长沙地区水文地质特征与抗浮设防水位的确定

彭柏兴

(长沙市规划勘测设计研究院，湖南长沙 410007)

1 引言

地下水是指赋存于饱和土层和岩土孔隙、裂隙及空洞中的水之总称。地下水作为岩土介质的组成部分，直接影响着岩土工程性质和行为。随着我国城镇化建设进程加速，城市正在成为人类生存空间中开发强度最大、密度最高的地区，城市建设与地下水的关系越来越密切［1～3］。近年来，由于对地下水考虑不当，引发的地下室整体或局部上浮、上部结构开裂甚至破坏的事故屡见不鲜［4～6］。经分析，其原因无过于如下情况:①勘察报告提供的抗浮设防水位偏低;②设计人员忽视地下室主体建筑外上部荷重较轻的受力单元的浮力验算;③施工单位过早停止降低地下水措施、地下室回填土质量差;④不可抗力因素—连续的暴雨或海水倒灌造成地表水位急剧升高。归底结底，是地下水浮力大于建筑物当时的上部荷重，其核心仍然是如何确定抗浮设防水位。

众所周知，勘察报告中的初见水位和稳定水位都是勘察期间的静态值。而地下水随季节、气候条件、排水状态、地形、地貌等因素影响，并随区域性水文地质条件、各层地下水的变化和渗流造成的压力水头分布形态变化而变化。如何准确、客观地确定建筑场地的抗浮设防水位是一件相当困难的事情，诸多专家、学者对此进行过分析和研究，各有见地，并不一致［7～11］。本文试图结合长沙地区的水文地质特征，对本地区的抗浮设防取值问题进行探讨。

2 长沙地区水文地质特征

2.1 自然地理特征

长沙地处湘中丘陵与洞庭湖平原的过渡地带，湘浏盆地西南缘。地貌分为剥蚀构造丘陵与河流堆积Ⅴ级阶地两类，其北、西、南三面环山，中、东部为湘江、浏阳河冲积阶地，自南往北阶地由老至新递降［12］。

地层主要为第四系全新统人工填土层，第四系更新统冲积层、残积层，基岩为古近系粉砂质泥岩，白垩系碎屑岩(泥质粉砂岩、粉砂质泥岩及砾岩)，石炭系白云质灰岩，泥盆系泥岩、泥灰岩及灰岩，元古界冷家溪群板岩以及燕山期侵入岩体。基岩以白垩系碎屑岩和震旦系板岩居多。

长沙属亚热带湿润季风气候区，温暖潮湿，春夏多雨，秋冬干旱。多年平均降雨量1394.6 mm，每年4月～8月的降雨量约占全年的80%。

区内主要河流为湘江、浏阳河、捞刀河、靳江及沩水(图1)。湘江由南而北纵贯全市，对长沙市区水域起控制作用，河床坡降小，洪峰延时长，迳流量大，迳流模量在26 L/s·km2以上，迳流系数达50%。湘水动态为单汛周期类型，迳流洪峰出现于5月～9月份。湘水流域内的地表水与地下水具双重关系，旱季形成地下水流的排泄通道，洪水季节反过来补给地下水。

图1 长沙地区水系分布图

2.2 地下水类型

地下水类型可分为孔隙水、岩溶水及基岩裂隙水。

(1)孔隙水:分布于河流两岸的全新统橘子洲组(Qj)，更新统白水江组(Qbs)、马王堆组(Qmw)、白沙井组(Qb)、洞井铺组(Qd)及新开铺组(Qx)的砂卵石层中，为潜水或微承压水。其中，Qj、Qbs、Qmw中，富水性丰富，单井流量＞1000 m3/d。

