川道河谷漫灘地區(qū)抗浮設(shè)防水位的合理確定★

張仁豪 曲鵬沖 戴彥雄 范寒光 張 芳

(1.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710043； 2.陜西省特殊巖土與處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710043)

0 引言

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及西部大開發(fā)戰(zhàn)略的進(jìn)一步實(shí)施，國家重大工程規(guī)劃和城鎮(zhèn)化建設(shè)向地質(zhì)條件復(fù)雜、構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈的西北地區(qū)不斷推進(jìn)[1]。甘肅省天水市作為西北地區(qū)典型的山間河谷盆地型城市，受特殊地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、巖土性質(zhì)等影響因素，地質(zhì)環(huán)境較差，若無法查明并采取相關(guān)措施，將嚴(yán)重威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全，制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展[2,3]。為確保國家重大工程規(guī)劃和城鎮(zhèn)化建設(shè)項(xiàng)目的安全與質(zhì)量，在工程建設(shè)及實(shí)施中，地下水的抗浮評(píng)價(jià)，尤其是合理確定抗浮設(shè)防水位就顯得尤為重要。

近20年來，眾多巖土勘察專家根據(jù)實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，對合理確定抗浮設(shè)防水位進(jìn)行了深入探討。張?jiān)诿鱗4]通過研究地下水在土體中動(dòng)態(tài)的滲流狀態(tài)，提出歷史最高水位不能作為抗浮水位，該點(diǎn)在規(guī)范里是不合理的，應(yīng)根據(jù)地下室基底最大水壓力實(shí)測資料，合理確定抗浮設(shè)防水位值，但最大水壓力的確定，需要通過水的賦存狀態(tài)和滲流來確定。黃志侖等[5,6]提出不能直接以場地內(nèi)第一層潛水位作為最高水位，應(yīng)針對基礎(chǔ)的埋深，所處的含水層，分析基底所在含水層的水位，該水位才是抗浮設(shè)防水位。張曠成[7]提出每個(gè)場地都只對應(yīng)一個(gè)抗浮水位，處于弱透水層處靜水壓力應(yīng)考慮折減。此外，許多學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)計(jì)算了多個(gè)不同含水層水位。常晉沙等[8]發(fā)現(xiàn)基坑開挖會(huì)導(dǎo)致多層含水層水位的重分布，回填后，各含水層之間會(huì)形成水力聯(lián)系，所以不能直接以多層含水層的最高水頭作為抗浮水位，應(yīng)通過詳細(xì)分析場地的滲流特點(diǎn)確定。因此，地下水抗浮設(shè)防水位的確定需要根據(jù)不同地區(qū)及地質(zhì)條件等因素進(jìn)行具體分析。

本文以巖土工程勘察為基礎(chǔ)，考慮研究區(qū)復(fù)雜的地質(zhì)環(huán)境，通過對天水川道河谷漫灘地區(qū)的自然和人為等因素進(jìn)行分析，多方面探討抗浮設(shè)防水位的合理確定，以期對天水市及類似川道河谷漫灘地段的勘察工作提供指導(dǎo)。

1 地下水位歷史的調(diào)查及推測

1)河堤修建對地表水的影響是直接的，隨著主河道的確定及疏浚，藉河總體上改變了其擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡，但是，值得注意的是，近年來，隨著城市的發(fā)展、氣候的變化以及人為破壞，藉河逐漸變成了季節(jié)性河流，汛期流量暴漲暴落，非汛期干旱少水，甚至斷流，較歷史上的行洪流量和行洪模式都有了很大的改變。

2)按照目前建設(shè)場地的地層情況與成因推斷，目前一期漫灘部位建設(shè)場地由于其黃土狀土與圓礫、卵石的沖洪積構(gòu)成，歷史上必然作為過水通道。

3)從水位角度考慮，目前的現(xiàn)地面應(yīng)該是地下水位的最高標(biāo)高或極限標(biāo)高，超越地面部分原則上屬于洪水。

4)目前防洪堤與主河道豎向高程差異約在5 m，建設(shè)場地一期漫灘地段高程總體低于防洪堤高程約2 m，較主河道高約3 m。

5)按照防洪堤50年一遇的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，總體推斷地表洪水50年一遇極限高程約與防洪堤頂面高程齊平，較目前河道水位高出5 m左右。

2 地下水情況

研究區(qū)地下水類型為潛水，主要含水層為圓礫、卵石層，主要補(bǔ)給來源為藉河與大氣降水，綜合滲透系數(shù)可按經(jīng)驗(yàn)值50 m/d考慮。從勘探揭露情況可看出，地下水位自階地部位至漫灘部位順地形逐漸下降，地下水比降約為3%，勘察期間顯示出地下水補(bǔ)給河水的特點(diǎn)；順河道方向地下水位變化與河道坡降趨勢一致，地下水比降約為7%。根據(jù)勘察情況及對藉河水文歷史分析，建設(shè)場地地下水顯示出如下特點(diǎn)：

