西安市建筑工程抗浮設防水位研究

劉 君 羅云海 邱祖全 王曉燕

(中國有色金屬工業西安勘察設計研究院有限公司，陜西西安 710054)

0 引言

西安市為全面加快國家中心城市和具有歷史文化特色的國際化大都市的建設步伐，在城市面積逐步擴大的同時，向地下空間發展，如建筑物之間的綠地或廣場下面單設地下車庫、地下商場、下沉式廣場及人防工程等，同時為緩解交通壓力而大力發展城市軌道交通，這些建(構)筑物在地下水位較高時，需要考慮抗浮設計，如何準確、客觀地確定建筑場地的抗浮設防水位是工程建設難題。雖然國家標準[1-2]和行業標準[3-4]對抗浮設防水位的定義、預測和影響因素做了明確的規定，同時國內諸多專家、學者在如何確定建筑物的抗浮設防水位、浮力計算及其影響因素方面進行了分析和研究[5-14]。其中，張思遠提出確定抗浮設防水位的方法為：地下水最高水位=①勘察期間該層地下水最高水位+②該層地下水位在相當于勘察時期的年變化幅度+③可能的意外補給造成的該層水位上升值[6]，但如何確定第②、③項內容較為困難。第②、③項內容不能直接來自于試驗，也不能在短期內獲得觀測，是需要綜合考慮多因素的預測值，涉及到水文、氣象、地形、地貌、區域地質條件、場地地質條件；地下水類型、各層地下水水位及其變化幅度、歷史水位的變化及幅度；地下水的補給、徑流、排泄等條件；城市規劃、鄰近工程降水及城市生態補水等。

針對西安市建筑工程抗浮設防水位有關的分析研究較少，實際工作多依賴于場地巖土工程勘察報告提供的地下水位，由于缺乏一定的綜合預測性，建筑物后期影響使用功能的事故時有發生，因此，存在抗浮問題的抗浮設防水位的確定應引起重視。本文結合西安市地貌、地層結構、氣象、水文、歷史年際水位、年內變化幅度、地表水體、鄰近工程建設等對地下水位的影響程度，并結合工程實例對本地區抗浮設防水位取值問題進行分析與研究。

1 西安市地下水類型

西安市位于黃河流域中部關中盆地，北臨渭河，南依秦嶺，規劃區內沉積了第四紀以來巨厚的沖洪積及風積層，蘊藏著豐富的地下水資源。根據地下水賦存條件分為潛水和承壓水兩類，由于承壓水埋藏較深，對工程建設影響不大，故只考慮潛水作用。潛水的補給有大氣降水、地表水入滲、外徑流補給及承壓水越流補給等；排泄方式為徑流排泄、人工開采、潛水越流排泄及蒸發消耗等；流向與地形總體坡度一致，自東南向西北，即從東南部的黃土塬區流向西北部的沖洪積階地，地下水位埋深沿流向呈現逐漸變淺的趨勢。

2 抗浮設防水位的影響因素

2.1 地貌與含水層

(1)河漫灘及低階地

主要分布在渭河、浐灞河兩岸，含水地層為全新世、晚更新世沖積形成的砂、砂礫石以及黃土狀土、粉質黏土等，巖性疏松，顆粒粗，透水性好。含水層厚度大且比較穩定，滲透系數20～80 m/d，其富水性從河漫灘向低階地逐漸變差。

(2)二級階地

分布在渭河及支流的二級階地，含水地層為晚更新世黃土、沖洪積粉質黏土和砂礫石層。上部黃土透水性差，滲透系數2～5 m/d，下部沖洪積層隨所在河流階地的不同，其透水性有明顯的差別，渭河二級階的砂礫層滲透系數一般為40～60 m/d，河一、二級階地的砂礫石層厚度較薄，約2～5 m，滲透系數一般為20～40 m/d。

