如何確定地下結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)防水位

吳自金

(貴州省有色金屬和核工業(yè)地質(zhì)勘查局物化探總隊(duì)，貴州 貴陽(yáng) 550000)

0 引 言

隨著中國(guó)城市建設(shè)的高速發(fā)展，建筑不僅向天空發(fā)展，而且向地下掘進(jìn)，很多高層建筑基礎(chǔ)埋深超過(guò)15 m，甚至達(dá)到30 m以上，加上建筑體型常常較復(fù)雜，建筑結(jié)構(gòu)下部有時(shí)存在裙房和“廣場(chǎng)式建筑”的純地下室部分。抗浮設(shè)防水位與場(chǎng)地所在地貌單元、地層結(jié)構(gòu)、地下水類型、各層地下水水位及變化幅度和地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件等因素有關(guān)。在地下室外墻承載力驗(yàn)算和抗浮設(shè)計(jì)中，正確確定抗浮設(shè)防水位不僅關(guān)系著建筑結(jié)構(gòu)的安全，而且對(duì)工程的造價(jià)、施工工期、施工難度都有較大影響，是工程建設(shè)中的一個(gè)重點(diǎn)及難點(diǎn)問(wèn)題。

1 確定地下結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)防水位的難點(diǎn)

地下水水位往往隨著時(shí)間的變化而變化，有季節(jié)變化規(guī)律，也有年變化規(guī)律，隨著場(chǎng)區(qū)的水文地質(zhì)環(huán)境條件變化而變化，如大的挖方和填方、地下結(jié)構(gòu)的修建等因素都會(huì)改變地下水文地質(zhì)環(huán)境?？辈煲?guī)范中加重了初步勘察階段對(duì)地下水勘察的要求，但是初勘單位和詳勘單位常常不是同一單位，而且很多項(xiàng)目往往直接是詳勘階段，一般詳勘階段時(shí)間緊迫，只能了解勘察時(shí)刻的地下水狀態(tài)，這對(duì)巖土工程師掌握?qǐng)鰠^(qū)地下水位長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)變化規(guī)律帶來(lái)較大的困難。

地下結(jié)構(gòu)面積大，基礎(chǔ)埋置深，抗浮設(shè)防水位定得過(guò)高，工程費(fèi)用可能浪費(fèi)較大；定得過(guò)低，如地下結(jié)構(gòu)底板及梁柱發(fā)生局部破壞，甚至發(fā)生整體上浮，后果將會(huì)很嚴(yán)重，處理起來(lái)也非常困難?？垢≡O(shè)防水位一般取地下結(jié)構(gòu)自施工期間至全使用壽命周期間可能遇見(jiàn)的最高水位，這個(gè)水位不是勘察期間實(shí)測(cè)到的場(chǎng)地最高水位，也不是歷史上觀測(cè)到的最高水位，而是地下結(jié)構(gòu)整個(gè)壽命周期可能遇到的最高水位?？垢≡O(shè)防水位是巖土工程師根據(jù)場(chǎng)地條件和當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)的未來(lái)可能出現(xiàn)的一個(gè)水位，既反映了巖土工程師的經(jīng)驗(yàn)判斷水平，也反映了當(dāng)?shù)氐募夹g(shù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平。而在地下結(jié)構(gòu)未來(lái)的五十年甚至上百年使用期間，地下水位變化可能較大，周邊場(chǎng)地條件也可能發(fā)生較大的改變，這給合理確定抗浮設(shè)防水位帶來(lái)較大的困難。

2 地下結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)防水位的確定

(1)抗浮設(shè)防水位一般取地下結(jié)構(gòu)自施工期間至全使用壽命周期間可能遇見(jiàn)的最高水位。

當(dāng)有地下水長(zhǎng)期觀測(cè)資料時(shí)，可根據(jù)歷史上最高水位來(lái)推定今后使用期間的地下水最高水位。當(dāng)沒(méi)有地下水長(zhǎng)期觀測(cè)資料時(shí)，但是對(duì)不同地貌單元地下水有季節(jié)變化幅度經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，可按“勘察期間實(shí)測(cè)地下水位+地下水季節(jié)變化幅度+意外補(bǔ)給可能帶來(lái)的地下水升高值”，來(lái)預(yù)測(cè)地下水抗浮設(shè)防水位。地下水季節(jié)變化幅度旱季勘察時(shí)加變化幅度大值，雨季勘察時(shí)加變化幅度小值。

