兰州市地铁2号线一期工程抗浮防渗水位取值方法分析

郭红东，郑 伟，徐 静

（1.甘肃省地矿局第二地质矿产勘查院，甘肃 兰州 730020；2.甘肃水文地质工程地质勘察院，甘肃 兰州 730020）

大型的地下停车场、地铁站等纯地下轻载构筑物，属于超补偿式基础，基础开挖较深，挖土卸载量较大，结构荷载很小，在地下水位较高的地区，在施工及使用阶段，结构的抗浮防渗就成了关键问题，也是岩土勘察过程中的重点及难点问题，更是一直以来研究的热点问题。抗浮水位取值，关系到地下构筑物是否采取抗浮措施，若取值过高，则增加大量的增加结构自重或抗拔桩等措施，若取值太低，则在构筑物修建及建成后，由于地下水浮力造成结构开裂、渗水，甚至浮起失效，国内以发生多起此类安全事故[1-6]。兰州市地铁2号线一期是城区的主要交通干线，起点为东方红广场，重点至雁北路，起到城关区雁滩片区、火车站与地铁1号线的纵向贯通作用，城关区地下水位埋藏较浅，合理确定抗浮水位参数，是地铁工程建设及运营中采取抗浮防渗措施的关键。

1 工程概况

兰州市城市轨道交通2号线一期工程（东方红广场-雁北路段），起于东方红广场站，与1号线换乘后，转向平凉路敷设，后继续向南向东进入火车站东路，至火车站与3号线、5号线（新区线）换乘，之后线路经排洪南路过渡后向北转，沿瑞德大道向北敷设，至五里铺与1号线换乘，至雁园路与4号线换乘，至全线终点雁北路与3号线换乘，设置2、3号线联络线。全长9.06km，设站9座（含东方红广场、五里铺）车站，设一座停车场（排洪南路停车场）（如图1所示）。

图1 兰州地铁2号线一期工程沿线地貌图

2 地铁2号线沿线水文地质特征

兰州市地铁2号线一期工程通过的地貌单元为侵蚀堆积河谷阶状平原，地势低缓平坦，包括黄河Ⅰ～Ⅱ级阶地和河漫滩，其中以Ⅱ级阶地最为发育，其次为Ⅰ级阶地，海拔1510～1530m左右，地下水赋存为单一潜水为主，主要含水层为砂卵砾石层。河谷冲积层孔隙潜水主要分布在黄河两岸的Ⅰ、Ⅱ级阶地及漫滩地带。在不同的地带，地下水的埋藏，富水性变化很大，总体趋势自黄河阶地向山前呈减弱态势。按照微地貌类型具体划分为：①漫滩：以雁滩分布最广，水位埋深1～5m，砂砾石层含水，厚 8～13m，含水层渗透系数 60～70m/d，富水性变化大，为100～3000m3/d。②Ⅰ级阶地：分布在东方红场-五里铺一带，含水层为砂砾石，厚3～6m，水位埋深3-5m，渗透系数为22.7m/d，富水性弱，单井涌水量100～500m3/d。③Ⅱ级阶地:沿火车站一带呈东西向展布至东岗镇，含水层为砂砾卵石，厚5～12m，阶地前缘水位埋深10m左右，后缘埋深达15～20m，富水性弱，一般单井涌水量 100～500m3/d。兰州市黄河南岸阶地河谷潜水主要接受大气降水及南部山区基岩裂隙水的补给，沿途接受城市生活用水下渗补给，自西南向北东径流，最终排泄于黄河，构成了完整的地下水循环系统[7]。

3 地铁2号线沿线地下水动态变化趋势

地下水动态系指地下水水位、水量等要素随时间和空间变化的规律。影响兰州市地下水动态的因素，可归纳为自然因素和人为因素。如大气降水、水文及人工开采、污水入渗等，都影响着兰州市区地下水的动态变化。按照地铁2号线通过的阶地类型具体划分如下：

1）漫滩。该段位于近黄河地带的雁滩地区。该区距黄河近，地下水动态受到黄河地表水动态制约，与黄河地表水动态关系十分密切。地下水位变化幅度大，其基本特点是在地表枯水期时，地下水水位降低，丰水期黄河水位升高，地下水水位也相应升高[8]。根据已有的监测资料分析，地下水位年变幅为 2.26～3.65m。

