设防水位.pdf

第 2 l卷 2 0 0 7年 第 1 期 2月 岩土工程技术 Ge o t e c h n i c a l En g i n e e r i n g Te c h n i q u e Vo 1 2 1 No 1 F e b，2 0 0 7 文章编号：1 0 0 7-2 9 9 3(2 0 0 7)0 1-0 0 1 5-0 6 关于抗浮设防水位及浮力计算问题的分析讨论 张旷成丘建金(深圳市勘察测绘院有限公司，广东深圳5 l 8 o 2 8)【摘 要】参阅了近 l 0 年来国内 1 1 篇文献和 2 本专著中有关抗浮问题和地下水渗流问题的论述，对抗浮设防水位的确 定和浮力的计算问题提出看法和建议。【关键词】抗浮设防水位；浮力计算；孔隙水压力；地下水渗流【中图分类号】T U 4 6 An a l y s i s a nd Di s c u s s i o n o n W a t e r Le v e l f o r Pr e v e nt i o n o f Up f l o a t i ng an d Ca l c u l a t i o n o f Up l i f t Pr e s s u r e Z h a r Ku a n g c h e n g Qi u J ia n j i n (S h e mh e n G e o t e e h n i e a l I n v e s t i g a t i o n&S u r v e y i n g I n s t i t u t e C 0 ，L t d ，S h e mh e n G u a n g d ong 5 1 8 0 2 8 C h i n a)【A b s t r a c t】R e f e r t o d i s c u s s i o n o n p r e v e n t i o n o f u p-fl o a t i n g a n d s e e p a g e o f u n d e r g r o u n d w a t e r i n 1 1 p a p e r s a n d 2 I x k s i n p a s t 1 0 y e a r s，8 O l q 0_ e v i e wsand s u g g e s t i o n s a r ep u tf o r wardo n e onf i ma a t io no f wa t er l e v e l for p r e v e n t i o no f u p-fl o a t i n g an d c a l c u l a t i o no f u p l i f t p r e s s u r e 【K e y Wo r d s】w a t er l e v e l fo r p r e v e n t i o n o f u p-fl o a t i n g；c a l c u l a t i o n o f u p l i f t p r e s s u r e；i n t e r s t i t i a l h y d r a u l i c p r e s s u r e；s e e p a g e f l o w o f un d e r g r o u n d wa t er 0 引 言 黄志仑、马金普、李丛蔚先生在 岩土工程技 术 发表了“关 于多层地下水情况下的抗浮水位”一文。该文在肯定 高层建筑 岩土工程勘察规 程 (以下简称 高规)优点的基础上，对 高规 中抗浮设防水位，尤其是多层地下水情况 下的抗 浮 设防水位应如何确定的问题提出了一些具体修改意 见，主要有两条：建筑抗浮设 防水位应是建筑基础 底板所在地下水层 的最高水位；由于在多层地下 水场地内可能有多个建筑物，而这些建筑物各有 自 己的基底埋深，可能涉及不同地下水层，而有不同的 抗浮设防水位，因此，并不存在统一 的“场地抗浮设 防水位”。