我國結(jié)構(gòu)抗浮水位研究現(xiàn)狀與展望

王軍輝，陶連金，韓 煊，周宏磊

(1. 北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100124； 2. 北京市勘察設(shè)計研究院有限公司，北京 100038)

我國結(jié)構(gòu)抗浮水位研究現(xiàn)狀與展望

王軍輝1,2，陶連金1，韓 煊2，周宏磊2

(1. 北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100124； 2. 北京市勘察設(shè)計研究院有限公司，北京 100038)

目前我國結(jié)構(gòu)抗浮水位方面研究成果雖然很豐富，但分歧很大，不僅直接影響了實際工程中的應(yīng)用，同時也造成了研究工作自身缺乏系統(tǒng)性和延續(xù)性。為解決這一問題，利用水文學(xué)、水力學(xué)和土力學(xué)等科學(xué)理論，分別從抗浮水位基本概念、抗浮水位分析中兩個基本問題(孔隙水壓力和遠期最高水位)的方法論和抗浮水位分析的技術(shù)體系等3個角度對既有研究成果進行了系統(tǒng)綜述與客觀分析。在抗浮水位基本概念方面，根據(jù)地下水賦存和滲流理論，將目前研究成果劃分為二維、準(zhǔn)三維和三維等3種類型，提出了各自的數(shù)學(xué)表達式，分析了三者之間邏輯關(guān)系，討論了各自的科學(xué)性和適用性。在孔隙水壓力分析方法方面，尤其是孔隙水壓力折減問題，對基于滲流理論和有效應(yīng)力原理的經(jīng)典分析方法進行系統(tǒng)評述的同時，還對當(dāng)前討論熱烈的基于結(jié)合水理論的分析方法進行了梳理評價。在地下水遠期最高水位預(yù)測方面，著重討論了歷史最高水位法、基于宏觀數(shù)據(jù)反演法和數(shù)值分析法等3種方法的優(yōu)缺點及需要完善之處。在抗浮水位分析技術(shù)體系方面，以北京地區(qū)為例對該類問題作了簡要總結(jié)與評述。最后，對抗浮水位研究與應(yīng)用現(xiàn)狀進行了概要性評述，并結(jié)合我國國情，對未來工作提出了展望與建議。

結(jié)構(gòu)； 抗浮水位； 地下水； 孔隙水壓力； 遠期最高水位

隨著近30年來國內(nèi)外城市建設(shè)中地下水位回升事件頻繁發(fā)生，由此引起的結(jié)構(gòu)上浮、變形甚至破壞的案例屢見不鮮[1-2]，抗浮措施在地下結(jié)構(gòu)中逐漸得到重視，總體上可以分為主動抗浮(如排水減壓、帷幕隔水等)與被動抗浮(如抗浮樁、抗浮錨桿、結(jié)構(gòu)配重等)兩類[2-5]。而相對發(fā)達國家抗浮而言，受目前技術(shù)經(jīng)濟條件制約，我國還是以被動抗浮措施為主，其安全性和造價很大程度上取決于抗浮水位(部分文獻稱為“抗浮設(shè)防水位”、“抗浮設(shè)計水位”或“抗浮設(shè)防水頭”等，方便起見，統(tǒng)一稱為“抗浮水位”)這一重要技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)，相關(guān)研究在我國今后相當(dāng)一段時間內(nèi)也具有重要的理論與現(xiàn)實意義。

我國抗浮水位研究最早可追溯到20世紀(jì)90年代中期，針對1995年官廳水庫放水造成北京市西郊區(qū)域性的地下水位回升，引起部分地下室開裂和滲水工程事件，張在明等[3,6-7]率先在北京地區(qū)開始了有關(guān)抗浮水位問題的系統(tǒng)研究，首次將孔隙水壓力分布和地下水水位預(yù)測等科學(xué)方法引入到抗浮水位分析中，并在大量的長期觀測地下水?dāng)?shù)據(jù)基礎(chǔ)上，首次建立了抗浮水位分析的場域法分析方法體系，且在北京地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用。張曠成首次在規(guī)范中對抗浮水位做了比較明確的定義[8]，提出了“場地抗浮水位”概念，并對相關(guān)分析方法展開了較深入討論[9]。黃志侖對多層含水層的抗浮水位及揚力分析方法進行了較詳細討論[10-11]。此后，許多學(xué)者在此基礎(chǔ)上從不同專業(yè)領(lǐng)域(如水文地質(zhì)、土力學(xué)和結(jié)構(gòu)工程等)開展了進一步的研究工作，抗浮水位研究也逐漸成為巖土工程與結(jié)構(gòu)工程領(lǐng)域的一個熱點。

