地下水浮托力危害及其計算應注意的問題

陳經明+蘭盈盈+王嘉昕+吳旺軍+王婷

摘 要：文章通過闡述地下水浮托力對建筑物的各種破壞作用，表明地下水浮托力的危害不容忽視，建設大型的地面建筑物時必須對地基以下的地下水進行勘測，對相應的浮托力進行合理的計算，并討論了地下水浮托力大小影響因素和實際工程中計算抗浮設防水位應注意的問題。

關鍵詞：地下水；浮托力；孔隙水壓力

中圖分類號：TU745.3 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2017）24-0032-02

1 概述

近年來隨著經濟的發展，我國大部分城市開始了對地下空間的建設，特別是一些大型城市。對城市地下空間的開發和利用不僅緩解了地面交通的擁堵問題，而且同時也拓寬了城市的商業區，但是在帶來好處的同時，對地下空間的開發也面臨一些問題。如：地下水的浮托力、地下水埋深過淺、地下基巖斷層等問題[1]。目前行業內對抗浮水位的計算沒有提出十分明確的計算標準或者計算依據，而且不同的規范對抗浮水位計算的要求不盡相同[2]。大多數學者在設計抗浮水位只是將其等同于最高水位，并按照阿基米德原理來計算浮力荷載。但是根據大量的現場實測孔隙水壓力數據顯示地下建筑物實際所受到的浮力值與按照最高水位所計算而得的靜水壓力值之間存在很大的差異，而且關于確定合理的地下水最高水位目前行業內并還沒有統一的計算方法[3]，在實際工程實踐中有許多需要修改的地方。會導致在經濟上不合理與設計上不合理的矛盾。本文主要依據孔隙水的壓力變化情況，分析討論地下水浮托力對于地下空間開發和地面建筑物的影響。

2 地下水浮托力的危害

2.1 地表或者地下建筑物整體性遭到破壞

由于地下水總水頭的不穩定性，特別是潛水和上層滯水受時間和氣候的影響很大，大氣降水和地表徑流是上層滯水和潛水的主要補給來源，蒸發和植物根部吸收是上層滯水和潛水的主要排泄方式，所以不存在長期穩定的水面，這就導致如果建筑物處于潛水或者上層滯水的上部的話，建筑物的基礎高程會隨時間發生不均勻及不可預測的變化，從而發生不均勻沉降，嚴重的話會導致建筑物整體性被破壞[4]。

2.2 地下室地面凸起或下沉

地下室是地下建筑物的一種主要形式，目前在大城市地下室的主要功能是作為停車場或者地下商場，所以地下室的穩定性也十分重要。如果地下室作為停車場，住宅小區地下室的負重是不穩定的存在著明顯的時間上差異，白天的負重會明顯低于夜晚，而商場的地下停車場的情況則是相反的。由于設計時沒有合理的計算地下水的總水頭，導致在地下室建設完成之后，實際的地下水頭與設計的地下水水頭不一致，從而出現地下室在實際運用過程中有凸起或者下沉的現象。所以計算地下室的抗浮水位應該適當的增加合理的系數。

2.3 建筑物整體傾覆

出現建筑物整體傾覆的情況還是比較少的，出現這種情況主要是由于地下水局部水位發生了較大的變化，可能是由于連降的暴雨或者地下水的隔水層突然遭到破壞使得潛水的原有水頭發生變化，建設在這部分地下水之上的工程項目可能會出現整體傾覆的現象。

3 浮托力產生原理及影響因素

3.1 浮托力產生原理

浮托力的產生是由于建筑物的基礎高程低于地下水的水頭以及建筑物邊壁受到地下水的壓力，根據阿基米德原理可以計算出地下水浮托力（F=ρgv）的大小，當然這只是純理論的分析與計算，實際情況較為復雜，主要表現在地下水位變化對浮托力產生影響，而實際地下水位由于補給量與排泄量的變化，其水位常常在一定范圍內波動，導致其孔隙水壓力產生相應的變化。

