建(构)筑物抗浮设防水位的科学确定与抗浮措施的合理选择

建(构)筑抗浮设防水位的科学确定与抗浮措施的合理选择周载阳建设综合勘察研究设计院有限公司目录0.引言1.地下水的浮力及抗浮设防水位的科学确定2.地下构筑物的抗浮措施目录0.引言1.地下水的浮力及抗浮设防水位的科学确定2.地下构筑物的抗浮措施0.引言随着我国经济的发展和城市化进程的加快，以及人民生活水平的不断提高，对生活的环境要求也愈来愈高。同时随着家用轿车的普及，汽车停车位的供需矛盾日益突出，因此在项目建设时，城市建设的规划管理部门现在均要求配有一定数量的地下停车位。为合理利用地下空间，建筑物之间的绿地或广场下面一般均设纯地下车库，其顶部覆土1.5m～2.5m，作为景观绿化和铺设管线之用。由于单建地下车库是纯地下结构，当地下水位较高时，需要考虑地下水的浮力作用。科学确定地下结构的抗浮设防水位，以及合理选择抗浮措施，将直接影响到地下结构的安全与建设费用，具有巨大的社会意义和经济价值。目录0.引言1.地下水的浮力及抗浮设防水位的科学确定2.地下构筑物的抗浮措施1.地下水的浮力及抗浮设防水位的科学确定地下结构抗浮设防水位如何合理确定，目前国内现行规范尚无明确规定。地下水的运移规律与地表水不同，地下水的水压力分布不仅与地下水的水位有关，而且还受地质条件及水文地质边界条件的影响，与地下水渗流过程中的水头损夫有关，表现在不同的地层中地下水压力的分布不尽相同。地下水对地下构筑物产生的浮力计算不同于物体处于地表水体的浮力计算，地下水对地下构筑物的浮力大小与构筑物的基础埋置位置有直接的关系。由于地下水是处于运动状态的，地下水位的变化决定于它的补给和排泄条件。补排条件一方面受自然因素的影响，是一个随机过程，另一方面还受人为因素的影响，就更加剧了地下水位的动态变化。在工程设计中，为了保证建（构）筑物的安全，要考虑最不利的情况，而这种最不利的情况一般就是地下水位达到最高时的情况。因此确定抗浮设计水位时，首先要科学预测建（构）筑物使用寿命期间地下水可能的最高水位。这就需要考虑构筑物所处位置的宏观水文地质背景和历史资料，以及今后可能会出现的不利情况。需要明确的是，地下水的最高水位并不一定就是构筑物的抗浮设防水位。这是因为构筑物受到的地下水的浮力还与其底板埋置的位置有关。典型多层地下水的压力水头分布潜水层间无压水承压水头含水层相对隔水层含水层相对隔水层相对隔水层含水层0在多层地下水场地，在含水层中的同一平面位置上，上下各点的总水头相同，地下水的水压力可认为是静水压力分布。如上下两个含水层中夹有一弱透水层，在弱透水层中，由于沿垂直方向的渗流水头损失，同一平面位置上，上下各点的总水头不相同，地下水的水压力分布与静水压力有非常大的区别。随意套用历史最高水位，显然是不合理的。如工程设计时采取适当措施，疏排地下水，改变渗流条件，地下水位可显著降低。科学确定建筑物的抗浮设防水位，一般先要进行两个方面的工作：一方面是综合考虑影响拟建场区的自然因素和人为因素，预测建筑物使用寿命期间的最高地下水位；另一方面是根据拟建场区的地质及水文地质条件、拟建建筑物基础埋置位置，根据多层地下水的水头分布理论计算基础底板处的地下水压力水头，最终确定合理的抗浮设防水位。预测建筑物未来使用期的最高水位，影响因素非常复杂，主要有：(1)大气降水的季节变化和多年变化；(2)区域地质和水文地质背景，场地及其附近的地形地质和补排条件；(3)地下水开采、跨流域调水等人为因素；(4)政府对水资源和水环境的综合调控等。确定抗浮水位决不是根据历史水位可以简单确定的问题，也不是利用现成公式可以计算的问题从科学意义上讲，是一个概率问题，不是确定性问题。按理说，概率问题可以考虑主要影响因素建立数学模型，算出不同概率的抗浮水位，再根据具体工程要求，即超过预估水位产生的危害程度选用适当的超越概率。但可惜，这种数学模型至今未能建立，而且参数也难正确选定。典型地下结构型式的浮力计算地面地下水位地下结构地下结构地下结构桩潜水含水层隔水层承压含水层地面地下水位承压水头现实工程问题只能依靠有经验的专业人员，在掌握充分资料的基础上进行综合判断。为了避免个别人员和个别单位的片面性，对重要工程有时需召开专家会议集体论证。目录0.引言1.地下水的浮力及抗浮设防水位的科学确定2.地下构筑物的抗浮措施2.