但是，由于抗浮水位是一個十分復(fù)雜的問題，涉及到水文地質(zhì)、工程地質(zhì)、土力學(xué)、水力學(xué)和結(jié)構(gòu)工程等多個學(xué)科領(lǐng)域，再加上我國地域遼闊，氣象水文條件、地質(zhì)及巖土條件和城市水資源分布等因素差異較大，因此迄今為止，結(jié)構(gòu)抗浮水位尚遠未形成相對統(tǒng)一而嚴(yán)謹?shù)母拍?、方法和技術(shù)體系，從而在工程實踐中多以經(jīng)驗為主，人為性很大，分歧較多，且目前的研究成果缺乏延續(xù)性和系統(tǒng)性，影響了對該問題進一步聚焦和深入研究。為此，通過系統(tǒng)搜集相關(guān)的典型研究成果，從抗浮水位的基本概念、抗浮水位分析中兩個基本問題(孔隙水壓力和最高水位預(yù)測)的方法論和抗浮水位分析技術(shù)體系等3個行業(yè)關(guān)注和爭論的焦點進行全面綜述與科學(xué)評論，以期達到消除行業(yè)內(nèi)學(xué)術(shù)觀點的“隔閡”、“形成認識上統(tǒng)一”和“集百家之長”目的，從而推進我國抗浮水位研究與實踐朝著更科學(xué)和規(guī)范的方向發(fā)展。

1 抗浮水位基本概念

“抗浮水位”這個詞最早來源于地表水防洪領(lǐng)域的“設(shè)計水位”[12]或“設(shè)防水位”，但由于地下水的賦存及運動規(guī)律較地表水要復(fù)雜得多，因此在其概念認識上目前還遠不及防洪領(lǐng)域“設(shè)防水位”那樣統(tǒng)一，這也是造成當(dāng)前抗浮水位研究存在較大爭議的根源之一。囿于篇幅，主要對如下3種代表性的抗浮水位概念進行綜述與評論。

1.1 二維抗浮水位

文獻[8]首次對“抗浮水位”在規(guī)范中進行了明確定義，提出了“場地抗浮設(shè)防水位”概念，該規(guī)范主編張曠成后來在文獻[9]中對此展開了進一步論述，強調(diào)一個場地只有一個抗浮水位，對于多層含水層區(qū)，抗浮水位為各層地下水最高水位的最高值，而和建筑物基底位于哪個含水層無關(guān)，因此稱其為“二維抗浮水位概念”，最終可用式(1)表達，即

(1)

式中：H為抗浮水位標(biāo)高[L]；Hmi為第i層含水層的最高水位標(biāo)高[L]；x,y為建筑場地的平面坐標(biāo)[L]；n為含水層數(shù)。

二維抗浮水位概念是一個獨立于建筑基底埋深而客觀存在的水文地質(zhì)學(xué)意義上“場地最高水位”問題，這是一種最直觀的抗浮水位概念，并和美國國家預(yù)制混凝土協(xié)會(NPCA)的建議[13]基本一致。從式(1)可以看出，二維抗浮水位是一個“純水位”概念，本身不含“浮力”意義(而是計算浮力的一個條件)，將抗浮水位分析聚焦在“最高水位預(yù)測”上[9]，這比較符合傳統(tǒng)水文地質(zhì)工作的特點，對簡化和推進抗浮水位分析工作有重要意義。二維抗浮水位概念在單一含水層區(qū)和各層地下水位十分接近條件下多層含水層區(qū)均比較適用，但當(dāng)多層含水層之間最高水位差異明顯時(如北京地區(qū))[6]，可能出現(xiàn)過于保守情況。

1.2 準(zhǔn)三維抗浮水位

針對文獻[8]，黃志侖提出了完善性建議，認為在多層地下水區(qū)，抗浮水位應(yīng)按建筑基底所在層位地下水的最高水位取值[10]，同時對于含水層之間的相對弱透水層中的孔隙水壓力(原文中稱“揚力”)的計算也有所考慮[11]。根據(jù)黃志侖的觀點和Bernoulli方程(略去速度水頭，下同)，抗浮水位可用下式表達，即

