西安市建筑工程抗浮设防水位研究

刘 君 罗云海 邱祖全 王晓燕

(中国有色金属工业西安勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710054)

0 引言

西安市为全面加快国家中心城市和具有历史文化特色的国际化大都市的建设步伐，在城市面积逐步扩大的同时，向地下空间发展，如建筑物之间的绿地或广场下面单设地下车库、地下商场、下沉式广场及人防工程等，同时为缓解交通压力而大力发展城市轨道交通，这些建(构)筑物在地下水位较高时，需要考虑抗浮设计，如何准确、客观地确定建筑场地的抗浮设防水位是工程建设难题。虽然国家标准[1-2]和行业标准[3-4]对抗浮设防水位的定义、预测和影响因素做了明确的规定，同时国内诸多专家、学者在如何确定建筑物的抗浮设防水位、浮力计算及其影响因素方面进行了分析和研究[5-14]。其中，张思远提出确定抗浮设防水位的方法为：地下水最高水位=①勘察期间该层地下水最高水位+②该层地下水位在相当于勘察时期的年变化幅度+③可能的意外补给造成的该层水位上升值[6]，但如何确定第②、③项内容较为困难。第②、③项内容不能直接来自于试验，也不能在短期内获得观测，是需要综合考虑多因素的预测值，涉及到水文、气象、地形、地貌、区域地质条件、场地地质条件；地下水类型、各层地下水水位及其变化幅度、历史水位的变化及幅度；地下水的补给、径流、排泄等条件；城市规划、邻近工程降水及城市生态补水等。

针对西安市建筑工程抗浮设防水位有关的分析研究较少，实际工作多依赖于场地岩土工程勘察报告提供的地下水位，由于缺乏一定的综合预测性，建筑物后期影响使用功能的事故时有发生，因此，存在抗浮问题的抗浮设防水位的确定应引起重视。本文结合西安市地貌、地层结构、气象、水文、历史年际水位、年内变化幅度、地表水体、邻近工程建设等对地下水位的影响程度，并结合工程实例对本地区抗浮设防水位取值问题进行分析与研究。

1 西安市地下水类型

西安市位于黄河流域中部关中盆地，北临渭河，南依秦岭，规划区内沉积了第四纪以来巨厚的冲洪积及风积层，蕴藏着丰富的地下水资源。根据地下水赋存条件分为潜水和承压水两类，由于承压水埋藏较深，对工程建设影响不大，故只考虑潜水作用。潜水的补给有大气降水、地表水入渗、外径流补给及承压水越流补给等；排泄方式为径流排泄、人工开采、潜水越流排泄及蒸发消耗等；流向与地形总体坡度一致，自东南向西北，即从东南部的黄土塬区流向西北部的冲洪积阶地，地下水位埋深沿流向呈现逐渐变浅的趋势。

2 抗浮设防水位的影响因素

2.1 地貌与含水层

(1)河漫滩及低阶地

主要分布在渭河、浐灞河两岸，含水地层为全新世、晚更新世冲积形成的砂、砂砾石以及黄土状土、粉质黏土等，岩性疏松，颗粒粗，透水性好。含水层厚度大且比较稳定，渗透系数20～80 m/d，其富水性从河漫滩向低阶地逐渐变差。

(2)二级阶地

分布在渭河及支流的二级阶地，含水地层为晚更新世黄土、冲洪积粉质黏土和砂砾石层。上部黄土透水性差，渗透系数2～5 m/d，下部冲洪积层随所在河流阶地的不同，其透水性有明显的差别，渭河二级阶的砂砾层渗透系数一般为40～60 m/d，河一、二级阶地的砂砾石层厚度较薄，约2～5 m，渗透系数一般为20～40 m/d。

(3)三级阶地、黄土梁洼及黄土塬

三级阶地分布于浐河东西两岸，黄土梁洼分布于西安市中南部，黄土塬分布于西安市东南部。含水地层为中更新世黄土和古土壤，渗透系数为5～15 m/d，中等透水性。

根据各地貌含水层的渗透性、地下水补给、排泄条件，结合前人的研究成果[15]，在不同地貌单元中确定抗浮设防水位应从以下几点考虑：河漫滩地下水位受降雨及径流的影响较大；一级阶地地下水位受降水入渗的影响较大；二级阶地地下水位受降水入渗和人工开采的影响较大；黄土梁洼、黄土塬地下水位受人工开采及邻近场地工程降水的影响较大。

2.2 气象

西安市气候为温暖带半干旱、半湿润大陆性季风气候。春季易旱，温差变化较大；夏季降水集中，旱涝频发；秋季阴雨连绵，冷热多变；冬季降水较少，干燥而寒冷。年平均气温13.3℃，最高值出现在7月，最低值出现在1月。多年平均蒸发量898.9 mm；年均降水量603 mm，降水量年际、年内分配也不均匀，7—9月降水量占全年降水量的60%以上，12—1月降水量最少，仅占全年降水量的3%左右，且丰水年与枯水年降水相差最大可达3倍。