地下构筑物的抗浮措施构筑物通常采用的抗浮措施有两大类：一是抗力平衡型，即采用抗拔桩、抗拔锚杆或是增加结构自重等，使抗力与地下水的浮力平衡，从而达到构筑物抗浮的目的；二是浮力消除型，即通过截水或疏排水措施，控制地下水压力或水位保持在预定的压力或标高之下，减小或消除地下水对构筑物的浮力，从而达到构筑物抗浮的目的。抗力平衡型措施常用的抗力平衡型措施主要有：1.增加结构自重1）增加所有部位的自重2）只增加基础部位的自重2.抗拔桩、抗拔锚杆3.改变地下结构的埋深4.底板外挑（适用于面积较小的地下结构、地下管廊等线形结构）抗力平衡型措施增加基础自重的措施可采用钢渣混凝土或增加基础厚度，或两者联合采用。改变地下结构的埋深寻找地下水压力水头较小的位置，如相对隔水层中。整体加深地下结构的埋深，增大上覆土重。基础底板外挑，增加对底板的压重。浮力消除型措施常用的浮力消除型措施有：1.截水帷幕2.降排水及静水压力释放管3.连通管浮力消除型措施截水帷幕要点1）落底式2）帷幕内采取排水辅助措施浮力消除型措施降排水措施通过疏排可以降低地下水位，这在基础工程施工，尤其是深基坑降水工程中，已得到广泛的应用。地下构筑物底板以上地下水位的降低，意味着地下水对地下构筑物浮力的减小，因此，在理论上适当控制地下水位，就可以使其满足地下构筑物抗浮的要求。浮力消除型措施当地下构筑物基础底板位于强透水层时，可直接在周围打设降水井；当地下构筑物基础底板位于弱透水层时，抗浮方案可采用在地下构筑物四周及底板下设置截水盲沟，拦截四周及下方流向地下构筑物的地下水，在适当的位置设置集水井。也可采用静水压力释放管技术；当地下水位上升到一定的高度时，开启水泵即可达到降低地下水位，保证地下构筑物抗浮安全的目的；在滑坡治理中，很多都会采用导水盲沟以疏导地下水，以达到控制地下水位、稳定斜坡的目的。在基础工程施工时，基坑周围设置盲沟、集水井以保证基坑内基底土不被水浸，更是基本的施工措施，不仅简单易行，而且经济实用，效果显著。对永久性工程，上述“疏”的措施已经在我国深圳、青海、北京等地有过成功的先例。国家标准《地下工程防水技术规范》（GB50108－2008）第6.1.2条亦有规定：有自流排水条件的地下工程，应采用自流排水法。无自流排水条件且防水要求较高的地下工程，可采用渗排水、盲沟排水、盲管排水、塑料排水板排水或机械抽水等排水方法。实践证明，采用“疏”的措施在理论和技术上都是可行的。有人可能担心，盲沟长期使用会不会堵塞失效？是的，当地下水从细粒土流入粗粒土，且实际流速超过临界流速时，会带走细颗粒，进入粗粒土中。是否发生这一现象，取决于这两种土的颗粒级配和水力梯度，为了避免这种现象的发生，岩土工程师在设计时应采取专门措施(如设置砂砾反滤层，铺设土工布等)，保证排水系统长期有效运转。静水压力释放管技术静水压力释放管连通管：在地下结构侧墙上，设置连通管，当地下水位上升至连通管位置时，可将地下水通过连通管引至地下结构内，然后通过集水坑排走，以达到控制地下结构外的地下水位不高于设计容许的水位。如条件许可，也可以不即刻抽排流入地下结构内的水，以使地下结构内外水压平衡。对于一个具体的工程，是采用抗力平衡型措施还是浮力消除型措施要根据具体的情况确定。一般来说，当地下水位较高，构筑物长期处于地下水浮力作用下时，宜采用抗力平衡型措施，或帷幕截水的浮力消除型措施。此时如采用降排水的浮力消除型措施，可能构筑物的建设成本会降低，但其维持抽水的运行成本会增加，而且维持抽水基本上要贯穿构筑物的整个使用寿命期。当地下水位较低，虽然其有可能在某个时间出现较高的水位，但构筑物长期没有地下水浮力作用或地下水浮力作用很小时，宜采用浮力消除型措施，此时如采用抗力平衡型措施，由于工程设计需考虑最不利组合的情况，抗拔桩、抗拔锚杆或增加结构自重的设计是按可能的最高地下水位计算的，因此将增加投资。一方面，由于在构筑物使用期间，多数情况下地下水位达到预测的最高水位只是有一定的概率，并非必然；另一方面，在构筑物实用期间地下水位即使达到最高水位，也不是永远保持这一高水位，只是暂时性的，采用箱筏基础加抗拔桩或抗拔锚杆虽可以保证安全，但成本较高。在大多数的北方及内陆地区，在建筑物使用寿命期间，地下水位多数时间处于较低的水平，不会威胁建筑物的安全，只有在极端的情况下才会影响到建筑物，此时原则上可采用浮力消除型的疏排措施；在南方及沿海地区，地下水位较高，此时宜采用抗力平衡型的措施或帷幕截水的浮力消除型措施。具体问题应具体分析，通过技术经济的对比分析作出合理的选择，是我们每一个工程师的职责，也是体现工程师价值的所在。谢谢大家！