(2)

式中：zb為基底位置標(biāo)高[L]；Pmj(x,y,zb)為基底標(biāo)高zb處第j弱透水層最大孔隙水壓力，由其上、下相鄰含水層的最高水位確定 [ML-1T-2]；γw為水的重度[ML-2T-2]。

圖1 多層含水層示意[11]Fig.1 Schematic diagram of multilayered aquifer[11]

顯然，和式(1)相比，式(2)考慮到了多層地下水水位和層間弱透水層的孔隙水壓力，在含水層中仍為“水位”的概念，而在弱透水層中為“水頭”的概念，表明抗浮水位與基底標(biāo)高zb有關(guān)，強調(diào)了“力”的意義。同時，由于式(2)對各含水層和層間弱透水層是獨立考慮的(圖1)，相當(dāng)于n個獨立的含水層和m個獨立的隔水層交錯疊加在一起，而不考慮它們之間的聯(lián)系，因此稱其為“準(zhǔn)三維抗浮水位概念”。相對于二維抗浮水位概念，準(zhǔn)三維抗浮水位概念在多層含水層區(qū)比較合理，尤其考慮到了不同含水層和層間弱透水層之間的差異，但由于對每個含水層和弱水層是獨立考慮的(圖1)，分析時各層地下水均需要有足夠的水位監(jiān)測資料，這在實際應(yīng)用中可能遇到一定困難，如北京地區(qū)的層間水，由于其分布范圍小，監(jiān)測資料又很少，因此其最高水位是很難單獨預(yù)測的，而需要借助其上下含水層間接求解[3,6-7,14]。

圖2 地下水賦存體系示意[6]Fig.2 Sohematic diagram of groundwater regime[6]

1.3 三維抗浮水位

張在明在北京地區(qū)長期地下水位監(jiān)測、科學(xué)研究和工程實踐基礎(chǔ)上，認為抗浮水位不是簡單的某個含水層的“最高水位”問題，而是與結(jié)構(gòu)基底所在位置(可能在含水層中，也可能在弱透水層中)不利條件下最大孔隙水壓力對應(yīng)的一種“等效水位”(實際是水頭)，強調(diào)“力”的內(nèi)涵[6-7]，這一點與“準(zhǔn)三維抗浮水位概念”有相似之處，但也存在兩點明顯差別：一是張在明的抗浮水位無論基底位于含水層還是弱透水層，都是“水頭”的概念；二是強調(diào)各含水層、層間弱透水層之間存在密切水力聯(lián)系，應(yīng)按一個完整的“地下水賦存體系”(groundwater regime)來考慮(對比圖2和圖1)，其滲流場內(nèi)任意空間點(x,y,z)的水頭H可統(tǒng)一按Bernoulli方程描述， 且需用地下水動力學(xué)中三維滲流模型來分析才能獲得滿意的解答，因此稱其為“三維抗浮水位概念”。

根據(jù)前述三維抗浮水位概念和Bernoulli方程，無論基底位于什么位置(含水層或?qū)娱g弱透水層)，抗浮水位均可以統(tǒng)一按下式表述，即

(3)

式中：Pm(x,y,zb)為基底標(biāo)高zb處最大孔隙水壓力，由三維滲流模型分析確定 [ML-1T-2]。

因此，從理論上看，三維抗浮概念是建立在較嚴(yán)格的土力學(xué)、水力學(xué)和地下水動力學(xué)等科學(xué)理論基礎(chǔ)上的，具有普遍適用性和統(tǒng)一性，對抗浮水位科學(xué)研究和工程實踐具有重要的指導(dǎo)意義。同時，相比二維和準(zhǔn)三維來說，三維抗浮水位概念也比較抽象，對滲流建模與分析水平的要求也比較高，并且需要有豐富的地下水位(或孔隙水壓力)監(jiān)測資料作支撐。而二維和準(zhǔn)三維抗浮水位概念是對三維抗浮水位概念特定條件下的簡化，因此在一定意義上說具有降低抗浮水位分析工作難度的作用。

上述3種抗浮水位概念雖然存在差別，但都涉及到兩個基本問題，這兩個問題也是抗浮水位分析的熱點和焦點，即：①基底孔隙水壓力分布規(guī)律和浮力計算問題，這是基底位于弱透水層中抗浮水位分析時常遇到的問題；②地下水最高水位預(yù)測問題，這是基底位于含水層中時抗浮水位分析所遇到的問題。