1)建設(shè)場地一期漫灘部位地下水位比降不大，波動(dòng)較小，受藉河地表徑流影響較大，易受洪水的影響暴漲暴跌；

2)建設(shè)場地一期漫灘部位地下水在勘察期間顯示出旱季補(bǔ)給河水的性質(zhì)，但在雨季洪水來臨時(shí)，前沿靠河部位會(huì)受洪水的影響改變其補(bǔ)給方向，顯示出河水補(bǔ)給地下水的性質(zhì)；

3)建設(shè)場地一期漫灘部位地下水與藉河地表徑流關(guān)系緊密，抗浮與防洪問題往往是交織在一起的。

3 地下水位影響因素分析

1)大氣降水及地表水。

研究區(qū)地下水的主要來源為大氣降水的入滲補(bǔ)給與地表藉河水的徑流補(bǔ)給，排泄方式多以潛水的蒸發(fā)為主，同時(shí)藉河水位也主要受降水影響，因此研究區(qū)的地下潛水水位的增加及減少都能夠當(dāng)做為降雨入滲和潛水蒸發(fā)一致影響的情況，大氣降水的補(bǔ)給使得地下水位升高，而潛水的蒸發(fā)使得含水層水位降低。研究區(qū)夏季多暴雨，降水的突然增加會(huì)使得降雨入滲量以及藉河徑流補(bǔ)給增大，導(dǎo)致地下水位迅速抬升。

2)地形地貌。

研究區(qū)位于地勢較低的河漫灘，天然的地勢條件使得研究區(qū)形成一個(gè)面積較大的匯水區(qū)，在降雨作用下地表水迅速匯集，造成地表水的入滲補(bǔ)給量增大，地下水位隨之抬升。

3)地層巖性。

根據(jù)勘察工作可知研究區(qū)地下水主要賦存于圓礫及卵石層中，為透水性較好的含水層，當(dāng)降雨入滲量、地表入滲量及藉河徑流補(bǔ)給量增加時(shí)，地下水位抬升較快。

4)人為因素。

研究區(qū)在未來工程建設(shè)中會(huì)產(chǎn)生大規(guī)模挖方、填方活動(dòng)，改變了地表徑流、地下水的補(bǔ)給、排泄，使得地下水位發(fā)生改變。

4 抗浮設(shè)防水位初判

研究區(qū)距離藉河較近，地下水與藉河水聯(lián)系緊密，考慮最危險(xiǎn)情況，研究區(qū)地下水位隨藉河最高防洪水位上升5 m，分為以下兩種情況初步抗浮設(shè)防水位：

1)地下水位埋深相對較深的部位，若考慮汛期地下水位抬升5 m后仍舊在原地層中，由于原地層均屬強(qiáng)透水層，則抗浮水位可按原地下水位抬升5 m考慮。

2)地下水位埋深相對較淺的部位，若考慮汛期地下水位抬升5 m后在現(xiàn)地面以上，則抗浮設(shè)防水位按傳統(tǒng)判定方法可按現(xiàn)地面采用。

5 抗浮設(shè)防水位的再分析

勘察階段抗浮設(shè)防水位的確定是根據(jù)場地水文地質(zhì)條件，如勘察期間的地下水水位、地下水的類型(上層滯水、潛水、承壓水)、含水層的滲透性、含水層的邊界條件(與地表水的關(guān)系、多含水層之間的相互關(guān)系)、地形地貌條件、水文氣象條件等因素綜合考慮地下水水位的變化幅度，提供一個(gè)比較合理的抗浮水位[9,10]。依據(jù)工程勘察規(guī)范的原則，抗浮設(shè)防水位的綜合確定宜符合下列規(guī)定：當(dāng)有長期水位觀測資料時(shí)，場地抗浮設(shè)防水位可采用實(shí)測最高水位；無長期水位觀測資料或資料缺乏時(shí)，按勘察期間實(shí)測最高穩(wěn)定水位并結(jié)合場地地形地貌、地下水補(bǔ)給、排泄條件等因素綜合確定。綜上所述，確定抗浮設(shè)防水位時(shí)要針對不同工程、不同工況確定不同的抗浮設(shè)防水位。

根據(jù)國內(nèi)目前相關(guān)學(xué)者的研究情況，臨近江河側(cè)畔時(shí)，如果地表水流與地下室基坑土體地下水存在流通聯(lián)系，考慮不利因素，抗浮設(shè)防水位的取值可達(dá)至地表河流的最高水位[11-13]。