2）Ⅰ级阶地。该区以赋存单一潜水为主，地下水类型为东岗地区黄河河谷松散岩类孔隙潜水，含水层岩性主要为砂、卵砾石，该层水的天然动态类型为渗入-径流动态类型，主要接受大气降水和侧向径流补给，地下水径流条件较好，以侧向径流为主要排泄方式，最终排泄于黄河，多年来该层地下水位相对比较稳定。根据已有的监测资料分析，地下水位年变幅为1.04～1.99m。

3）Ⅱ级阶地。该区段地处火车站-至排洪南路一带的黄河南岸Ⅱ级阶地区，该区以赋存单一潜水为主，地下水类型为黄河河谷松散岩类孔隙潜水，含水层岩性主要为砂、卵砾石层，该层水的天然动态类型为渗入-径流动态类型，主要接受大气降水和侧向径流补给，地下水径流条件较好，以侧向径流为主要排泄方式，最终排泄于黄河，多年来该层地下水位相对比较稳定。根据已有的监测资料分析，地下水位年变幅为0.29～1.04m。

4 抗浮防渗水位的确定方法

《岩土工程勘察规范》[9]及《高层建筑岩土工程勘察规程》[10]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。

依据相关规范，结合兰州市地铁2号线一期工程勘察资料，通过对地下水动态变化规律及影响因素分析，以长期动态资料中的历史最高水位为基础，同时考虑地表水体、地下水开采、黄河百年洪水位及地下工程建设对地下水位的影响，综合确定抗浮水位的设计原则，具体分析如下：

1）降水渗入。根据地下水动态资料分析，潜水水位的变化与年内降水的分布密切相关，对于兰州地铁抗浮水位设防标准以百年降水量形成的地下水位最高值作为抗浮水位，即降水量保证频率为1%年份时地下水位最高值为抗浮水位。根据兰州市地下水监测成果，降水量保证频率为25%时，地下水位高于保证频率50%年份约2～3m。根据多年地下水动态监测数据反映，年内变化看，径流条件较好漫滩区及傍河地带水位变化受降水影响滞后时间较短，一般在7～9月降水量大，河流流量大，地下水表现为高水位期，3～4月份一般为旱季，降水量少，各沟谷地表水补给地下水量少，表现为低水位期。在Ⅱ级阶地后缘及其高级阶地区，高水位期滞后期一般出现在11～12月或翌年的1～2月份，低水位期出现在5～7月份，一般滞后期长，一般2～4个月左右。

2）河流洪水位。工程场区距黄河较近的场地，由于地下水受黄河地表水的补给，径流条件较好，水力联系密切，地下水与地表水具有同步涨落的特征，甚至地表水的微弱变化都能在地下水中反映出来，百年一遇的洪水对傍河地带地下水水位有较大的影响。

3）地铁工程的建设。兰州地区地形南北高，中间低，地下水流向与地形基本一致，由南西向东北朝黄河方向径流，而基本南北向展布的兰州市轨道交通2号线的修建，将改变局部地段地下水的流向和水动力特征，集中表现在地铁主体工程结构底板位于不透水地层时，对地下水有阻挡其径流的作用，使地下水局部产生雍高，可通过地铁含水层的三维渗流计算，了解兰州地区不同时间和不同工况下潜水位的变化情况，验证此次地铁二号线抗浮防渗水位计算，建立数值模型来研究，选用先进、用户界面友好的MODFLOW软件预测水量变化，计算地下水局部雍高高度。

根据上述各区域水位动态特征，以长期观测资料中历史最高水位为基础，结合工程重要性、地表水体、河流洪水位、人工开采、地下工程的建设等因素来预测场区远期最高水位，作为兰州市地铁2号线一期工程的抗浮水位。

5 结论

1）建设工程抗浮防渗水位是一个非常复杂的问题，准确的评价的前提是建立大量的长期监测数据，收集历史最高水位，通过对影响抗浮水位因素的分析，进行工程建设后的水位雍高预测，最终确定较为合理的抗浮防渗水位。

2）地铁主题结构完成后，对基坑肥槽回填须用弱透水性材料回填密实，并按国家、地方规范的规定进行施工和质量检验，防止大气降水直接入渗造成结构底板处局部压力增大。

3）在地铁线路工程沿线及周围部署地下水动态监测点，进行地下水位动态监测，为施工期间和施工后有可能改变地下水位、流动方向及造成的水文地质问题做好必要的工作。