長沙地區(qū)水文地質特征與抗浮設防水位的確定

彭柏興

(長沙市規(guī)劃勘測設計研究院，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的組成部分，直接影響著巖土工程性質和行為。隨著我國城鎮(zhèn)化建設進程加速，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)，城市建設與地下水的關系越來越密切［1～3］。近年來，由于對地下水考慮不當，引發(fā)的地下室整體或局部上浮、上部結構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防水位偏低;②設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。歸底結底，是地下水浮力大于建筑物當時的上部荷重，其核心仍然是如何確定抗浮設防水位。

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。如何準確、客觀地確定建筑場地的抗浮設防水位是一件相當困難的事情，諸多專家、學者對此進行過分析和研究，各有見地，并不一致［7～11］。本文試圖結合長沙地區(qū)的水文地質特征，對本地區(qū)的抗浮設防取值問題進行探討。

2 長沙地區(qū)水文地質特征

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泥巖，白堊系碎屑巖(泥質粉砂巖、粉砂質泥巖及礫巖)，石炭系白云質灰?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。基巖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。湘水流域內的地表水與地下水具雙重關系，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，與工程建設關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。基巖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 關于抗浮設防的討論

3.1 抗浮設防的必要性

在上世紀90年代之前，抗浮設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/構筑物出現(xiàn)，地下水對基礎工程影響日漸突出而引起工程界廣泛關注。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前最為普遍的。當?shù)叵率覀葔σ呀?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，將可能導致危險情況的發(fā)生。

現(xiàn)行規(guī)范針對地下水勘察、設計的要求 表2

3.2 抗浮設防水位

給予“抗浮設防水位”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《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB50007 － 2011)［16］都相應地給予了重視(表 2)。GB50007－2011在3.0.2條規(guī)定“建筑地下室或地下構筑物存在上浮問題時，尚應進行抗浮驗算”，為強制性條文。第3.0.4條文規(guī)定地基基礎設計前應進行巖土工程勘察，“尚應提供用于計算地下水浮力的設防水位”，明確設防水位應通過巖土工程勘察確定。

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

3.3 抗浮設防水位的確定

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

(1)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，應實測承壓水水位并考慮其對抗浮設防水位的影響;

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

(4)當?shù)叵滤x存條件復雜、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，應進行專門論證。

抗浮設防水位的確定，應以區(qū)域水文地質條件為基礎，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防水位進行評價。巖土工程師在提供建筑場地的抗浮設防水位時，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計地坪標高。

4 長沙地區(qū)抗浮設防水位取值分析

長沙地貌分為剝蝕構造丘陵與河流堆積階地兩大類，地形變化較大，對地下水抗浮設防水位進行分析時應因時因地而異，不應忽視新構造運動抬升、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時期的新構造運動強度、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，雨季時常有內澇發(fā)生，抗浮設防水位通常可取設計室外地坪或道路標高。

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

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，二元結構清晰，地下水因季節(jié)性降水影響，由微承壓—潛水間轉化。其抗浮設防水位一般可取設計室外地坪標高以下1 m。

當前勘察設計者還應關注的一個問題是，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。目前，建設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，當場地地形較平坦，且場地外圍地形標高與場內標高相近或略低，其抗浮設防水位可取勘察期間的穩(wěn)定水位。

但應該注意的，季節(jié)性降水可能導致地下水位驟升甚至內澇，基坑施工期間應保證排水的通暢和地下室坑側肥槽土的及時回填與質量。否則，抗浮設防水位取室外設計地坪標高以下1 m～2 m，即常規(guī)的室外排水管道的埋置標高。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)新開鋪組沖積物構成。地貌上主要構成上迭階地，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)內最老階地，由早更新統(tǒng)洞井鋪組構成，被Ⅳ階地新開鋪組沖積層掩埋，構成掩埋階地，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)系基本沒有關聯(lián)。一般可取勘察期間的最高水位并結合場地及其外圍地形取值。當場地外圍地面標高低于場地內標高時，取場地內設計地坪標以下2 m～3 m或場外地坪標高。

須注意的是，該地段受新生構造運動影響，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，應結合場地平整后地形確定抗浮設防水位。

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計時，應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構的影響。若取上游水位值為抗浮水位就會增加建設成本、取下游水位為抗浮水位，抗浮設計得不到滿足容易發(fā)生事故。

有觀點認為，對高低不平場地，可按建筑物外墻最低處的地而標高估算抗浮，失之偏頗。文獻［20］考慮到坡地地下水滲流的復雜性，根據(jù)改進阻力系數(shù)法原理和滲流基本理論推導出計算承壓水、潛水兩種不同類型的坡地地下結構浮力計算公式，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?shù)叵陆ㄖ锿耆裰糜跓o水的土層內，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無積水，雨水及其他地表水應有組織地及時排走。

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

5 結語

(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合水文地質環(huán)境綜合確定。

(2)抗浮水位的確定直接關系到地下結構防水、防滲設計、外墻及底板結構設計、抗浮穩(wěn)定性驗算。合理的確定方法應通過對長期水位觀測的數(shù)據(jù)為基礎，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)設置長期水文地質觀測孔，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)域內地下水的補排關系造成影響，建議相關部門根據(jù)工程需要，進行專門論證。

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