水库浸没区浅埋基础临界埋深的计算方法探讨

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(1. 长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉 430010；2. 长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010)

1 研究背景

水库浸没是水库蓄水使水库周边地区地下水位壅高而引起土壤盐渍化和沼泽化、建筑物地基沉陷或破坏、地下工程和矿井充水或涌水量增加等灾害现象的统称[1]。

随着我国开发利用水能和水资源的推进，现许多拟建、在建水电站、水库及城市水景观项目等，都位于相对平缓的河道上，蓄水都会不可避免地改变原有的地下水建立的动态平衡，引起地下水位壅高。在长期高水位运行下，地下水会对库区城镇建筑物产生浸没影响。考虑到水库浸没对建筑物安全性的影响，若全部拆除重建，将耗资巨大，而且也带来非常繁杂的移民安置问题。针对一些建筑年代较近，结构安全状态良好的建筑物进行防护即可以获得良好的经济效益和社会效益，而地基规范中尚无关于水库浸没区建筑物基础地基承载力计算的内容。

因此，必须加强水库浸没对建筑物地基承载力影响的研究，建立水库浸没区浅埋基础临界埋深的计算方法，分析地下水位上升对不同建筑物基础形式的地基稳定性影响以及确定安全影响深度，评价库区浸没建筑物安全性能和防护经济性，提出相应处理措施，为浸没区建筑物安全鉴定及防护提供依据。

2 水库浸没对建筑物地基影响的机理

随着水库建成、蓄水，库区建筑物地基将长期在高水位运行，在特定的地形地质条件下，地下水会对库区建筑物产生浸没影响，地下水位壅高到距浅埋基础一定距离将影响建筑物的地基承载力。当建筑物的地基承载力≤建筑物地基应力，所对应地下水位至基础底面距离就是建筑物的临界埋深。地下水位的上升对建筑物浅理基础的影响尤为明显。

在地下水位较低时，建筑物地基土体的含水量较小，土地处于非饱和状态，其黏聚力和内摩擦角相对较大，土体均能满足建筑物对地基的承载力和变形的要求。当地下水位上升时，地下水位对地基承载力的影响有2种可能[2]：①淹没在水下的土，由于失去由毛细管应力或弱结合力所形成的表观凝聚力，使其承载力降低，同时，由于含水量的变化导致土体从非饱和状态变为饱和状态，也可能影响土的内摩擦力；②由于地下水的存在，使土的有效重量减小而降低了土的承载力，最终表现在地下水位以下形成软弱持力层。

3 水库浸没土工试验

为了研究浸没对建筑物地基土体的影响，笔者专门开展了建筑物地基土体物理力学特性试验研究，包括天然含水率、天然密度、比重、颗粒分析、液塑限、湿陷、不同饱和度直剪、不同饱和度压缩等试验[3]。图1(a)、图1(b)分别为典型低液限黏土压缩指标和固结快剪强度指标随饱和度的变化规律。

(a) 压缩指标

由图1可知，低液限黏土的压缩指数随饱和度的增大而增大，压缩模量随饱和度的增加而减小；固结快剪强度指标黏聚力和内摩擦角均随饱和度的增加而减小；压缩指数和压缩模量随饱和度变化的敏感程度几乎相同，而黏聚力随饱和度变化的敏感程度较内摩擦角大。由此可知，地下水位的上升将导致地基承载力的降低，验证了上述地下水位对地基承载力影响的第①种可能。

因此，以低液限黏土为地基的浅埋基础，水库浸没将影响地基承载力，危及建筑物的安全。

4 结构计算模型

按国家《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2011)[4]对弹塑体模型做如下基本假定：①理想弹塑体采用了Flament解；②不考虑土的压缩；③极限平衡条件由莫尔理论控制，泊松比μ=0.5；④平面问题的求解，三维不修正[5]。

4.1 地基承载力特征值

建筑物基础作用力偏心矩≤0.033倍基础底面宽度时，可用土的抗剪强度指标确定地基承载力特征值，其公式为

fac=Mbγb+Mdγmh+McCk。

(1)

式中：fac为由土的抗剪强度指标确定的地基承载力特征值；Mb，Md，Mc均为承载力系数，其值参考文献[4]；b为基础底面宽度(m)；h为地下水位至室外地面标高间距离；Ck为地下水位下基础一倍短边宽深度内土的黏聚力标准值；γ为地下水位以下土的浮重度；γm为地下水位以上土的加权平均重度。

