等因素，對抗浮設防水位進行評價。”第8.6.2條款規定：“地下水抗浮設防水位的綜合確定宜符合下列規定：當有長期水位觀測資料時，場地抗浮設防水位可采用實測最高水位，無長期觀測資料或資料缺乏時，按勘測期間實測最高穩定水位并結合場地單元，地下水補給、排泄條件等因素綜合確定”。所以各層地下水的補給、徑流、排泄關系和各層地下水相互間的關系，這些均對于抗浮設防水位的確定有著重要的作用。以北京地區為例，北京西郊地區主要分布為單一的潛水含水層，該區一般情況下，上部分布有厚度不大的粘性土和粉土地層，下部為砂礫卵石含水層，該層地下水補給來源是大氣降水和永定河河水，這層地下水的孔隙水壓力呈線性分布。從西部向東由于沉積關系，含水地層逐漸由單一的潛水含水層向多層含水層過渡，至東部和東南部一帶發展至在地面下30m之內分布有2-4個含水層。上部為臺地潛水含水層；中部有1-2個層間潛水含水層；下部為潛水或承壓水含水層。這些臺地潛水、層間潛水和承壓水，各有不同的補給，逕流排泄條件，因而各層地下水具有各自的地下水位變化規律。
　　所以，要確定抗浮設防水位的高低，首要問題之一要弄清建筑物基底所在地層和標高，當基底位于臺地潛水、層間潛水或承壓水地層中時，基底地下水壓力直接受該層地下水最高水位標高控制，當基底位于兩含水層間的弱透水層中某一高程時，要根據上下二層地下水最高水位標高時，由于地下水進入弱透水層經過衰減后到達基底高程后的地下水位高程決定，經過衰減后，那層地下水的水位高程高，基底的地下水浮力就受那層地下水的壓力決定。
　　2.工程實例
　　恒福家園工程位于東四環中路百子灣立交橋東南角,西鄰東四環路,北鄰百子灣路。本工程由南、北兩部分組成，北部為1＃和2＃樓（檐高99.9米和23.6米），共為一個基坑，但深度不同，1＃樓基坑深度為14.62m，2＃樓基坑深度為14.32m；南部為3＃樓（檐高78米），基坑深度為13.42m。
　　根據工程地質勘察報告，相關地層主要由人工堆積層、第四紀沉積層所構成。人工堆積層主要有以下幾層構成：
　　粉質粘土填土、粘質粉土填土層①、碎石填土①1、房渣土①2，平均厚度2.0m，c=0.0KPa，φ=300。
　　粘質粉土、砂質粉土②、砂質粉土②1、重粉質粘土、粉質粘土②2、粉砂②3層，平均厚度5.5m，c=29KPa，φ=27.40。
　　粉砂、細砂③、砂質粉土、粘質粉土③1、粉質粘土③2層，平均厚度2.0m，c=0.0KPa；φ=30o。
　　粉質粘土、重粉質粘土④、砂質粉土、粘質粉土④1、粘土④2層，平均厚度1.1m，c=29KPa；φ=16o。
　　圓礫、卵石⑤層，平均厚度5.0m，c=0.0KPa；φ=38o。細砂、中砂⑤1層，平均厚度4.6m，c=0.0KPa，φ=32o。
　　粘質粉土、粉質粘土⑥層，平均厚度4.5m，c=30.0KPa；φ=22.8o。
　　根據本場地巖土工程勘察報告，施工場地各層地下水情況如下：

                              
　　　本工程基礎埋深為14m左右，屬深基礎，抗浮設計是一項重要內容。地下水浮力大小（也即設防水位高低）是基礎與上部結構自重大小的決定因素之一。北京勘察院提的設防水位咨詢報告結論為設防水位是35.20米，自然地表高程是35.60米，也即自然地表往下就有水，這與實際情況不符：本地區9米以下才能見到水，且地下水位連年降低。設防水位高，則要求加大建筑物（主要是結構）自重去進行平衡，即建筑材料（鋼筋、砼等）用量多，也即建造成本加大。而設防水位高低的確定原則與依據很復雜，它是將50年以來最高水位與官廳水庫放水、南水北調、百年一遇洪水等因素綜合考慮而得。本著安全、科學、經濟的原則，對抗浮設防水位組織了專家論證，并重新委托了權威部門進行了深入全面的研究，使設防水位從35.2m降至29.70m，減少了大量的建造成本。據估算，取消配重鋼渣混凝土（容重4t/m3）約40000m3，按2000元/m3計，約降低成本8000萬元；同時1＃樓與3＃樓也取消了CFG樁與抗拔樁等地基基礎處理措施，此二項除了節省上千萬元的投資外，還大大縮短了工期。
　　3.結論
　　抗浮設防水位的確定是一個既關系到建筑物的抗浮安全，也是一個關系到巨大投資的大問題。這就要求結構工程師和巖土工程師在考慮建筑物地下結構抗浮時，應根據場地工程地質、區域水文地質、建筑條件和地貌情況綜合確定，根椐不同的地質條件、不同的基礎埋深及地貌等，分析各種因素對抗浮設防水位影響，采用最不利組合綜合確定地下建筑物的抗浮設防水位。
　　
　　參考文獻：
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