(3)三級階地、黃土梁洼及黃土塬

三級階地分布于浐河東西兩岸，黃土梁洼分布于西安市中南部，黃土塬分布于西安市東南部。含水地層為中更新世黃土和古土壤，滲透系數為5～15 m/d，中等透水性。

根據各地貌含水層的滲透性、地下水補給、排泄條件，結合前人的研究成果[15]，在不同地貌單元中確定抗浮設防水位應從以下幾點考慮：河漫灘地下水位受降雨及徑流的影響較大；一級階地地下水位受降水入滲的影響較大；二級階地地下水位受降水入滲和人工開采的影響較大；黃土梁洼、黃土塬地下水位受人工開采及鄰近場地工程降水的影響較大。

2.2 氣象

西安市氣候為溫暖帶半干旱、半濕潤大陸性季風氣候。春季易旱，溫差變化較大；夏季降水集中，旱澇頻發；秋季陰雨連綿，冷熱多變；冬季降水較少，干燥而寒冷。年平均氣溫13.3℃，最高值出現在7月，最低值出現在1月。多年平均蒸發量898.9 mm；年均降水量603 mm，降水量年際、年內分配也不均勻，7—9月降水量占全年降水量的60%以上，12—1月降水量最少，僅占全年降水量的3%左右，且豐水年與枯水年降水相差最大可達3倍。

降水是地下水的重要補給來源，其季節性和年際變化規律對區內地下水位動態變化有直接影響。入滲補給系數一般從河漫灘、河流階地、黃土梁洼、黃土塬等不同的地貌單元隨地下水位埋深增大和包氣帶巖性滲透系數變小而減小，由0.65減小至0.1甚至更小，因此水位年變化幅度也由大變小。

2.3 水系

區內河流屬于渭河水系，自古有“八水繞長安”之說，境內有渭河、涇河、灞河、浐河、灃河、滈河、潏河、澇河八水，除此周邊還有黑河、石川河、零河等較大河流。

河流補給是除降水之外的地下水又一大補給源。河流從秦嶺山區進入山前平原區，流速驟然減小，導致了大量的滲漏，甚至滲漏殆盡，全部補給淺層地下水；河流中游段，河水對潛水的補給是季節性的；有些河流在匯入渭河前常年補給地下水；渭河在豐水期大量補給兩岸地下水。近年西安市在河道內修建了大量的橡膠壩，使局部地段河流水位抬高，因此，在傍河段的建筑抗浮設防水位應考慮河流補給及河面水位抬升的不利影響。

2.4 歷史年際水位變化

根據西安市地下水動態變化研究資料[16]，依據1965—2010年地下水觀測資料，繪制的西安市區地下水位平均埋深的年際變化曲線(見圖1)。

圖1 地下水位年際變化曲線

分析圖1可知，西安市在1965—2010年46年間地下水位埋深總體呈下降趨勢，下降了20.6 m，平均每年下降0.45 m。1998年以后，地下水位下降速率有所減緩，主要原因是黑河供水工程啟用，減少了地下水的開采量，并封停了部分自備井，目前西安的供水系統由原來的地下水為主逐步轉變為以黑河引水工程為主導的地表水供水系統，地下水位有所回升，但由于氣候和生態環境的改變，即便采取各種措施，水位恢復到50年前水平已不大可能，采用歷史最高水位作為抗浮水位不盡合理，應在歷史最高水位基礎上綜合考慮進行取值。

2.5 水位年內變化幅度

根據長期水位觀測資料[16]，分別繪制河漫灘、一級階地、二級階地、黃土塬地貌上的年內水位變化曲線見圖2。

圖2 地下水位年內變化曲線

分析圖2可知，12—3月為全年整體高水位期，之后水位開始下降，由于受地貌、含水層巖性、水位埋深、包氣帶巖性滲透性能的影響，河漫灘在6月處于低水位期，一、二級階地在7月處于低水位期，黃土塬在9月處于低水位期。表明不同的地貌單元降雨補給的滯后作用的時間也不同，以6月進入雨季計，河漫灘、階地、黃土塬分別滯后1個月、2個月和4個月。勘察報告所提供的豐水期和枯水期通常都是按降水量來劃分，并不代表地下水的豐水期和枯水期，而應根據上述變化規律綜合判斷勘察期間地下水所處水位狀態。