由此可知，地基承载力与地基土体的黏聚力、内摩擦角和基础底面上下部土体重度有关，因此，地下水的赋存状态和动态变化对地基承载力的影响显著。

4.2 建筑物基础安全深度计算

根据对建筑物浸没机理的分析，采用低液限黏土的力学特性试验成果，地基承载力特征值公式中，当地下水位上升与基础底面的距离在某个定值时，则会出现地下水位处土层的地基承载力跟该处的建筑物附加应力与土自重应力之和相等。该定值即为地下水位上升影响安全深度，如图2所示。当地下水位位于该定值深度以下时，可以不考虑其对地基承载力不利影响；当位于该定值深度以上时，则需要考虑这种不利影响。对于浸没而言，该影响安全深度与基础埋深之和即为安全超高。当地下水位在该浸没安全超高以下时，可以不考虑浸没对建筑物的不利影响；反之，则需要考虑浸没对建筑物的不利影响，将该建筑物划到浸没处理区范围内[6]。

图2 浸没建筑物地下水位安全超高

为了求解建筑物基础安全深度，主要应满足地下水位处的地基土层应力验算公式[7]：

pz+pcz≤faz。

(2)

式中：pz为相应于荷载效应标准组合时，地下水位顶面处的附加应力值；pcz为地下水位处土的自重应力值；faz为地下水位处经深度修正后地基承载力特征值。

对条形基础和矩形基础，式(2)中的pz值可按下列公式简化计算：

(3)

式中：l为矩形基础底边长度；pk为相应于荷载效应标准组合时，基础底面处的平均压力值；pc为基础底面处土的自重压力值；z为基础底面至地下水位顶面的距离；θ为基础压力扩散线与垂直线的夹角，可按表1[4]采用。

表1 基础压力扩散角θ

注：①Es1为上层土压缩模量，Es2为下层土压缩模量。②z/b<0.25时取θ=0°，必要时，宜由试验确定；z/b>0.50时θ值不变。

按水库浸没土工试验得到的低液限黏土的力学参数，通过地基承载力特征值计算公式，分别计算各种地下水位的饱和状态土的地基承载力特征值fac。

按建筑物基础宽度、埋深以及地基持力层特征等资料，采用天然状态低液限黏土土体力学参数，将地基承载力特征值计算公式的计算结果作为地基作用力，计算不同深度土体附加应力值pz。

按水库浸没土工试验低液限黏土土体力学参数，计算天然状态低液限黏土不同深度处土的自重应力值pcz。通过作图(见图3)，绘出在不同深度土体自重应力值加土体附加应力图，按统一高程，再与不同地下水位的饱和状态土的地基承载力特征值图进行比较，图解的交点得出地下水位至基底影响安全深度z值，即为地下水位对建筑物浸没的临界埋深。

图3 地基承载力影响深度分析

5 结 语

通过对库区浸没建筑物的影响安全深度临界值的确定，为解决库区浸没建筑物处理区划定范围提供参考。同时为浸没建筑物基础加固计算方法，寻找一种理论基础，为国内类似工程提供一定经验。

参考文献：

[1] DLT 5336—2006，水电水利工程水库区工程地质勘察技术规程[S]. 北京：中国电力出版社，2006.(DLT 5336—2006, Technical Code of Reservoir Area Engineering Geological Investigation for Hydropower and Water Resources Project[S]. Beijing: China Electric Power Press，2006.(in Chinese))

[2] 黄汉球. 结构分析在确定水库浸没临界埋深中的应用[J]. 红水河, 2011，30(3)：33-36. (HUANG Han-qiu. Structure Analysis in Study of Critical Embedding Depth of Reservoir Immersion[J]. Hongshui River, 2011，30(3)：33-36.(in Chinese))

[3] 长江科学院. 重庆长江小南海水电站水库浸没问题土工试验研究[R]. 武汉：长江科学院，2011.(Yangtze River Scientific Research Institute. Test Study of Submerged Soil in Chongqing Yangtze River Small Water Power Station Reservoir[R]. Wuhan：Yangtze River Scientific Research Institute，2011.(in Chinese))

[4] GB50007—2011，建筑地基基础设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2012. (GB50007—2011，Code for Design of Building Foundation[S]. Beijing：China Architecture and Building Press，2012.(in Chinese))

[5] 张在明. 地下水与建筑基础工程[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2001.(ZHANG Zai-ming. Groundwater and Building Foundation Engineering[M]. Beijing：China Architecture and Building Press，2001.(in Chinese))

[6] 曹 洪, 李 俊, 符能江, 等. 减轻潮州城区浸没影响的工程措施及效果分析[J]. 长江科学院院报, 2009, 26(10): 137-141. (CAO Hong, LI Jun, FU Neng-jiang,etal. Engineering Measures and Their Effect Analyses to Reduce Immersion Effects of Chaozhou City Zone[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2009, 26(10): 137-141. (in Chinese))

[7] 张孟喜. 土力学原理[M]. 武汉：华中科技大学出版社，2007.(ZHANG Meng-xi. Principles of Soil Mechanics[M]. Wuhan：Huazhong University of Science and Technology Publishing House，2007.(in Chinese))