2 弱透水層孔隙水壓力分布規(guī)律

大量的試驗、工程實踐都證實有效應(yīng)力原理對于飽和土近于完美地反映了實際情況[6]，但由于我國地層性質(zhì)差別很大(如沿海地區(qū)的軟土和內(nèi)陸的沖洪積扇地層)，往往在實際應(yīng)用中會遇到許多具體問題，尤其在多層含水層區(qū)，由于地下水賦存和運動的復(fù)雜性，其水壓力具體分布會與靜水壓力存在很大區(qū)別，這一點包括上述3種抗浮水位概念在內(nèi)的許多學(xué)者認識都是比較一致的，即所謂弱透水層中孔隙水壓力的“折減”問題，但在“折減”的機理和計算方法目前還十分不統(tǒng)一，總體上分為如下兩類。

圖3 多層含水層中孔隙水壓力分布曲線[6-7]Fig.3 Distribution curves of pore water pressure in multilayered aquifer[6-7]

2.1 孔隙水壓力折減問題的滲流分析法

該方法是基于有效應(yīng)力原理和滲流理論上的經(jīng)典理論方法[6,15]。張在明等根據(jù)“滲流孔隙水壓力”概念，在北京地區(qū)做了大量室內(nèi)外試驗與理論分析工作基礎(chǔ)上，提出了第四紀(jì)沖洪積扇地區(qū)地層中孔隙水壓力分布的垂向一維飽和-非飽和滲流模型(圖3)，該觀點認為，由于多層含水層之間的垂向滲流的發(fā)生，式(3)中的水頭H沿z方向出現(xiàn)損失，從而引起孔隙水壓力P的減小[2-3]，這一重要結(jié)論在北京地區(qū)得到大量實際監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證并被廣泛應(yīng)用于工程中，同時也被其他學(xué)者的研究成果所佐證[15-17]，應(yīng)該說滲流分析方法在以北京地區(qū)為典型的沖洪積扇地區(qū)具有普遍適用性。

同時，在工程實踐上，利用滲流分析方法得到的孔隙水壓力要比靜水壓力明顯小(圖3)，以此進行抗浮設(shè)計比較經(jīng)濟，因而具有重要工程意義。

2.2 關(guān)于結(jié)合水引起孔隙水壓力折減問題

滲流理論和有效應(yīng)力原理是經(jīng)典理論，但由于弱透水層的孔隙較小，受結(jié)合水等內(nèi)部結(jié)構(gòu)因素影響[9]，連通性不及粗顆粒含水層好，這就引起了針對經(jīng)典的滲流分析方法在弱透水層中是否適用問題的爭論，即除了滲流作用以外，結(jié)合水是否也會引起孔隙水壓力折減問題，目前主要存在如下3類觀點：

(1)結(jié)合水引起孔隙水壓力折減明顯。部分學(xué)者研究認為，即使沒有滲流情況下，由于結(jié)合水造成弱透水層的連通性較差等原因，孔隙水壓力也是需要折減的[11,19-20]。有些學(xué)者提出了測定折減系數(shù)的相關(guān)試驗方法，并測出了具體折減系數(shù)值，試驗結(jié)果較明顯，甚至能達到65%左右[20]。

(2)結(jié)合水引起孔隙水壓力折減不明顯。這和觀點(1)正好完全相反，張第軒等通過大量室內(nèi)試驗研究表明，即使是黏性土，其結(jié)合水對孔隙水壓力折減系數(shù)也很小，工程應(yīng)用中幾乎不考慮[15-16,21]。向科等通過模型試驗研究，認為長期穩(wěn)定狀態(tài)下，飽和黏性土能完全傳遞孔隙水壓力[22]，而無需考慮結(jié)合水的影響。

