[摘要]确定抗浮设防水位是结构设计中的一项重要参数，但是影响抗浮设防水位的因素较多。通过对规范的详细理解，深入分析了抗浮设防水位的确定方法，并结合工程实例探讨了抗浮设防水位的重要意义。抗浮设防水位要综合考虑场地不同的地质条件、建筑条件和地貌条件等因素，采用最不利组合确定。
[关键词]地下水,地下结构,抗浮设防水位
Discussiononwaterlevelforpreventionofup-floatingofundergroundstructure
Hu-Xiqing1,LiJing2
(1,2ZhongFuDaDiBeijingConstructionLtd.,Beijing,100070)
Abstract:Determinationofwaterlevelforpreventionofup-floatingisanimportantparametertostructuredesign,howevertherearemanyfactorsinfluencingwaterlevelforpreventionofup-floating.Accordingtodetailunderstandingofcode,determinationmethodofwaterlevelforpreventionofup-floatingwasanalyzedandtheimportanceofwaterlevelforpreventionofup-floatingwasdiscussed.Consideringdifferentfactorssuchasgeologicalconditionsofsite,buildingconditionandphysiognomyconditionetc,themostunfavorablecombinationisadoptedtodeterminewaterlevelforpreventionofup-floating.
Keywords:groundwater;undergroundstructure;waterlevelforpreventionofup-floating
近年来，随着城市建设的高速发展，建筑空间已从广度向深度不断拓展。大量的高层建筑物为了满足人防指标、停车位数量和整体安全性的需要，在不断加大基础埋深。而土体孔隙及岩体裂隙中赋存着大量的地下水，对岩土体中的地下结构会产生浮力，若地下结构的自重小于浮力，会对地下结构产生以下破坏：地下室底板隆起，导致底板破坏；地下建筑物整体不均匀浮起，导致梁柱结点处开裂和底板破坏以及建(构)筑物的倾斜甚至整体失稳等事故。这些破坏，都会对工程造成巨大的经济损失。因此需要深入研究地下结构的抗浮问题。
《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）第3.0.2条款规定：“当地下水埋藏较浅，建筑地下室或地下构筑物存在上浮问题时，尚应进行抗浮验算”；第3.0.3条款规定：“岩土工程勘察报告当工程需要时，尚应提供用于计算地下水浮力的设计水位”。新修订的《岩土工程勘察规范》(GB50021—2001)中第4.1.13条规定：“工程需要时，详细勘察应论证地基土和地下水在建筑施工和使用期间可能产生的变化及其对工程和环境的影响，提出防治方案，防水设计水位和抗浮设计水位的建议。”以上两个规范均是对抗浮设计水位做了概念性的规定，并未给出详细的评判依据。在结构设计中合理确定基础抗浮设计水位比较困难，这是由于：地下水位不仅与自然因素(地下水的补给、大气降水、排泄与径流等)有关，而且还受人为因素(地下水开采、水库放水、灌溉等)的严重干扰，因此地下水位是一个随机量。地下水的运动特性决定了地下水位高度的随机动态变化性，特别是在北京等城市化问题突出的大城市，地下水位受人类活动影响显著，多年年均水位呈不规则的高低变化。例如，从北京地区水文地质背景研究和多年地下水位动态监测情况看，受人类活动的影响(主要是过量抽取地下水和阶段性放水回灌等)，北京西郊某些地段当前水位已经达到近3～5年最高水位，并有继续上升趋势；而东郊某些地下水集中开采区，水位自20世纪60年代以来已经持续下降了20多米，其未来恢复到历史最高水位或近3～5年最高水位的可能性很小。