(2)施工期間的抗浮設(shè)防水位可按勘察時(shí)的實(shí)測(cè)最高水位，并根據(jù)季節(jié)變化導(dǎo)致的地下水可能升高的因素、結(jié)構(gòu)自重和上覆土未施加，浮力對(duì)地下結(jié)構(gòu)的不利因素等因素綜合確定。

(3)建筑場(chǎng)地存在上層滯水、潛水和承壓水等多層地下水時(shí)，各層地下水分別有各自的獨(dú)立水位，若隔水層屬飽和狀態(tài)，說(shuō)明各類地下水有水力聯(lián)系，而且場(chǎng)地勘察時(shí)打穿所有含水層，樁基施工時(shí)和地下結(jié)構(gòu)肥槽回填未處理好也可能將各類含水層聯(lián)通起來(lái)，因此，地下結(jié)構(gòu)使用期間，各類地下水實(shí)際是相互聯(lián)通的，故抗浮設(shè)防水位按各層地下水的混合最高水位確定。

(4)建筑場(chǎng)地臨近水庫(kù)、河流、湖泊、海洋等大型地表水體時(shí)，當(dāng)與場(chǎng)地地下水有水力聯(lián)系時(shí)，可按地表水體百年一遇高水位及波浪雍高，結(jié)合地下排水管網(wǎng)等情況和當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)綜合確定抗浮設(shè)防水位。

(5)對(duì)于低洼地區(qū)，如貴州地區(qū)的一些洼地，雨季會(huì)遭遇特大暴雨，降水在低洼地區(qū)往往來(lái)不及排走，形成水澇，產(chǎn)生“盆池效應(yīng)”，特別是當(dāng)遇地下結(jié)構(gòu)施工時(shí)，基坑形成匯水區(qū)，造成地下結(jié)構(gòu)上浮，其災(zāi)害難以阻止。為保證地下結(jié)構(gòu)安全，抗浮設(shè)防水位取室外地坪高程。

3 地下結(jié)構(gòu)抗浮設(shè)設(shè)防水位確定應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題

(1)當(dāng)某些場(chǎng)地地下水賦存條件復(fù)雜，補(bǔ)給和排泄在建筑使用期間可能發(fā)生較大改變，如近年一些城市濕地公園的建設(shè)或周邊水庫(kù)應(yīng)急放水等都可能對(duì)該場(chǎng)地地下水產(chǎn)生較大影響，抗浮設(shè)防水位應(yīng)由建設(shè)單位委托有資質(zhì)的單位進(jìn)行專門論證后提出。

(2)位于斜坡場(chǎng)地或可能產(chǎn)生明顯水頭差的地下結(jié)構(gòu)，抗浮設(shè)計(jì)應(yīng)考慮地下水滲流在地下結(jié)構(gòu)底板產(chǎn)生的非均布荷載對(duì)地下結(jié)構(gòu)的影響。

(3)地下結(jié)構(gòu)在穩(wěn)定地下水位作用下的浮力應(yīng)按靜水壓力計(jì)算，即使在粘性土地基或地下結(jié)構(gòu)底板直接與基巖接觸的情況下也不宜折減。當(dāng)遇因暴雨等因素產(chǎn)生的臨時(shí)高水位，如該水位持續(xù)時(shí)間短，在粘性土中不能形成有效浮力，可根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)折減。

4 貴州某項(xiàng)目抗浮設(shè)防事故分析

4.1 工程概況

場(chǎng)地地貌單元屬劍江水系Ⅰ級(jí)階地，地層分布為填土、粉質(zhì)粘土、砂卵石和泥灰?guī)r，砂卵石層滲透性非常好。濕地公園位于項(xiàng)目區(qū)北側(cè)和西側(cè)，于2011年4月開(kāi)工建設(shè)，目前已滿負(fù)荷運(yùn)行，污水處理量約為5萬(wàn)m3/d，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，污水凈化池內(nèi)水位基本與進(jìn)出水管高度持平，水面標(biāo)高約507.50 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)水位觀測(cè)，濕地公園范圍水位處于最高位置，濕地公園水補(bǔ)給地下后向四周徑流，直接進(jìn)入本項(xiàng)目范圍內(nèi)的水主要來(lái)自于濕地公園側(cè)向徑流補(bǔ)給低高程卵石層及向下補(bǔ)給基巖，約4 000 m3/d經(jīng)過(guò)卵石層流經(jīng)項(xiàng)目區(qū)，最終流入劍江。