(3)折減程度主要受強結(jié)合水影響，而與弱結(jié)合水關(guān)系不大。這種觀點是(1)和(2)的折衷，在邏輯上比(1)和(2)更具有普遍性。李廣信等認為弱結(jié)合水能傳遞靜水壓力而強結(jié)合水則比較復(fù)雜，同時認為塑限含水量是強結(jié)合水的上限含水量，當(dāng)含水量低于塑限含水量時(或液性指數(shù)小于0)，表明沒有弱結(jié)合水和自由水，并且通過試驗研究當(dāng)固結(jié)壓力大于600 kPa時，液性指數(shù)小于0，弱結(jié)合水很少，靜水壓力只能傳遞70%～80%，且需要較長時間[23]。介玉新等得到類似的結(jié)論，認為大多數(shù)情況下，有效應(yīng)力原理是足夠準(zhǔn)確的，但在高壓下需要修正，對于液性指數(shù)接近或小于0的黏性土，有效應(yīng)力原理的適用性尚難下結(jié)論[24]。宋林輝等通過系統(tǒng)的室內(nèi)試驗研究，認為無論是滲流狀態(tài)還是靜水狀態(tài)，黏性土內(nèi)各點孔隙水壓力趨于穩(wěn)定所需時間均受固結(jié)壓力或水壓力影響，在不同壓力(固結(jié)壓力和水壓力)條件下又可以互相轉(zhuǎn)化，反映了結(jié)合水對孔隙水壓力分布影響的復(fù)雜性[25]。

從上述研究成果討論中不難發(fā)現(xiàn)一個非常有趣的結(jié)論：宋林輝等開始持觀點(1)[20]，后來研究持觀點(3)[25]；李廣信開始的工作持觀點(2)[15]，后來研究也持觀點(3)[23]，因此觀點(3)具有一定普遍性，相對合理。以北京地區(qū)為例，飽和弱透水層的液性指數(shù)多數(shù)在0.25以上，因此弱結(jié)合水和自由水起的作用大，孔隙水壓力分布規(guī)律比較符合經(jīng)典的有效應(yīng)力原理和滲流理論，觀點(3)蛻化成觀點(2)，這也從另一個角度解釋了圖3中垂向一維滲流模型與實測結(jié)果吻合的原因[6]。至于其他地區(qū)抗浮水位分析中的孔隙水壓力是否需要考慮結(jié)合水的影響，則是一個十分復(fù)雜的問題，需要根據(jù)地區(qū)地層的物理力學(xué)性質(zhì)，在有針對性的現(xiàn)場監(jiān)測、室內(nèi)試驗基礎(chǔ)和系統(tǒng)的理論研究基礎(chǔ)上綜合確定，而不可輕易根據(jù)觀點(1)進行折減。

3 遠期最高地下水位預(yù)測問題

地下水遠期最高水位預(yù)測是抗浮水位分析的另一項重點和難點工作，下面對目前主要采用的3類方法進行簡單介紹。

3.1 歷史最高水位法

用歷史最高地下水位作為遠期最高水位預(yù)測值應(yīng)該說是一種比較常用的方法，許多文獻都有不同程度的涉及[6-7,9-10]，尤其是地下水位監(jiān)測時間序列較長，且地下水位動態(tài)規(guī)律比較簡單的情況下，其主要優(yōu)點是依據(jù)實測資料，在直觀上具有較好的說服力(如北京地區(qū)的1959年最高水位)。但從本質(zhì)上看，歷史水位并不等于遠期水位，前者代表地下水位動態(tài)規(guī)律的“過去時”，后者代表地下水動態(tài)規(guī)律的“將來時”，當(dāng)有些地下水影響因素不可再現(xiàn)情況下，地下水位動態(tài)規(guī)律會出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展趨勢。文獻[6]和[7]用歷史最高水位來預(yù)測北京地區(qū)的臺地潛水和上層滯水的遠期最高水位，這主要是因為這兩種類型的地下水主要影響因素是多年來變化不大的氣象條件，而對于受人為因素影響較大的潛水～承壓水，則認為歷史最高水位法會過于保守。另一方面，事實證明，歷史最高水位法也未必最安全，以英國倫敦為例，由于1965年以后地下水開采量銳減，地下水出現(xiàn)快速回升，2003年有的地區(qū)甚至超過了100年以來的歷史最高水位[3]。因此，歷史最高水位法不是嚴(yán)格意義上的水位預(yù)測方法，在實際應(yīng)用中需要根據(jù)地下水位動態(tài)規(guī)律不同區(qū)別對待。