建议 高规 删除“场地抗浮设防水位”的 提法。首先应感谢他们对 高规 的关注，经仔细拜 读和思考，并阅读 了有关该问题的一些文献后，感到 此问题非常重要，且比较复杂，现行有关规范中，也 有一些不同的规定和不同的看法，特写此文，对抗浮 设防水位的确定和基底浮力的计算问题进行分析和 讨论，提出我们的意见和建议。场地抗 浮设 防水位与基底 浮力 是两个密切关 联，但又是需要用不 同理论和不 同研究 方法来解决 的两个课题。前者主要涉及区域水文地质条件和地 下水的补给、排泄等，应以水文地质学为理论基础加 以解决；后者则应从有效应力原理和地下水渗流原 理，以水力学和地下水动力学为理论基础加 以解决。本文对上述两个问题分别加 以讨论。1 关于抗浮设防水位 1 1 场地 抗 浮设 防 水位 的含 义 高规 的2 1 术语一节中对“抗浮设防水位”作 了解释，系指：“地下室抗浮评价计算所需的、保证设 防安全和经济合理的场地地下水位”J。它有两层意 思，一是保证设防安全，它是要保证几十甚至上百年 建筑使用期间的安全，在此期间不致因地下水上升，浮力加大而引起抗浮失效，因而应有足够安全度；二 是要以区域水文地质条件为基础，从较大范围的整个 场地来考虑，而不是以某个单独建筑来考虑。这是因“抗浮设防水位”必须是根据区域和整个场地 的水文 地质条件或地下水埋藏条件来决定，即应根据地下水 作者简介：张旷成，l 9 3 0年生，男，汉族，四川人，教授级高级工程师，中国工程勘察大师，主要从事岩土工程勘察、咨询设计、研 究等方面的工作。机械工业勘察设计研究院前总工、顾问总工，高层建筑岩土工程勘察规范(J G J 7 2 2 0 0 4)主 编，1 9 9 3年后受聘为深圳市勘察测绘院有限公司高级技术顾问、顾问总工。维普资讯 http:/ 1 6 岩土工程技术 2 0 0 7年第 1 期 的类型、分布和埋藏深度、含水层数 目、岩性结构、含 水构造特点、地下水 的补给、排 泄条件 等来决定，而 不是仅以某栋建筑基础所在地下水层的最高水位来 决定。这个概念在 高规 8 6 1条第 2款得到反 映，即“根据地下水类型、各层地下水位及其变化幅 度和地下水补给、排泄条件等因素，对抗浮设防水位 进行评 价”2 2。根据 这个概念，我们认 为某个 建筑 场地若系在同一个地貌单元(或 同一个水文地质单 元体)上，它只有一个“场地抗浮设防水位”，而不因 建筑场地 内有多栋不 同建筑的基础埋深，而有多个 抗浮设防水位。因而“场地抗浮设防水位”一词还是 应该存在。1 2 各层地下水最高水位的确定 在一些没有进行系统区域水文地质条件研究和 没有建立地下水长期观测系统的城市，但对各种类 型地下水的年变化幅度还是比较了解的。对于多层 地下水条件下，在确定“场地抗浮设 防水位”之前，首 先应确定各层地下水位的最高水位。我们赞成文献 3 所提出的计算各层地下水最高水位方法，即各层 地下水最高水位=勘察期间该层地下水最高水位+该层地下水位在相当于勘察时期的年度变幅+可能 的意外补给造成的该层水位上升值。但在应用这一 计算方法时，值得注意的几个问题如下：1)首先应弄清楚场地有哪几种类型的地下 水，例如北京市有台地潜水、层间潜水和承压水，深圳地 区一般有潜水和基岩裂隙中的微承压水。各种类型 或各层地下水在勘察期间的最高水位应通过分层实 测获得。2)上述计算方法中的第 2 项是“该层地下水位 在相当于勘察时期的年变幅”，即在枯水期勘察，即 应加整个年变幅，而在丰水期勘察则可 以少加甚至 可以不加。3)上述计算方法中的第 3项所指“意外补给”，系指非本区气象条件的补给，例如北京同行在有关 文献 中常提到的 1 9 9 5年永定河放水对北京西部地 下水的影响最大；今后南水北调的实现可能造成 承 压水的上升，以及官厅水库可能造成承压水的影响 等。