詳勘期間正值地下水平水期，周邊施工場(chǎng)地降水對(duì)本項(xiàng)目有影響，地下水位標(biāo)高為490.70～491.90 m。預(yù)計(jì)至豐水期，在自然條件下無(wú)降水影響時(shí)，場(chǎng)地地下水位將上升。根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，地下水變幅為1.5～3.0 m按不利組合的情況考慮，原詳勘階段本場(chǎng)地最高地下水位標(biāo)高可能達(dá)到494.90 m，地下室抗浮設(shè)防水位按標(biāo)高494.90 m取值。

該建筑物為地下二層框架-剪力墻結(jié)構(gòu)，室外地坪標(biāo)高500.1 m，地下結(jié)構(gòu)-2F標(biāo)高490.1 m，進(jìn)行了抗浮錨桿設(shè)計(jì)與施工且抗浮錨桿檢測(cè)合格。2015年6月底，地下室混凝土側(cè)墻出現(xiàn)局部滲水現(xiàn)象，9月初地下室混凝土側(cè)墻滲水區(qū)增多，-2F地下室底板出現(xiàn)局部起拱、上浮現(xiàn)象，部分框架梁、柱、現(xiàn)澆板等混凝土構(gòu)件開(kāi)裂。建設(shè)方采取緊急排水措施，在-2F底板起拱、上浮區(qū)域緊急開(kāi)設(shè)排水孔，開(kāi)孔初期地下水噴涌而出，隨著水體涌出-2F地下室內(nèi)水位急劇上升，最深約為2.2～2.5 m，隨后通過(guò)數(shù)個(gè)抽水泵將水體抽出地下室。發(fā)現(xiàn)地下室-2F底板起拱、上浮時(shí)，降水井內(nèi)水位標(biāo)高為496.85 m。

4.2 事故原因分析及建議

事故發(fā)生后，建設(shè)方委托另一家勘察單位對(duì)該場(chǎng)地進(jìn)行了水文地質(zhì)勘查，并提供《水文地質(zhì)勘查報(bào)告》，主要原因分析如下：①未充分考慮周邊場(chǎng)地施工降水對(duì)該項(xiàng)目場(chǎng)地地下水位的影響，當(dāng)周邊場(chǎng)地施工降水結(jié)束后，使本項(xiàng)目場(chǎng)地地下水位回升；②場(chǎng)區(qū)內(nèi)主要地層為上部中等透水填土層及中部強(qiáng)透水卵石層，粘性土層和基巖雖然透水性較弱，但在濕地公園持續(xù)不斷向場(chǎng)地補(bǔ)水情況下，地表水與地下水形成水力聯(lián)系，并對(duì)場(chǎng)地地下水長(zhǎng)期持續(xù)補(bǔ)給，補(bǔ)給量約4000 m3/d；③地下室剪力墻與基坑之間肥槽回填物為含粘土、建渣和碎石的雜填土，結(jié)構(gòu)松散，滲透性好，形成了良好的地下水滲流通道，在暴雨工況下，大量雨水以及濕地公園滲透水通過(guò)肥槽回填層進(jìn)入地下室底板之下；④結(jié)合勘察區(qū)實(shí)際情況、濕地公園水位及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，建議抗浮設(shè)防水位按標(biāo)高497.9 m考慮。

綜上所述，由于周邊場(chǎng)地停止施工降水、雨水及相鄰濕地公園地表水對(duì)場(chǎng)地地下水的大量補(bǔ)給，形成了高于該場(chǎng)地原詳勘報(bào)告提供的抗浮水位的水頭，大大超過(guò)抗浮錨桿設(shè)計(jì)的抗浮能力，地下水高水頭對(duì)地下室底板形成較大的上浮作用，引起底板起拱、開(kāi)裂。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)勘察時(shí)必須查明相鄰濕地、河流、水庫(kù)等地表水體與場(chǎng)地地下水的補(bǔ)給徑流關(guān)系，并充分了解相鄰地表水體在建筑物使用期內(nèi)可能達(dá)到的最高水位，在此基礎(chǔ)上綜合分析確定抗浮設(shè)防水位。

(2)確定抗浮設(shè)防水位應(yīng)充分考慮勘察處于豐水期枯水期平水期，勘察測(cè)得的水位是否為真實(shí)的正常穩(wěn)定水位，場(chǎng)地周邊有無(wú)降水情況等；

(3)在任何地質(zhì)條件下，勘察報(bào)告均應(yīng)強(qiáng)調(diào)地下室肥槽及時(shí)回填，回填應(yīng)選用隔水性好的材料，且應(yīng)提出夯實(shí)度要求，盡可能避免地表水通過(guò)肥槽回填層進(jìn)入地下室底板之下。