3.2 基于宏觀數(shù)據(jù)反演方法

該方法基本思路是根據(jù)地下水監(jiān)測網(wǎng)獲得地下水水位觀測數(shù)據(jù)生成等值線圖和動態(tài)曲線圖，以此識別不同區(qū)域內(nèi)各水文年中地下水位的主要影響因素(如圖4中地下水開采量)，進而定量反演出的影響因素對地下水影響程度作為模型參數(shù)，然后利用工程類比法，找出未來影響因素和當(dāng)前影響因素之間的換算關(guān)系，最后將未來影響因素作為預(yù)測輸入條件，實現(xiàn)遠期最高水位的預(yù)測。

圖4 基于宏觀數(shù)據(jù)反演預(yù)測法(以北京地區(qū)開采量與地下水位動態(tài)之間關(guān)系為例)Fig.4 Prediction method of groundwater level with inversion based on macro data (taking relationships between groundwater withdrawal and groundwater level dynamics in Beijing area as an example)

基于宏觀數(shù)據(jù)反演是以大量實測數(shù)據(jù)分析為基礎(chǔ)的，因此具有較好的可靠性，但同時又是一種對數(shù)據(jù)樣本依賴性較強的半經(jīng)驗方法，主要適合于單個點狀建筑[6-7,26]。

3.3 數(shù)值方法

數(shù)值方法在水文地質(zhì)學(xué)中是較經(jīng)典的水位預(yù)測方法，但傳統(tǒng)的地下水?dāng)?shù)值模型主要目的是為水資源管理和環(huán)境保護服務(wù)，預(yù)測精度尚不足以滿足工程需要，尤其是模型中沒有充分反映對抗浮水位有直接影響的淺層地下水(一般指50 m深度以內(nèi))的復(fù)雜分布規(guī)律[27-28]。針對前述抗浮水位分析的現(xiàn)狀，以及北京城市建設(shè)的迫切需要，沈小克等在充分研究北京地區(qū)淺層地下水區(qū)域分布特征基礎(chǔ)上，首次建立了北京中心城1 100 km2范圍的區(qū)域淺層地下水三維滲流模型[3,29]，利用大量實測數(shù)據(jù)進行模型識別與驗證，對遠期水位預(yù)測思路進行研究，在此基礎(chǔ)上提出了抗浮水位分析的區(qū)域法，并在北京地區(qū)多個重大工程中得到很好應(yīng)用。安振東等[30-31]分別利用有限差分法和有限單元法對青島和昆明市一些具體工程的場地含水層最高水位進行了預(yù)測，取得了很好效果。

數(shù)值方法最大的優(yōu)點是可對各種復(fù)雜的邊界條件有較強的適應(yīng)性，同時，當(dāng)這些條件發(fā)生變化時，需要對模型進行及時更新與維護。

4 抗浮水位分析方法技術(shù)體系

技術(shù)體系是對前述概念和方法論在工程實踐中的一種具體實現(xiàn)與應(yīng)用。目前雖然我國針對具體工程的抗浮水位分析例子較多，但由于前述抗浮水位基本概念和兩個基本問題方法論分歧較多，工程實踐中一般是具體問題具體分析，多數(shù)地區(qū)缺乏相對統(tǒng)一的技術(shù)體系。北京地區(qū)由于工作開展較早，形成了以場域法和區(qū)域法最為典型的技術(shù)體系，同時近幾年其他地區(qū)也開始嘗試了技術(shù)體系的建立與應(yīng)用。

4.1 場域法

雖然早在1990年代中期張在明提出三維抗浮水位概念，但限于當(dāng)時的工作條件，建立三維滲流模型比較困難，為滿足當(dāng)時建設(shè)的迫切需要，提出一種“間接”的技術(shù)方法體系，分如下兩步來實現(xiàn)：首先通過基于宏觀數(shù)據(jù)反演的水位預(yù)測方法(圖4)預(yù)測場地的最高水位，然后通過垂向一維滲流孔隙水壓力分布模型(圖3)來分析建筑場地不同深度內(nèi)的最大水頭(孔隙水壓力)[6-7,17]。該方法主要適用單個建筑，因此稱其為“場域法”，在北京地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用，最近，蔡國成等也利用類似方法嘗試建立寧波平原地區(qū)的抗浮水位分析技術(shù)體系[26]。對跨度較大的地下工程(如地鐵等)，場域法分析工作量較大，且很難保持分析結(jié)果在空間上的協(xié)調(diào)性，同時對一些重要條件的變化缺乏很好的適應(yīng)性。

