抗浮设防水位的推断及其作用分析

第２４卷　２０１０焦　第６期　

１２月　岩土工程技术　

Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　Ｖｏ１．２４　ＮＯ．６　

Ｄｅｃ，２０ｌＯ　

文章编号：１００７—２９９３（２０１０）０６—０２７７—０５　

抗浮设防水位的推断及其作用分析　李征翼　（中基发展建设工程有限责任公司，北京１０００２２）　

【摘　要】建议设立建设工程抗浮设防标准作为勘察设计的规范性技术依据，通过归纳抗浮设防水位推断计算公式，阐　述了最不利条件下各影响因素的涵义，明确其中的地下水位最大年季节性变幅应采用统计分析的上限分位标准值，同时提出　组合效应的分析思路；依据地层的水力连续性原理及实际的工程技术条件，分析了弱透水性土层中基础浮托力折减的风险　性；强调抗浮分析和设计中应将结构重力按抗力条件取值，并对抗浮设防水位应发挥的功用给予了一些说明。　【关键词】地下水位；浮托作用；设防标准；组合效应；概率分布，基础抗力　【中图分类号】ＴＵ　４６　【文献标识码】　Ａ　ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７—２９９３．２０１０．０６．００２　Ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ　Ｌｅｖｅｌ　ｆｏｒ　Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｕｐ－ｆｌｏａｔｉｎｇ　Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　Ｌｉ　Ｚｈｅｎｇｙｉ　（Ｃｈｉｎａ　Ｓｏｌｉｂａｓｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１０００２２，Ｃｈｉｎａ）　［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｔｏ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈ　ａ　ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ　ｆｏｒ　ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ　ｏｆ　ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ　ｂｕｏｙａｎｃｙ　ｏｎ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｄｅｓｉｇｎ，　ａｎｄ　ｇｉｖｅ　ｂａｓｉｓ　ｆｏｒ　ｓｉｔｅ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｓ．Ｆｕｒｔｈｅｒ，ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｆｏｒｍｕｌａ　ｆｏｒ　ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ　ｏｆ　ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ　ｌｅｖｅｌ　ｕｐ－ｆｌｏａｔｉｎｇ，ｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇ　ａｎｄ　ｅｘｐｌａｉｎｉｎｇ　ｔｈｅ　ｍｅａｎｉｎｇ　ｏｆ　ｅａｃｈ　ｆａｃｔｏｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ａｄｖｅｒｓｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，ａｎｄ　ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｂａｓｉｓ　ｏｆ　ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｆｏｒ　ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ　ｌｅｖｅ１．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｈｙｄｒａｕｌｉｃ　ｃｏｎｔｉｎｕｉｔｙ，ａｎｄ　ｏｎ　ｏｔｈｅｒ　ｒｅｌｅｖａｎｔ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ，　ｃｏｍｍｅｎｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｒｉｓｋ　ｏｆ　ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ　ｂｕｏｙａｎｃｙ　ｏｎ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｓ　ｂｕｉｌｔ　ｕｎｄｅｒ　ａｎ　ｉｎｆｅｒｉｏｒ　ｓｅｅｐａｇｅ　ｓｔｒａｔｕｍ，ｗｈｅｒｅ　ｔｈｅ　ｖａｌｕｅ　ｆｏｒ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｇｒａｖｉｔｙ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｃｈｏｓｅｎ　ａｓ　ａ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｄｕｒｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｕｐ－ｆｌｏａｔｉｎｇ．Ｉｎ　ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ　ｌｅｖｅｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｆｏｒ　ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ　ｏｆ　ｕｐ－ｆｌｏａｔｉｎｇ　ｃｏｕｌｄ　ｂｅ　ｒｅｌｅｖａｎｔ　ｉｎ　ｏｔｈｅｒ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ．　［Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ］ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ　ｌｅｖｅｌ；ａｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｕｐ－ｆｌｏａｔｉｎｇ；ｆｏｒｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｃｒｉｔｅｒｉｏｎ；ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ　ｅｆｆｅｃｔｓ；ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ；　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　

０引　言　随着建设工程技术的发展，地下水的水力作　用已成为建筑基础设计不可忽视的影响因素，抗　浮设防水位因此添补为岩土工程勘察工作的重要　分析内容和评价成果。受自然条件演变和人为性　环境改造等多重因素的交织影响，地下水的浮动　规律愈加表现出难以预测的复杂性，同时限于现　行推断原则和依据标准的不尽相同，且作为强制　性条文的抗浮验算［１］要求，仍缺乏详尽的指导性　约定，因此相关的勘察建议和结论经常会成为各　方的质疑焦点。　１设防标准　受季节性大气降水不均匀分配的气象条件及气　候变化和人工活动等因素的综合影响，浅层地下水　位通常呈现为按有限变幅起伏的年度周期性浮动和　定时期内持续上升或下降的年际总体趋势性变　化，因此地下水对建筑基础作用的浮托力为非衡定　值，其中峰值高水位的影响最大。　历史经验表明，地下水浮托力造成的危害通常　是在很短时间段内、甚至是瞬间发生的，但其作用后　果多表现为不易实现尽快恢复类建筑功能中断的一　系列不良反映，包括基础正常使用功能的损坏及上　部结构整体稳定性的破坏等，甚至还有可能引发次　生灾害。　出现在抗浮设防的最高地下水位【２］推断中关　于最大年度变幅取值及动态趋势见解等种种分　歧，表明习惯性预测分析模式中安全度的迷失，因　此也就不能排除其中隐伏的有被忽视的危害性　风险。　在此，我们必须清醒地意识到地下水位的升降　