1 3场地抗 浮设 防水位的确定 1)场地抗浮设 防水位的确定要以区域水文地质 条件为基础 一个建筑场地抗浮设防水位的合理确定，应当 以每个城市的区域水文地质条件、地下水埋藏赋存 条件、以及系统的长期地下水动态观测条件为基础。例如北京市勘察设计研究 院经数 十年 的工作，根据 北京市水文地质条件和地下水赋存特征，将北京地 区浅层地下水分为三个大区和七个亚区并掌握了近 五十年地下水动态观测资料，在此基础上建立 了地 下水预测、预报系统，研究了地下水典型渗流特征，及其对建筑场地孔隙水压力分布规律的影响 4-5 。为经济合理的确定基底地下水浮力打下了坚实基 础。2)场地抗浮设防水位应是各含水层最高水位之 最高者 在确定 了场地各 含水层(即各类 型，如潜水、层 间潜水、承压水)地下水最高水位后，要经综合分析 才能提出本场地的“场地抗浮设防水位”，“场地抗浮 设防水位”应当是各含水层最高水位之最高者。按 照文献 6 所定义的“层间潜水”，由于它不存在超过 其上覆相对不透水层(弱透水层)的水头，因而它 的 最高水位不可能超过第一层“潜水”的最高水位；下 部的承压水最高水位一般也不会超过第一层“潜水”的最高水位，因而通常情况下应用第一层潜水的最 高水位作为“场地抗浮设防水位”。当承压水的最高 水位超过第一层潜水最高水位时，则应以它的最高 水位作为“场地抗浮设防水位”，按此考虑，主要是因 实际工程中各层地下水事实上是连通的，每个建设 场地都要进行很多的勘探工作，这些钻孔有的都很 深，例如在广东地区这些钻孔大多数都已深入微风 化基岩内一定深度，它 已经把各层地下水 连通，勘察 期间所测得 的水位事实 上是混合水位，这些钻孔未 作专门的填塞处理，而长期存在 于场地建筑物下，加 上建筑物施工开挖和各类桩基施工，因而建筑场地 的使用期间，也是连通后的地下水在对基础底板产 生浮力作用，连通后的地下水升降都反映在第一层 潜水的变幅内，因而通常用第一层潜水作 为“场地抗 浮设防水位”是合适的。在场地抗浮设防水位确定 之后，弱透水层的水压力是否折减?如何折减?留 待下一节讨论。3)上层滞水的水位 不应作为“场地抗浮设 防水 位”所谓“上层滞水”按文献 7 的定义：“包气带中 局部隔水层或弱透水层上积聚的具有 自由水面的重 力水”，根据此定义，并参阅文献 8 ，我们对上层滞 水的认识是：它是埋藏于包气带中，而所谓包气带(又称充气带)。按文献 9 定义，“饱水带之上岩土 的空隙中包含着气体和水的地带”。因而上层滞水 可能是处于非饱和土中，且在地下水面以上，直接与 维普资讯 http:/ 张旷成等：关于抗浮设防水位及浮力计算问题的分析讨论 1 7 大气相通，是地表水 和地下水 相互转化 的过渡带；它是局部隔水层、弱透水层上积聚的重力水，因而 它并没有明确的含水层；它虽然具有 自由水面，但 受局部不透水层层面支配，往往不具连续的自由水 面；它的一个重要水 力特征是水压 力小 于大气压 力；它受季节性影响很大，通常是暂时性水。因 而，严格符合上述意义的上层滞水，不应以它的最高 水位作为“场地抗浮设防水位”，亦即上层滞水不考 虑浮力。当然若上层滞水面积很大，遍布整个场地，则应另当别论。文献 1 0 认为上层粘土层中存在的 滞水，实际上是“悬水”，整个粘土层中的浮力为零。但当上层滞水水面低于临近有水力联系的地面水体(包括江、河、湖、海)的最高水位时，则应按后者的最 高水位考虑浮力。在实际工程 中，有未按此考虑造 成上浮事故 的实例。2 关于浮力计算 2 1 关于浮力(浮托力)的含义 文献 7 对浮托力的定义是：“地下建筑物受静 水位或下游水位的作用，在其底面所受的均布向上 的静水压力”，该定义所指静水位，应该是本文所指 的“场地抗浮设防水位”；至于“下游水位的作用”，可 能是指场地下游江、河、湖、海水位上涨、反托后在本 场地形成的水位，它可能在地下建筑物使用过程中 高于本场地的抗浮设防水位；该定义还明确了浮托 力是均布向上的静水压力。目前在实际工程中，对 砂土、碎石土按 1 0 0的静水压力计算浮力没有异 议；但对粘性土(弱透水性土)层中，静水压力是否进 行折减?