(2)岩溶水:分为覆盖型与埋藏型两类，分布于C、Ds、Dq中，富水性中等，单井流量100 m3/d ～1000 m3/d。

(4)浅变质岩裂隙水:赋存于震旦系(Pt)地层中，水量贫乏，井泉流量 ＜0.1 L/s，径流模数 ＜1 L/s·km2。

一般地，与工程建设关系密切的浅层地下水以孔隙水为主，赋存于各阶地砂砾石层中，其流向受基底和地势的控制。Ⅰ、Ⅱ级阶地的富水性相对于Ⅲ、Ⅳ级较好，Ⅴ、Ⅳ级阶地中的地下水之间存在一定的联系。按照湘江与浏阳河之间的阶地可将本区浅层地下水为4个区(表1)。

长沙市浅层地下水分区一览表 表1

2.3 地下水的补、排、径流特性［13］

补给:水平方向上由南往北、高阶地向低阶地;垂向上，下伏土层接受上覆土层的渗透补给;

径流或越流:地下水向低阶地径流，低阶地的地下水向河谷径流。径流方向大体与河流方向垂直，特殊情况下，地下水向基底低洼处或沿断裂带径流。局部地段，地下水径流因开采而向集水构筑物运动。在垂向，下伏砂卵石接受大气降雨穿越上覆土层越流补给。

排泄:主要为泉、蒸发和人工开采。在沟谷切割较深部位，多以泉的形式排泄，如白沙井即Ⅲ级阶地的砂卵石层在斜坡地带被切割自然溢流的侵蚀下降泉。

2.4 地下水动态特征

孔隙水:具有埋藏浅、变幅小，季节性变化明显等特征，主要受大气降水及江河水位的影响。主城区地下水受大气降水影响较弱，水位动态变幅较小1 m～3 m，外围地下水变幅一般5 m～8 m。根据湖南省地质环境监测总站对主城区3口长期观测井的资料(图3)显示，除鸳鸯井水位因城市建设引起地下水径流场改变而呈阶段性、缓慢下降趋势外，其他两个监测点地下水位相对比较稳定，并且呈周期性变化，明显的丰枯季。浅表地下水位动态总体稳定。

图3 1999－2009主要观测井水位变化图(据湖南省地质环境监测总站)

岩溶水:动态受大气降水影响随季节变化，雨季上升，旱季下降，总体变幅较小，年变幅1 m～2 m。基岩裂隙水大部分为潜水，深部覆盖型的基岩由于受补给的限制，富水性弱。

浅部的基岩裂隙水:主要靠大气降水补给，储存于裂隙中，存储空间有限，动态特征具季节变化，变化较大。

3 关于抗浮设防的讨论

3.1 抗浮设防的必要性

在上世纪90年代之前，抗浮设防问题并没有引起足够重视。随着城市高层建筑及超高层建筑大量兴建，地下室及超深地下室，纯地下室及地下广场等超补偿建/构筑物出现，地下水对基础工程影响日渐突出而引起工程界广泛关注。一般地，高层建筑的地下室在建成之后的使用阶段，抗浮很少有问题，抗浮问题严重的是纯地下车库或地下广场式建筑，其上覆荷载有限，使用期间的抗浮验算一般难以通过，需要考虑抗浮措施。此外，地下室施工阶段的临时抗浮是当前最为普遍的。当地下室侧墙已经施工完毕，如果场地没有采取降水措施或者已经停止了降水，此时若上覆荷载过小，将可能导致危险情况的发生。

现行规范针对地下水勘察、设计的要求 表2

3.2 抗浮设防水位

给予“抗浮设防水位”明确定义的是《高层建筑岩土工程勘察规程》(JGJ72 －2004，J366 －2004)［14］，而其后修订的《岩土工程勘察规范》(GB50021－2001)［15］(2009年版)及《建筑地基基础设计规范》(GB50007 － 2011)［16］都相应地给予了重视(表 2)。GB50007－2011在3.0.2条规定“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”，为强制性条文。第3.0.4条文规定地基基础设计前应进行岩土工程勘察，“尚应提供用于计算地下水浮力的设防水位”，明确设防水位应通过岩土工程勘察确定。

据规程JGJ72－2004解释，抗浮设防水位(water level for prevention of up－floating)是指“地下室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位”。抗浮设防水位能确保建筑在使用期间安全，简言之，抗浮设防水位应是地下建筑在其使用年限内可能遇到的最高水位。