作者简介：李征翼，１９６０年生，男，汉族，辽宁省锦州市人，大学本科，工学学士，高级工程师，国家注册土木（岩土）工程师，主要　从事岩土工程勘察设计和原位测试技术工作。Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｚｈｅｎｇｙｉ＠ｓｏｌｉｂａｓｅ．ｅｏｍ　２７８　岩土工程技术　２０１０年第６期　通常是一定地域范围内的整体现象，一旦水位升幅超　出预计的设防水平，所有潜在的安全隐患就会集中显　现，届时经济损失和社会危害的沉重将不言而喻。　可见，科学分析和规范评价地下水的浮托力影　响，是社会发展和建设工程技术进步的必然需求。　目前亟待解决的问题是进一步规范勘察设计的推断　分析原则和方法，这其中重要的改进途径就是制定　出针对性的设防标准，科学限定公正合理的抗浮失　效风险概率，并以此作为相关各方共同遵循的安全　控制准则。诚然，其前提还须明确设防目的和设防　目标等基础性依据的工作指导方针。　作为建设工程安全防范的重要对策，结合能够　承受正常施工过程中和运营期间可能出现各种作用　的建筑结构可靠度设计功能ｌ３　要求，笔者尝试将建　设工程抗浮设防的宗旨概括如下：　设防目的：严格避免建筑结构在正常设计使用　年限［２］内和建设过程中因地下水的水力影响产生浮　托性危害。　设防目标：确保最大可能的地下水浮托作用影　响发生时建设工程的整体稳定及结构安全。　设防标准：限制建设工程建造和运营期间发生浮　托危害风险的可能性低于正常心理许可承受的水平。　历史是未来最好的借鉴，这也正是公众认同将　长期观测资料中的最高水位预测为抗浮设防水位　４］　的理由。将各年度最高水位值作为随机事件，依据　上述设防标准，充分安全的保障条件是依据历史观　测资料，预测并限定设计使用年限内超出设防目标　的地下水浮托力出现的频次少于１次，方才符合事　件基本不会发生的风险概率的量值要求。据此，本　文建议了各类建筑工程抗浮设防标准暨危害性浮托　影响高水位重现可能性风险的控制原则，见表１。　表１抗浮设防标准暨危害性浮托风险控制原则　为防止地下水浮托作用引发更为严重的次生灾　害，实际建设工程的抗浮设防标准还须结合具体工　程环境条件综合判定，应与设防失效影响范围内最　高的抗浮设防等级等同。地基基础设计等级甲级　的建设工程也可适当提高抗浮设防标准。　工程实践提示我们，地下水的浮托作用还会给　施工阶段的基础结构带来不良影响，因此，建造时期　的抗浮设防标准还须参照临时性结构设防要求或结　合工程实际条件另行设立。　综上述，建设工程的抗浮设防水位应是特定基　础埋藏条件下，所界定各相关含水层水力影响的最　不利可能性的推断分析结果。因此，抗浮设防水位　不应该简单地泛指为工程场址一定区域范围的地下　水最高水位，而是具体建筑基础设计的针对性抗浮　设防的风险性评估成果。　２不利影响因素及其组合　依据最不利组合［２］［５］的危险形态分析地下水的　浮托影响是普遍被各方接受和认可的评估原则，但　在执行过程中就组合分项和实际数值的选用常常会　产生异议，其中组合的最终结果是否代表可能的最　高水位即是讨论的焦点。　对于最不利组合约定的最直接理解就是以年季　节性变幅的最大值对应组合后，再对可能出现的偶　然性影响因素给予充分的考虑。据此，笔者将抗浮　设防水位Ｈ　分析的基本公式归纳如下：　Ｈｈ一　ｋ＋△　＋∑ｄ　（１）　式中：ｈ　为组合建筑结构使用年限内主导含水层最　高地下水位参考的基准水位；△＾一为此期间可能发　生的最大年季节性水位变幅；∑ｄｉ为其他不利影响　因素导致水位增幅的累加值。　依据式（１）组合形式，代表最不利条件下的基准　水位ｈ　理应是预测期限内年度（枯水季）最低水位可　能出现的最高值。实际应用时，勘察测量工作不一定　处于枯水季的低值期，故而现行的部分实例资料是以　勘察实测水位与最大年变幅‰　相对勘察期间水位　估计的差值组合＿６］ｒ　］推断抗浮设防的最高地下水位。　未来地下水位的演变必然会涵盖更多的影响条　件，因此，基准水位　动态趋势预测除须依据气候变　迁等基础性致因外，地下水抽采和引水回灌治理等人　类工程活动是必须予以充分考虑的制约因素。但无论如　何，历史观测的最高值必将是预测分析参考的权重参数。　不久的将来，南水北调工程每年的１０￣３０亿立　方米长江水源源北上，北京、河北等地地表水系将随　之改变，地下水位随之抬升是必然结果。　对于北京地区因南水北调工程影响地下水位抬　升幅度的预测，现行的依据多以１９９５年１Ｏ月至　１９９７年１１月官厅水库三次放水过程中的实际观测　资料（见图１）为参照。事实上，与南水北调工程预　期的影响不尽相同，官厅水库放水属于偶然性的突