如何折减?有不同的看法，这也是本文要 讨论 的重点。2 2 浮力计算应符合有效应力原理 文献 6 提出，粘性土层中静水压力(P)是静水 头(h)与贯通孔隙率(k)及水的重度(y )的乘积，即 P：y h k(k I)，并认为 k可直接使用土的孔隙度()即=k。对这个观点，文献 1 0 1 1 的作者认 为不符合有效应力的原理，饱和土体中，任何一点的 总应力 由有效应力 和孔隙水压力“共同承担。即仃：+U。认为有效应力原理对粘土也是适用 的，即粘土中仍存在孔隙水压力 H，粘性土(弱透水 性)中静水压力不应折减。文献 1 1 还引述了国内 些模型试验证实 了这个观点，文献 5 引述了 s k e mp t o n 1 9 6 0年文献中指出“有效应力原理对粘土 也是完全适用的”。我们认 为根据有效应力原理，饱和粘性土层 中 存在孔隙水压力是完全正确的，但在基坑开挖和今 后地下室使用过程 中，地下室内外地下水必然有水 头差，有水头差则有渗流，在渗流和一定的静水压力 作用下，饱和粘性土层静水压力(或孔隙水压力)是 否有随深度和粘性土渗透性的减弱而减小的规律是 值得研究的问题。文献 1 2 介绍了北 京某建设场地一栋宾馆，地 上仅 一层，而地 下室 23层，基 底埋深 一1 3 0 一1 6 0 1T I，建筑 0 0 0相对于高程 4 7 7 0 1T I，场地 地下水位很高，勘察期 间测得潜水水位为 4 5 0 r n，承压水水位为 3 9 0 r n，经专家论证，抗浮设防水位取 潜水最高水位 4 7 0 r n。在潜水及承压水层之间为弱 透水层粉土、粘性土层，该层层顶高程约为 3 7 r n，层底高程约为 2 3。0 r n，厚度 1 4 r n，两层地 下室基底 均埋置于该 层 中。为研究越流补 给关 系和水头损 失，专门在弱透水层中埋设了敞口测压管和孔隙 水压力计，经 3 7天(1 9 9 7-0 7-1 0-1 9 9 7 0 8 1 5)的观 测，得到结果(见图 1)和其它资料。从图 1 可看出 不同量测位置的水头是随深度而衰减，说明潜水通 过弱透水层补给承压水过程中有较大“水头损失”，这个“水头损失”在浮力计算中意义重大。3 7 、r一 弱透水层 粉土、粘 性土层 图 1 不同量测位置水头分布【8 1 2 3 渗流过程中的能量损失和渗流孔隙水压力 文献 5，1 3 均详细论述了地下水的能量和地下 水渗流过程中的“能量损失”问题。按照伯努利(B e r n o u l l i)方程，地下水的总水头(h)可用下式表示：+(1)式 中：为地下水的压力水头，用符号 表示，为 地下水的静水压力强度，y、为水 的重 度；为地下 水某点的相对于基准面的位置水头，或高程水头；维普资讯 http:/ 1 8 岩土工程技术 2 0 0 7年第 1 期 为速度水头，为地下水 的流速，g为重力加速 度，该项相对于前两项数值很小可忽略不计。当地下水在土 中，由 A点向 B点流动时就会有“能量损失”，或者说“水头损失”A h。在忽略 了速度 水头后，用伯努利方程表示为：A+A B+Z B+A h (2)以水力梯度 i=A h(为渗流距离)表示，则上，、式可写为：标高 m A+A=B+B+i As (3)文献 5 更进一步提出和论证了“渗流孔隙水压 力”的概念，经详细论证有效应力=y y +i y =y U()，渗流孔隙水压力 U()可表示 为：U()=y i y (4)上式中渗流方向向上者取正号，向下者取负号。文献 5 列 出了按 上述理论计算 的两个工程 的 渗流分析结果(见图 2)。8 水压力 1 0k P a 标高 图2 工程 A、B的渗流分析结果 在图 2中：图中 y h曲线是静水压力分布曲 线；预测 曲线是考虑永定河上游官厅水库放水侧 向补给影响，严格控制地下水开采后，地下水位可能 回升，南水北调可能造成影响的预测分析结果；现 状曲线是文献 5 中图 5-6、图 5 7所示边界条件下 渗流分析结果，其与现场实测数据基本吻合。