3.3 抗浮设防水位的确定

抗浮水位的确定是一个复杂问题，文献［14］第8.6.2条对场地地下水抗浮设防水位的综合确定提出了具体的要求:

(1)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;无长期水位观测资料或资料缺乏时，按勘察期间实测最高稳定水位并结合场地地形地貌、地下水补给、排泄条件等因素综合确定;

(2)场地有承压水且与潜水有水力联系时，应实测承压水水位并考虑其对抗浮设防水位的影响;

(3)只考虑施工期间的抗浮设防时，抗浮设防水位可按一个水文年的最高水位确定;

(4)当地下水赋存条件复杂、变化幅度大、区域性补给和排泄条件可能有较大改变或工程需要时，应进行专门论证。

抗浮设防水位的确定，应以区域水文地质条件为基础，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。岩土工程师在提供建筑场地的抗浮设防水位时，尤其要避免以下不良倾向［6］:

①只表述初见/静止水位，不明确抗浮水位;

②临近江河场地不考虑最高洪水位影响;

③唯业主要求是从，随意变改抗浮水位;

④不考虑勘察期间与建筑使用期撞地面标高发生变化，简单地提交勘察期水位;

⑤坡地建筑抗浮水位远高于设计地坪标高。

4 长沙地区抗浮设防水位取值分析

长沙地貌分为剥蚀构造丘陵与河流堆积阶地两大类，地形变化较大，对地下水抗浮设防水位进行分析时应因时因地而异，不应忽视新构造运动抬升、掀斜对含水层厚度及分布的影响，甚至将不同阶地含水层模糊化。研究表明新开铺组与白沙井组两个地质时期的新构造运动强度、幅度存在明显差异:新开铺组与洞井铺组为河流与湖泊交替出现的古地理环境的沉积物，当时的长沙在丰水期可与古洞庭湖连通［17］。白沙井组为河流沉积，物质来源主要是湘江及浏阳河两大水系，其底部的粗碎屑表明盆地周围有一段快速上升的历史［18］。不同阶地之间含水层并无联系或联系程度存在差异［19］。

4.1 Ⅰ级阶地

Ⅰ级阶地沿湘江、浏阳河及捞刀河两岸分布。由全新统橘子洲组和晚更新统白水江组冲积物构成。地貌上组成掩埋阶地，有些地段为嵌入阶地。软弱地层分布普遍，砂层较普遍，地下水多具承压性，地下水位与江河共涨落，是长沙地区管涌易化地段。且地势往往较低，雨季时常有内涝发生，抗浮设防水位通常可取设计室外地坪或道路标高。

当基坑开挖时，当开挖深度以内有强透水层及粉细砂层时，基坑设计、施工时尚应考虑江河最高洪水位影响，事实上，在长沙地区，每当汛期来临时，沿江/河两岸500 m以内均不允许基坑开挖。

4.2 Ⅱ级阶地

分布于湖南省第一师范至伍家岭，由中更统马王堆组冲积物所组成，为基座阶地或嵌入阶地，从上游到下游，后缘至前缘有所降低，略具岗丘化。

该类地段受江河水位季节性变化影响甚大，含水层主要为砂层与圆砾，二元结构清晰，地下水因季节性降水影响，由微承压—潜水间转化。其抗浮设防水位一般可取设计室外地坪标高以下1 m。

当前勘察设计者还应关注的一个问题是，湘江水利枢纽工程建成对沿江两岸地下水的抬升产生影响，影响最大者主要在Ⅱ级阶地范围内。目前，建设主管部门已着手考虑全城排水系统的改造，抗浮水位的研究也应提上日程。

4.3 Ⅲ级阶地

主要分布于湘江、浏阳河两岸，由中更新统白沙井组冲积物构成，为基座阶地或上迭阶地，嵌入Ⅱ、Ⅳ级阶地之间，岗丘化明显，地下水主要为潜水性质，当场地地形较平坦，且场地外围地形标高与场内标高相近或略低，其抗浮设防水位可取勘察期间的稳定水位。