當(dāng)前建設(shè)工程由于工期緊，地下水位缺乏長期觀測資料，因此抗浮設(shè)防水位需按勘察期間實(shí)測最高穩(wěn)定水位并結(jié)合場地地形地貌、地下水補(bǔ)給、排泄條件、歷史最高水位等因素綜合確定。通過調(diào)研分析水文地質(zhì)條件，研究區(qū)抗浮設(shè)防水位的確定主要考慮以下幾個(gè)方面：

1)研究區(qū)內(nèi)地下水主要受降雨入滲和藉河徑流補(bǔ)給，當(dāng)夏季遇大雨甚至暴雨情況，研究區(qū)由于地勢條件匯水量增加，藉河水位抬升，同時(shí)由于地下水所在含水層為強(qiáng)透水層，含水層厚度大，滲透性及富水性良好，形成良好的入滲條件和徑流條件，造成地下水位迅速抬升；

2)從地貌成因上分析，研究區(qū)所在地貌單元為河漫灘，河漫灘是在洪水時(shí)被淹沒，枯水時(shí)出露的灘地。根據(jù)研究區(qū)所揭露地層情況，結(jié)合對研究區(qū)的歷史水位進(jìn)行的相關(guān)調(diào)查，研究區(qū)所在位置曾被河水浸沒，洪水對地下水位有過較高幅度地抬升；

3)研究區(qū)在未來工程建設(shè)中將進(jìn)行場地整平，會(huì)形成較大規(guī)模的挖方、填方，而這些工程活動(dòng)會(huì)改變地表徑流條件，地下水的補(bǔ)給排泄條件等，填方部位雖有隔水作用，但填筑體可能受毛細(xì)作用對地下水位產(chǎn)生抬升效果，長期作用下，結(jié)合地表水位的周期變化及填方部位密實(shí)度對入滲水的阻滯作用，易聯(lián)通產(chǎn)生自由水面，從而提升地下水位。在確定抗浮設(shè)防水位考慮填方工程的同時(shí)，也要考慮由于工程活動(dòng)造成地下水位變化對工程建設(shè)的影響；

4)研究區(qū)距離藉河較近，隨著氣候變暖，降雨增多，未來河水位極大可能升高甚至發(fā)生洪水，作為地下水的主要補(bǔ)給源會(huì)造成地下水位大幅度抬升；

5)研究區(qū)場地范圍較大，地表及地下水標(biāo)高有所起伏，同時(shí)設(shè)計(jì)地坪標(biāo)高差異較大，需考慮分區(qū)確定抗浮設(shè)防水位。

綜合以上方面因素，位于填方區(qū)內(nèi)建筑抗浮設(shè)防水位考慮按照原5 m的最高洪水位進(jìn)行上浮是合理的，具體而言，即洪水來臨之際，地表水將在填方區(qū)轉(zhuǎn)換為地下水，并對建筑物基礎(chǔ)產(chǎn)生較大影響。

6 結(jié)論及意義

針對類似復(fù)雜工程條件的項(xiàng)目勘察工作，本次研究具有一定的指導(dǎo)意義，具體表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面:

1)建設(shè)場地距離地表水系較近時(shí)，除調(diào)查場地地下水條件外，還需調(diào)查地表水系高程，洪痕線，歷史水位變化等水文資料，確定地表水與地下水的補(bǔ)給關(guān)系，由此預(yù)測地下水的歷史最高水位。

2)在類似川道河谷漫灘地段，建設(shè)場地的防洪問題往往與建筑物的抗浮問題相互交織，勘察工作中需充分理解設(shè)計(jì)意圖，才能將防洪問題和抗浮問題進(jìn)行分解，提出有針對性的建議，保證建設(shè)工程的安全。

3)場地需要挖填方整平時(shí)，需考慮工程活動(dòng)對地下水補(bǔ)排條件的影響，如填方產(chǎn)生的毛細(xì)作用導(dǎo)致地下水位上升等，抗浮設(shè)防水位應(yīng)相應(yīng)提高，同時(shí)地基下還需布設(shè)一定的排水系統(tǒng)。

4)地勢低洼場地需考慮地表大面積匯水引起的地下水位抬升，除提高抗浮設(shè)防水位外，還需在場地四周采取排水措施，減少由于大雨、暴雨引起的地表水匯集量。

5)當(dāng)建筑物的豎向設(shè)計(jì)標(biāo)高有所起伏時(shí)，宜考慮多方面后按建筑物分別確定抗浮設(shè)防水位。