从图 2可看出，现状曲线、预测 曲线的水压力均 大大小于静水压力 y h曲线；与实测曲线基本吻合 的现状 曲线，在第一层地下水位 以下的弱透水层 中 开始是随深度增加而增加，但到一定深度(A、B工 程均为 6 7 m)后即随深 度而衰减，并 非一进人弱 透水层即线形衰减。而当进人第二含水层(工程 B)后，又有随深度增加而增加的趋势。2 4 多层地下水时，地下 室底板 浮力的计算 文献 1 0 1 1 提出了多层地下水情况下，不同基 础埋深时，浮力计算分别见 图 3和表 1。(D -t-L 盟 j 6 ：c d ：e：lL_一J!粘 土 潜 水 2 1 l l l l 压 J 砂 土 L-J l l号 l 下：L 一!砂 土 一 粘土 图 3 几层水情况下的孔压与浮 力 J 0】+h s)维普资讯 http:/ 张旷成等：关于抗浮设防水位及浮力计算 问题 的分析讨论 1 9 表 1 地下建筑不同埋深的地下水浮力【l l】_=L j=l r一=j 。0 00：=二 地 下 建 筑 j 1 I 门 与 含 水 层 1 j 地 下 建 筑 ：关 系示 意=j _ _ _ _ _ _ 底板 浮力P=Y w h P=hI y 2 P=y 相关土层 按全水头静水压力计算 、层水位 层水位 地下建筑 一筑-I 7 寸 地 下 建 筑 吨 _ 一-地下建筑 幸 与含水层 关系示意 X，刀，_ _ _ 底板浮力P=h 1 Y w h L P=0 P=y 相关土层 层水 位和层厚 度 无 层水 位：一 二 j 地 下 建 筑 l 地下建筑蓬 。一 =一_1_ _ r _ _ _ _ _ =与含水层 叨 ：_ 三 刍 关系示意 0 _ _ _ _ _ _ _：h l 一(h I 一 2)L y P：y P=h I+(h 2 一h I)h L y 相关土层、层水位和层厚度 层水位、层水位和层厚度 注：表中作如下假定越流渗透已达稳定状态；忽略越流渗透的水头损失；地下建筑外墙不透水且没有排水措施 上述两个文献所提出的计算浮力的方法，其共 同特点是在地下水进入弱透水土层后，地下水头 随 弱透水层的厚度而线形折减，即在层顶是上层潜水 的水头 P=y 。在层底为 P=0，水压力在弱透水 层 中或非饱 和土顶部 以上，呈倒三角形分布。这样 的计算模式是否符合实际，还需实际工程实测资料 验证，且按此模式计算存在“弱透水层”愈薄水头衰 减得愈快，愈厚则愈慢，似有悖 于常理。2 5 按经验对弱透水层 的水压力进行折减 文献 1 4 的作者提出，对“滞水”赋予新的概念，它是指“潜水位以上的弱含水层中重力水及人为渗 漏补给的层中孔隙水”。该文作者认为，对此类“滞 水”可以折减，折减系数 为 0 51 0。文 中所指弱 透水层是指渗透系数 志 0 5 m d的地层。我们认 为此折减系数属经验性质，有待实测资料证实。文献 1 5 的作者对花岗岩残积土的渗透系数进 行统计分析。砾质粘性土的 2 0 0个土样统计结果，其 k=1 0 I 4 1 0 一 v s(O 0 8 6 4 0 0 o 8 5 4 m d)；砂质粘 性 土 的 1 5 0个 土样 统 计 结 果，其 k=1 0-6 c m s (0 0 0 0 8 6 4 m a)。可见均属弱透水层，甚至是微透 水层，该文作者建议以最高水位的水头乘 0 6 0 8 的折减 系数。且 以某 水池 工程 为例，按 设 防水头 2 5 I n 0 6：1 5 I n进行设计，使用多年后未发现 上浮事故。此亦属经验性质，有待更多工程实例证 实其有效性。2 6 我们对浮力计 算的几点看法 1)由于场地钻探、开挖和桩基施工的影响，建筑 场地内各层地下水 在今后使用过程 中，事实上是连 通的，因而基底所受浮力应 以“场地抗浮设防水位”为起始点开始计算，而不宜仅以基底下地下水所在 层的最高水位计算。