但应该注意的，季节性降水可能导致地下水位骤升甚至内涝，基坑施工期间应保证排水的通畅和地下室坑侧肥槽土的及时回填与质量。否则，抗浮设防水位取室外设计地坪标高以下1 m～2 m，即常规的室外排水管道的埋置标高。位于梓园路的地下室抬升事故便是暴雨所致。

4.4 Ⅳ －Ⅴ级阶地

Ⅳ级阶地主要分布于湘江两岸，由早更新统新开铺组冲积物构成。地貌上主要构成上迭阶地，因侵蚀剥蚀、岗丘化明显。Ⅴ级阶地分布于新开铺－洞井铺－京广铁路南段一带，是区内最老阶地，由早更新统洞井铺组构成，被Ⅳ阶地新开铺组冲积层掩埋，构成掩埋阶地，部分因剥蚀出露地表，形成基座阶地。

Ⅳ－Ⅴ级阶地是长沙主城区地势较高地段，与湘江河流的水力联系基本没有关联。一般可取勘察期间的最高水位并结合场地及其外围地形取值。当场地外围地面标高低于场地内标高时，取场地内设计地坪标以下2 m～3 m或场外地坪标高。

须注意的是，该地段受新生构造运动影响，多岗丘化，常是建筑场地施工大面积削方或填方区，如一味根据勘察时观测到的地下水位确定抗浮水位常失之公允，应结合场地平整后地形确定抗浮设防水位。

4.5 坡地(丘陵/山地)

在长沙经常会遇到建筑群沿坡而建，地下室相连的情况，水是往低处流的，坡地上下端水位常形成一定水头差。对于斜坡地段的地下室或可能产生明显水头差的场地上的地下室进行抗浮设计时，应考虑地下水渗流在地下室底板产生的非均布荷载对地下室结构的影响。若取上游水位值为抗浮水位就会增加建设成本、取下游水位为抗浮水位，抗浮设计得不到满足容易发生事故。

有观点认为，对高低不平场地，可按建筑物外墙最低处的地而标高估算抗浮，失之偏颇。文献［20］考虑到坡地地下水渗流的复杂性，根据改进阻力系数法原理和渗流基本理论推导出计算承压水、潜水两种不同类型的坡地地下结构浮力计算公式，提供了一种简单的计算方法，值得借鉴。

4.6 可不考虑地下水影响的情况

当地下建筑物完全埋置于无水的土层内，周边的水不能渗入基底，地面水也不能渗入基底，可不考虑水的浮力作用。但须满足以下条件:

(1)地下建筑物所在场地无积水，雨水及其他地表水应有组织地及时排走。

(2)地下建筑物基底以上无杂填土、砂类土、粉土等透水层，或虽有上述透水层，但层厚较薄，且不赋存潜水或承压水，可以采取有效的隔、排水措施者。

(3)基坑侧壁回填土必须采用压实的不透水的粘性土或灰土，压实系数不小于0.93。

(4)地下室外墙防水层及保护层不形成水通道。

此外，尚宜采取基础及底板砼原槽浇灌，超挖部分以砼回填，地面外墙周边设砼散水等措施。

5 结语

(1)长沙地区地下水的类型相对简单，对建筑工程影响者主要为第四系地层中的孔隙水。但不同地段的地下水性质存在较大差异，水力联系也不尽相同，抗浮水位的取值须结合水文地质环境综合确定。

(2)抗浮水位的确定直接关系到地下结构防水、防渗设计、外墙及底板结构设计、抗浮稳定性验算。合理的确定方法应通过对长期水位观测的数据为基础，而长沙城区仅有少量长期水文观测成果可资参考，系统设置长期水文地质观测孔，正是长沙地区亟待解决的问题。

(3)湘江水利枢纽建成蓄水后，必然会对本地区的地下水赋存条件、变化幅度以及区域内地下水的补排关系造成影响，建议相关部门根据工程需要，进行专门论证。

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