下面以野外監測地下水位埋深與孔隙水壓力的資料進行分析，討論浮托力與地下水埋深的關系，根據實驗數據繪制成果圖1。

3.2 浮托力大小影響因素分析

本次野外分別監測2m與4m深度處孔隙水壓力與地下水位埋深，監測時段為5日，時間為7～8月。從監測成果圖1可以看出隨地下水埋深增大，孔隙水壓力明顯減小，孔隙水壓力隨著包氣帶深度呈負相關關系，相關系數分別為-0.93、-0.96。這是由于包氣帶中的孔隙水主要補給來源是地表水以及大氣降水，所以在一定的地表水和大氣降水條件下隨著包氣帶深度的增加土壤含水率會不斷減少，土壤顆粒間的空氣增加，導致孔隙水壓力減少[5]。

通過對數據的整理和分析，可以得出孔隙水壓力的變化情況與巖土空隙中的飽水程度有密切的關系，當空隙中的水達到飽和的時候，孔隙水壓力則是最大值[6]。在計算孔隙水的飽和程度，應該排除無效的空隙。這是由于死端空隙中的孔隙水在地下水的均衡中不參與能量與流量的交替[7]。

4 工程中抗浮水位計算應注意的問題

通過監測數據分析以及浮托力大小影響因素討論，并結合實際工程中可能遇到的各種水文地質情況，為工程中抗浮水位計算提出幾點建議與看法：

（1）在查明區域的水文地質條件的前提下，首先應該明確建筑物地基影響范圍內的地下水類型以及補給來源。概略獲得地下水的補給量。

（2）確定區域地下水含水層的層數，以及不同含水層之間的補給關系。特別應當重視弱透水層在各含水層之間水力聯系的重要作用。

（3）查明工程項目所在地的地下水的水文地質條件。用來確定建筑物的基層所受的地下水浮托力。

（4）結合工程項目規模，工程項目規模決定了地基的深

度。地基的深度決定了建筑物所受的浮托力來自哪些含水層，以及各個方向上浮托力的大小[8]。

根據以上的建議在實際工程中選擇適合的抗浮水位必須結合具體的區域水文地質條件以及工程規模等。具體抗浮水位的選擇需要通過對長期的地下水監測資料進行分析整理、模擬校驗等。

5 結束語

綜上所述，孔隙水壓力大小的決定因素至少包括了孔隙水的補給速度以及巖土中的有效孔隙度。同時，在一個工程項目設計建設過程中應考慮地下水浮托力的計算，同時在經濟技術可行的條件下盡可能的對地下水進行適當的觀測，以獲得對工程項目建設具有實際意義的水文地質資料，求得適當的地下水抗浮水位，避免不必要的浪費。

參考文獻：

[1]何翠香.如何確定北京地鐵工程的抗浮設防水位[J].工程勘察，2015，12：747-751.

[2]劉亞洲，張曉玉.武漢長江一級階地段抗浮水位問題探討[J].土工基礎，2003，29（6）：4-5.

[3]李勝勇，韓華.建筑抗浮設計水位取值方法——以北京市某工程為例[J].2005，15（6）：58-62.

[4]宋向明.低洼地區建筑的抗浮設計與設防水位的合理確定[J].科學技術與工程，2016，16（35）：3-4.

[5]潘增志.蘭州地區某砂巖地基滲透性及其抗浮水位研究[J].巖土工程技術，2007，21（1）：16-20.

[6]劉冠群.建筑物廠區地下水位預測與抗浮水位確定——以青島啤酒城改造為例[J].中國海洋大學學報，2015，45（4）：4-6.

[7]孫保衛，徐宏聲，張在明.孔隙水壓力測試與建筑抗浮水壓力的確定[J].工程勘察，1998（3）：31-35.

[8]熊維，王瑞海，劉佳憶.如何確定場地抗浮設防水位[J].山西建筑，2012，38（23）：67-68.endprint