2)在地下室开挖和今后使用过程中，地下室内外 总会有水头差，按地下水渗流原理，有水头差必然有 渗流运动。据文献 1 6 论述，由于粘性土颗粒表面结 合水占据了相当一部分孔隙空间，土愈粘，结合水所 占体积愈大，而在地下水渗流运动 中，结合水是不能 运动的，因而在地下水渗流过程中总是按“有效孔隙 率”考虑；另外还有一种特殊的孔隙，称为“死端孔隙”(见图4)，从地下水渗流运动角度来说，这种孔隙是无 效的。由于结合水和死端孔隙的存在，地下水在弱透 维普资讯 http:/ 岩土工程技术 2 0 0 7年第 1 期 水土中渗流总会有水头损失，孔隙水压力会有所降 低，但结合水和死端孔隙体积难于量化。我们只知道 水头损失 的大小，应当与弱透水层 的渗透系数 k 和弱透水层 的厚度 m 有关，k 愈大，愈小，反之 愈大；mf 愈大，A h愈大，反 之愈小，即 A h。C 2-，或 凡 Ah=2-，式中 是一个通过实测待求的比例系数。图 4 死端 孔隙示意图 3)文献 5 和文献 1 3 从理论上阐明了“能量损 失”的概念，文献 5 还证明了地下水渗流过程 中所产 生的“渗流孔隙水压力”的计算，向下渗流过程 中，孔 隙水压力将减小 i y ，向上渗流过程 中，孔隙水压力 将增加 i y 。这些概念均很重要，但 并没有考虑弱 透水性土渗透性能大小的影响，这可能是不全面的。4)文献 1 0 1 1 所提出的计算方法，亦没有考虑 弱透水性粘性土渗透系数差异对水压力衰减的影响，且在弱透水层 中水压力分布曲线与图 2中的现状 曲 线(与实测水压力基本吻合)是不相同的，即不是一进 人弱透水层即成线形衰减，而是在一定深度后才衰减。5)根据 以上分析意见认为地下水进人弱透水层 后，水压力可以进行折减，但如何折减应 以每个场地 实测原始水压力或孔 隙水 压力分 布曲线进行推定。可以进行折 减 的“弱 透水层”，建议 以 k 0 5 m d 为界来划分。6)本文第二作者为 高规 地下室抗浮评价一节起 草人，他曾征询有关水力学专家的意见，f 电 f 门 认为无论是 砂层或弱透水层都应按 1 0 0 静水压力计算，不应折减。3 结论与建议 1)场地抗浮设防水位应 以区域水文地质条件、场地地下水埋藏条件和地下水长期观测资料为基 础；场地抗浮设防水位是各层地下水位最高水位的 最高者；每个场地只有一个“场地抗浮设防水位”。2)基底浮力计算应 以场地抗浮设 防水位为起始 点，对于砂层和卵石层按 1 0 0静水压力计算，对于 渗透系数 k 0 5 m d的弱透 水层，在考虑渗流情 况下，静水压力可 以考 虑折减，但如何 折减，应根据 场地的孔 隙水压或地下水水压力实测曲线，分析推 定衰减变化规律，据此计算基底浮力。3)建议在今后初步勘察工作 中增加为解决抗浮 问题的勘探测试工作：凡有抗浮问题 的拟建场地，至少应 布设 3 5 个专门的水文地质钻孔，分层测定各含水层的水位，并 以此兼作各含水层水位 的长期观测孔，观测各含 水层水位的变化。每个不 同的水文地质单 元体 布设 3 5个孔 隙水压力观测孔和敝 口测压管，从原始地貌状态至 基坑形成以后均进行 观测，以获得实测孔 隙水压力 或静水压力随深度变化的实测 曲线。由于笔者水平有限，对引述文献 的理解，可能有 误，所提出讨论意见亦可能不妥，欢迎同行批评指正。参考文献 黄志仑，马金普，李丛蔚 关于多层地下水情况的抗浮 水位 J 岩土工程技术，2 0 0 5，1 9(4)：1 8 2-1 8 3；2 1 7 J G J 7 2 2 O o 4 高层建筑岩土工程勘察规范 S 张思远 在确定建筑物基础抗浮设防水位时应注意的 一些问题 J 岩土工程技术，2 0 O 4，1 8(5)：2 2 7-2 2 9 张在明，孙保卫，徐宏声 地下水赋存状态与渗流特征对 基础抗浮的影响 J 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