圖5 北京市中心城三維瞬態(tài)流有限元剖分Fig.5 Scheth of meshing by 3D FEM in Beijing central city

4.2 區(qū)域法

該方法體系是基于區(qū)域地下水三維瞬態(tài)流模型(圖5)，因此稱其為區(qū)域法[3,29-30]，是對三維抗浮水位概念的一種直接實現(xiàn)。區(qū)域法基本思路是，利用區(qū)域地下水位最新監(jiān)測資料代入?yún)^(qū)域地下水三維瞬態(tài)流模型中，預(yù)測空間任一點的最高水頭(或最大孔隙水壓力)，然后得到結(jié)構(gòu)基底處的最高水頭(或孔隙水壓力)，從而實現(xiàn)抗浮水位分析，具有普遍適用性和較強實用性。同時，為提高模型精度，對于地下水分布條件復(fù)雜的地區(qū)，需要將三維模型(如圖5)與一維滲流模型(如圖3)進行相互校核，得到更合理的抗浮水位分析結(jié)果。區(qū)域法是目前相對科學(xué)和統(tǒng)一的方法，但需要大量的數(shù)據(jù)對數(shù)值模型進行不斷改進和維護。沈小克等利用區(qū)域法對北京某工程抗浮水位進行了分析[29]，安振東對青島啤酒城改造工程的抗浮水位進行了分析[30]，均獲得滿意結(jié)果。

5 結(jié) 語

20多年以來，由于城市地下空間開發(fā)的迫切需要，結(jié)構(gòu)抗浮水位研究在我國逐漸受到重視，并取得了較大進展，但由于抗浮水位問題自身的復(fù)雜性，目前的主要研究成果尚未形成相對統(tǒng)一的理論、方法或技術(shù)體系，存在較大分歧，同時，這些研究成果具有各自的優(yōu)點和需要改進的地方。通過對這些研究成果進行科學(xué)綜述，得到如下幾點主要結(jié)論：

(1)在抗浮水位概念方面，總體上可以分為二維、準(zhǔn)三維和三維等3種類型，三者主要區(qū)別在“水位”和“水頭”上以及問題求解思路上。三維抗浮水位概念是建立在相對嚴(yán)謹?shù)耐亮W(xué)和地下水動力學(xué)基礎(chǔ)上的，而二維及準(zhǔn)三維是在某種特定的條件下對三維抗浮概念的一種簡化。在科學(xué)研究和工程實踐中需要深刻理解這三種抗浮水位概念之間的關(guān)系，并根據(jù)具體問題的難易程度靈活運用。

(2)在孔隙水壓力分析方面，基于滲流理論的經(jīng)典分析方法在以北京為代表的沖洪積扇地區(qū)具有普遍適用性；而基于結(jié)合水對孔隙水壓力影響問題較復(fù)雜，主要受控于強結(jié)合水，目前的研究成果在抗浮水位分析中的適用性尚需要慎重考慮。

(3)在遠期最高水位預(yù)測方面，歷史最高水位法是目前常用的地下水位預(yù)測方法之一，但歷史水位并不完全等同于遠期水位，尤其是有些條件出現(xiàn)不可再現(xiàn)情況下，因此需要根據(jù)地水下位動態(tài)規(guī)律不同而區(qū)別對待；基于宏觀數(shù)據(jù)反演預(yù)測是一種半經(jīng)驗方法，在北京地區(qū)有了較好的應(yīng)用，且在其他地區(qū)也有嘗試，但主要適用于單體建筑；數(shù)值方法是理論上相對最完善的方法，但需要大量資料和數(shù)據(jù)作為建模分析的支持，同時模型也需要根據(jù)最新數(shù)據(jù)不斷維護。

(4)在抗浮水位分析技術(shù)體系方面，以場域法和區(qū)域法為代表的技術(shù)體系在北京地區(qū)得到很好應(yīng)用與推廣，其他地區(qū)也有了一定嘗試，為我國抗浮水位分析工作朝著科學(xué)化、規(guī)范法方向發(fā)展提供了借鑒。和發(fā)達國家相比，我國目前的技術(shù)經(jīng)濟水平還有較大距離(發(fā)達國家經(jīng)濟實力較雄厚，抗浮水位一般可直接取接近地表的位置，或采用與抗浮水位關(guān)系不大的主動抗浮措施)，抗浮水位分析將是今后相當(dāng)長一段時間內(nèi)十分重要的工作。