2.6 地表水體及城市生態補水

隨著西安城市進程的加快，政府規劃建設了多個人工湖、沿河橡膠壩及多種水景生態工程，水景工程雖然采取了防滲措施，但滲漏問題依然存在，根據曲江湖建設前后對地下水位動態變化的觀測研究資料[17]，繪制了建湖前后水位年內動態變化曲線見圖3。

圖3 蓄水前后地下水位動態變化

圖3表明，在2008年建湖蓄水后，周邊地下水位整體呈緩慢波動上升趨勢，與建湖前地下水位年內變化有明顯差異，說明曲江湖對周邊地下水動態產生了影響。因此，抗浮設防水位應考慮場地周邊地表水體及城市生態補水對地下水的影響。

3 工程案例

3.1 案例一

西安高新區某新建工程項目，位于河池寨立交東側，場地原為村莊和農田，四周除新建道路外，沒有別的建筑物。地貌單元屬河一級階地，地層從上到下依次為黃土狀土、中砂(該層較薄，局部為透鏡體，分布不連續)、粉質黏土等，根據相關文獻[18]該地區地下水年變化幅度大于2 m。該項目于2011年進行了場地巖土工程勘察工作，于6月、7月和10月分三個階段進行，每個階段測量的地下水位見表1。

表1 地下水位觀測值

勘察期間西安市進入雨季，水位變幅較大，最大可達5.44 m， 7月水位最低，與2.5節所述一、二級階地在7月處于全年低水位期相一致。通過該工程案例，在一、二級階地確定抗浮設防水位時，應注意勘察期間地下水位是處于豐水期、平水期還是枯水期，并關注地下水位的年變化幅度。

3.2 案例二

位于西安太華路黃土梁洼地貌上的某工廠，自2004年至2007年間廠區內多次出現地面塌陷，甚至有建筑物地基下沉造成樓體開裂現象。于2008年5月調查發現：廠區地下水位比2000年水位整體上升了3.66～5.30 m，地下水浸泡防空洞造成坍塌而導致地面塌陷；同時水位上升使建筑物地基發生濕陷變形和地基軟化，造成建筑地基不均勻沉降、樓體開裂。

由于2001年黑河水利樞紐主體工程完成后，極大地解決了西安的用水問題，西安市的供水系統由原來的以地下水為主轉為以地表水為主，該工廠相繼關閉了廠內4個自備水井，導致地下水逐年上升。

因此，在確定抗浮設防水位時應考慮到西安市限制地下水的開采后，存在地下水整體緩慢上升的因素。

3.3 案例三

2019年12月，位于西安市南郊祭臺村黃土梁洼地貌上的某地下車庫室內地坪發生滲水現象，墻壁四周高約1.0 m的范圍有水浸出。于2020年3月調查發現，場地現地下水位高程為415.48～415.91 m，高出地下室室內地坪1.0 m，相比2011年12月勘察期間水位413.70～413.89 m整體上升2.0 m(12—3月屬豐水期)，平均每年上升約0.25 m；另外，距場地北側350 m處的在建地鐵5號線于2019年底全面停止降水，造成地下水位在短期內快速上升。

通過案例二、案例三，在確定抗浮設防水位時一方面應綜合考慮西安市因黑河引水工程的實施、地表人工湖、河流橡膠壩及城市生態補水工程所引起地下水位的整體上升，另一方面應考慮周邊工程降水的影響。

4 結語

(1)西安市地下水類型較為簡單，對工程建設有影響的主要為賦存于第四系地層中的孔隙型潛水。

(2)12—3月為全年整體高水位期，不同地貌單元地層對降雨補給的滯后作用不同，河漫灘、一二級階地、黃土塬分別滯后1個月、2個月和4個月，即分別在6月、7月、9月為低水位期。

(3)抗浮設防水位應在勘察期間查明的穩定水位的基礎上綜合考慮地貌、含水層巖性、氣象、水系、歷史年際水位變化、年內水位變化幅度、地表水體、城市生態補水及鄰近工程降水等多種影響因素。

(4)黑河引水工程實施后，西安市限制了地下水的開發和利用，同時海綿城市建設和生態環境趨于利好發展，使地下水位呈整體緩慢上升趨勢，應引起工程建設者的重視。