目前，设计单位以勘察报告提供的地下水浮力设计水位作为抗浮验算的依据。而勘察报告中一般会给出：(1)勘察期间的水位；(2)历史最高水位；(3)近3-5年的地下水位；一些有实力的勘察单位根据自身长期的水位观测资料并进行分析后，会提供抗浮水位；而更多的勘察单位则是根据附近工程经验提出抗浮水位，甚至一些勘察单位将历史最高水位作为抗浮水位。这显然是不合理的。对于埋深较大的高层建筑则需要委托北京市勘察设计院确定抗浮设防水位作为设计单位抗浮验算的依据。
综上所述，合理确定建筑结构设计中的基础抗浮设防水位非常困难，但又非常重要，是关系到工程质量和工程造价的关键问题。本文结合其他学者的观点，通过对工程实例的分析，浅析了合理确定超补偿基础抗浮设防水位的重要意义。
1.抗浮设防水位的确定
《高层建筑岩土工程勘察规程》（JGJ72-2004）第2.1.6条款规定：“抗浮设计水位指地下水抗浮评价计算所需的、保证抗浮设防安全和经济合理的场地地下水水位”。换言之，抗浮设防水位是指基础埋置深度内起主导作用的地下水含水层在建筑物运营期间的最高水位。这有两层意思：一是保证不会因浮力作用对建筑物产生安全影响，二是采用的抗浮设防水位合理地控制地下建筑物的造价成本。第8.6.1条款规定：“当地下水水位高于地下室基础底板时，根据场地所在地貌单元、地层结构、地下水类型和地下水位变化情况，结合地下室埋深、上部荷载等情况，对地下室抗浮有关问题提出建议。”从规范中不难看出，不考虑多层地下水的情况，不考虑具体建筑物基础所在地层特性，不考虑地区地下水位变化动态，简单地以场地抗浮设防水位的观点，确定最高设防水位是不切合实际的。
地下水按照赋存形态分为上层滞水、潜水与承压水。潜水层与承压水层之间一般存在一个隔水层，它是一种渗透系数极小(k<1.Om/d)的岩土层。以往的勘察报告一般给出:1)勘察期间的水位;2)历史最高水位;3)历史最低水位。而这些水位一般都为钻孔综合水位，不能反映地下水的实际赋存状态。故对多层含水层的水位测量，应该采取止水措施，使被测含水层与其他含水层分开，以便对设防水位的确定提供准确依据。地下水位需要根据本地区地下水的长期动态观测资料，针对特定建筑场地的水文地质条件，结合本地区的经验来确定，或者由主管部门建立本地区的地下水位动态模型来预测。确定了特定条件的地下水位后，还需要结合地下结构位置来确定设防水位，设防水位取值如下:
(一)地下结构底板位于潜水层时，潜水的动态具有明显的季节变化，年水位变化幅度较大，为了掌握潜水水位变化幅度，岩土工程勘察往往应布置地下水位的长期观测井，对潜水水位进行一个水文年以上的观测。潜水型地下水设防水位应以最高潜水水位作为设防水位。抗浮设计水头值为基底至建筑设防水位的高度。基底及地下室外墙地下水压力的计算、浮力的计算，按全部浮力计算，不得折减。当地质报告中未能提供潜水的最高预测水位，《广东省建筑地基基础设计规范》(DBJ5-31-2003)规定一般地区可以取室外地坪标高。
(二)地下结构穿过潜水层，底板位于隔水层时，设防水位仍为潜水水面，但计算浮力时需要折减。
(三)地下结构穿过潜水层与隔水层，底板位于承压水层时，底板处承压水头即为设防水位，且不需要折减。
《高层建筑岩土工程勘察规程》（JGJ72-2004）第8.6.1条款又规定：“根据地下水类型、各层地下水位及其它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。”第8.6.2条款规定：“地下水抗浮设防水位的综合确定宜符合下列规定：当有长期水位观测资料时，场地抗浮设防水位可采用实测最高水位，无长期观测资料或资料缺乏时，按勘测期间实测最高稳定水位并结合场地单元，地下水补给、排泄条件等因素综合确定”。所以各层地下水的补给、径流、排泄关系和各层地下水相互间的关系，这些均对于抗浮设防水位的确定有着重要的作用。以北京地区为例，北京西郊地区主要分布为单一的潜水含水层，该区一般情况下，上部分布有厚度不大的粘性土和粉土地层，下部为砂砾卵石含水层，该层地下水补给来源是大气降水和永定河河水，这层地下水的孔隙水压力呈线性分布。从西部向东由于沉积关系，含水地层逐渐由单一的潜水含水层向多层含水层过渡，至东部和东南部一带发展至在地面下30m之内分布有2-4个含水层。上部为台地潜水含水层；中部有1-2个层间潜水含水层；下部为潜水或承压水含水层。这些台地潜水、层间潜水和承压水，各有不同的补给，迳流排泄条件，因而各层地下水具有各自的地下水位变化规律。