為推進未來抗浮水位分析工作的科學(xué)化和規(guī)范化，除了需要對目前工作取長補短外，還需進行如下的進一步探討性工作：

(1)加強相關(guān)機理研究和分析方法自身的(如孔隙水壓力分布和遠期最高水位預(yù)測)科學(xué)研究，形成相對統(tǒng)一而科學(xué)嚴(yán)謹?shù)幕纠碚摵头治龇椒ā?/p>

(2)加強區(qū)域性地下水位長期監(jiān)測和孔隙水壓力分布特征的室內(nèi)外試驗研究，積累豐富的基礎(chǔ)性資料，并利用現(xiàn)代數(shù)據(jù)管理技術(shù)進行數(shù)據(jù)動態(tài)管理，為該地區(qū)水位及孔隙水壓力變化提供實時預(yù)警服務(wù)。

(3)建立某個地區(qū)地下水區(qū)域性數(shù)值模型，為該地區(qū)抗浮水位分析提供依據(jù)。

(4)充分考慮地區(qū)的地質(zhì)及水文地質(zhì)特點、水資源政策和抗浮設(shè)計施工技術(shù)特點，在上述工作基礎(chǔ)上，進行系統(tǒng)的科學(xué)研究與工程實踐，最終形成適合于某個地區(qū)或某些地區(qū)相對較統(tǒng)一和實用的抗浮水位分析技術(shù)體系或地方性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

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Research status and progress of groundwater level against floating of structures in China

WANG Junhui1, 2， TAO Lianjin1， HAN Xuan2， ZHOU Honglei2

(1.CollegeofArchitectureandCivilEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China; 2.BGIEngineeringConsultantsLtd.,Beijing100038,China)

Although a lot of research results on groundwater level against floating(GWLAF)have been achieved in China, there are many disagreements among them, which not only affect their practical applications to engineering， but also lead to the lack of systematicness and continuity in research itself. In order to solve this complicated and urgent problem, the basic concepts of the GWLAF， a methodology on two basic problems (pore water pressure and the highest forward groundwater level) and the technique systems of GWLAF are reviewed systematically and analyzed objectively， on the basis of hydrology, hydraulics, soil mechanics and other scientific theories and methods. In the aspect of the basic concepts of the GWLAF， according to the theory of occurrence of groundwater and seepage, they are classified into three types， i.e. a two dimensional concept， a quasi-three dimensional concept and a three dimensional concept， which are then formulated respectively， and analysis of the logical relationships between the three types of concepts has been done， based upon which the scientificalness and applicability of them are discussed in this study. Regarding the method on the analysis of the pore water pressure distribution， especially on the analysis of reduction of the pore water pressure, the classical seepage methods based on seepage law and effective stress theory are commented first， and at the same time, the current methods in heat discussion based on the bound water theory are also generalized， the applicability of the two methods on the pore water pressure above are analyzed respectively， and some suggestions are made. In the aspect of the prediction of the highest forward groundwater level in the future， three major methods (ie. the method of historical highest groundwater level， a method of inversion based on the macro data and a numerical method)are discussed， whose advantages， problems and something to be improved are discussed. In the aspect of the technique systems of the GWLAF, it is discussed briefly， taking Beijing as an example. Finally, commenting the researches on the GWLAF in China， and considering China’s national conditions, the progress and suggestions for the future research are made.

structure; groundwater level against floating; groundwater; pore water pressure; the highest forward groundwater level

10.16198/j.cnki.1009-640X.2017.03.017

2016-05-16

國家自然科學(xué)基金資助項目(41572276，41272337)； 北京市科技計劃資助項目(Z161100001216011)

王軍輝(1973—)，男，安徽東至人, 教授級高級工程師，博士，主要從事水文地質(zhì)與工程地質(zhì)方面的研究與咨詢工作。E-mail：wjh1223@sina.com

TU46+2

A

1009-640X(2017)03-0124-09

王軍輝， 陶連金， 韓煊， 等. 我國結(jié)構(gòu)抗浮水位研究現(xiàn)狀與展望[J]. 水利水運工程學(xué)報, 2017(3): 124-132. (WANG Junhui, TAO Lianjin, HAN Xuan, et al. Research status and progress of groundwater level against floating of structures in China[J]. Hydro-Science and Engineering, 2017(3): 124-132. (in Chinese))