所以，要确定抗浮设防水位的高低，首要问题之一要弄清建筑物基底所在地层和标高，当基底位于台地潜水、层间潜水或承压水地层中时，基底地下水压力直接受该层地下水最高水位标高控制，当基底位于两含水层间的弱透水层中某一高程时，要根据上下二层地下水最高水位标高时，由于地下水进入弱透水层经过衰减后到达基底高程后的地下水位高程决定，经过衰减后，那层地下水的水位高程高，基底的地下水浮力就受那层地下水的压力决定。
2.工程实例
恒福家园工程位于东四环中路百子湾立交桥东南角,西邻东四环路,北邻百子湾路。本工程由南、北两部分组成，北部为1＃和2＃楼（檐高99.9米和23.6米），共为一个基坑，但深度不同，1＃楼基坑深度为14.62m，2＃楼基坑深度为14.32m；南部为3＃楼（檐高78米），基坑深度为13.42m。
根据工程地质勘察报告，相关地层主要由人工堆积层、第四纪沉积层所构成。人工堆积层主要有以下几层构成：
粉质粘土填土、粘质粉土填土层①、碎石填土①1、房渣土①2，平均厚度2.0m，c=0.0KPa，φ=300。
粘质粉土、砂质粉土②、砂质粉土②1、重粉质粘土、粉质粘土②2、粉砂②3层，平均厚度5.5m，c=29KPa，φ=27.40。
粉砂、细砂③、砂质粉土、粘质粉土③1、粉质粘土③2层，平均厚度2.0m，c=0.0KPa；φ=30o。
粉质粘土、重粉质粘土④、砂质粉土、粘质粉土④1、粘土④2层，平均厚度1.1m，c=29KPa；φ=16o。
圆砾、卵石⑤层，平均厚度5.0m，c=0.0KPa；φ=38o。细砂、中砂⑤1层，平均厚度4.6m，c=0.0KPa，φ=32o。
粘质粉土、粉质粘土⑥层，平均厚度4.5m，c=30.0KPa；φ=22.8o。
根据本场地岩土工程勘察报告，施工场地各层地下水情况如下：
本工程基础埋深为14m左右，属深基础，抗浮设计是一项重要内容。地下水浮力大小（也即设防水位高低）是基础与上部结构自重大小的决定因素之一。北京勘察院提的设防水位咨询报告结论为设防水位是35.20米，自然地表高程是35.60米，也即自然地表往下就有水，这与实际情况不符：本地区9米以下才能见到水，且地下水位连年降低。设防水位高，则要求加大建筑物（主要是结构）自重去进行平衡，即建筑材料（钢筋、砼等）用量多，也即建造成本加大。而设防水位高低的确定原则与依据很复杂，它是将50年以来最高水位与官厅水库放水、南水北调、百年一遇洪水等因素综合考虑而得。本着安全、科学、经济的原则，对抗浮设防水位组织了专家论证，并重新委托了权威部门进行了深入全面的研究，使设防水位从35.2m降至29.70m，减少了大量的建造成本。据估算，取消配重钢渣混凝土（容重4t/m3）约40000m3，按2000元/m3计，约降低成本8000万元；同时1＃楼与3＃楼也取消了CFG桩与抗拔桩等地基基础处理措施，此二项除了节省上千万元的投资外，还大大缩短了工期。
3.结论
抗浮设防水位的确定是一个既关系到建筑物的抗浮安全，也是一个关系到巨大投资的大问题。这就要求结构工程师和岩土工程师在考虑建筑物地下结构抗浮时，应根据场地工程地质、区域水文地质、建筑条件和地貌情况综合确定，根椐不同的地质条件、不同的基础埋深及地貌等，分析各种因素对抗浮设防水位影响，采用最不利组合综合确定地下建筑物的抗浮设防水位。
参考文献：
[1]GB50009—200l，建筑结构荷载规范[S]．
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