降水是地下水的重要补给来源，其季节性和年际变化规律对区内地下水位动态变化有直接影响。入渗补给系数一般从河漫滩、河流阶地、黄土梁洼、黄土塬等不同的地貌单元随地下水位埋深增大和包气带岩性渗透系数变小而减小，由0.65减小至0.1甚至更小，因此水位年变化幅度也由大变小。

2.3 水系

区内河流属于渭河水系，自古有“八水绕长安”之说，境内有渭河、泾河、灞河、浐河、沣河、滈河、潏河、涝河八水，除此周边还有黑河、石川河、零河等较大河流。

河流补给是除降水之外的地下水又一大补给源。河流从秦岭山区进入山前平原区，流速骤然减小，导致了大量的渗漏，甚至渗漏殆尽，全部补给浅层地下水；河流中游段，河水对潜水的补给是季节性的；有些河流在汇入渭河前常年补给地下水；渭河在丰水期大量补给两岸地下水。近年西安市在河道内修建了大量的橡胶坝，使局部地段河流水位抬高，因此，在傍河段的建筑抗浮设防水位应考虑河流补给及河面水位抬升的不利影响。

2.4 历史年际水位变化

根据西安市地下水动态变化研究资料[16]，依据1965—2010年地下水观测资料，绘制的西安市区地下水位平均埋深的年际变化曲线(见图1)。

图1 地下水位年际变化曲线

分析图1可知，西安市在1965—2010年46年间地下水位埋深总体呈下降趋势，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减缓，主要原因是黑河供水工程启用，减少了地下水的开采量，并封停了部分自备井，目前西安的供水系统由原来的地下水为主逐步转变为以黑河引水工程为主导的地表水供水系统，地下水位有所回升，但由于气候和生态环境的改变，即便采取各种措施，水位恢复到50年前水平已不大可能，采用历史最高水位作为抗浮水位不尽合理，应在历史最高水位基础上综合考虑进行取值。

2.5 水位年内变化幅度

根据长期水位观测资料[16]，分别绘制河漫滩、一级阶地、二级阶地、黄土塬地貌上的年内水位变化曲线见图2。

图2 地下水位年内变化曲线

分析图2可知，12—3月为全年整体高水位期，之后水位开始下降，由于受地貌、含水层岩性、水位埋深、包气带岩性渗透性能的影响，河漫滩在6月处于低水位期，一、二级阶地在7月处于低水位期，黄土塬在9月处于低水位期。表明不同的地貌单元降雨补给的滞后作用的时间也不同，以6月进入雨季计，河漫滩、阶地、黄土塬分别滞后1个月、2个月和4个月。勘察报告所提供的丰水期和枯水期通常都是按降水量来划分，并不代表地下水的丰水期和枯水期，而应根据上述变化规律综合判断勘察期间地下水所处水位状态。

2.6 地表水体及城市生态补水

随着西安城市进程的加快，政府规划建设了多个人工湖、沿河橡胶坝及多种水景生态工程，水景工程虽然采取了防渗措施，但渗漏问题依然存在，根据曲江湖建设前后对地下水位动态变化的观测研究资料[17]，绘制了建湖前后水位年内动态变化曲线见图3。

图3 蓄水前后地下水位动态变化

图3表明，在2008年建湖蓄水后，周边地下水位整体呈缓慢波动上升趋势，与建湖前地下水位年内变化有明显差异，说明曲江湖对周边地下水动态产生了影响。因此，抗浮设防水位应考虑场地周边地表水体及城市生态补水对地下水的影响。

3 工程案例

3.1 案例一

西安高新区某新建工程项目，位于河池寨立交东侧，场地原为村庄和农田，四周除新建道路外，没有别的建筑物。地貌单元属河一级阶地，地层从上到下依次为黄土状土、中砂(该层较薄，局部为透镜体，分布不连续)、粉质黏土等，根据相关文献[18]该地区地下水年变化幅度大于2 m。该项目于2011年进行了场地岩土工程勘察工作，于6月、7月和10月分三个阶段进行，每个阶段测量的地下水位见表1。

表1 地下水位观测值

勘察期间西安市进入雨季，水位变幅较大，最大可达5.44 m， 7月水位最低，与2.5节所述一、二级阶地在7月处于全年低水位期相一致。通过该工程案例，在一、二级阶地确定抗浮设防水位时，应注意勘察期间地下水位是处于丰水期、平水期还是枯水期，并关注地下水位的年变化幅度。

3.2 案例二

位于西安太华路黄土梁洼地貌上的某工厂，自2004年至2007年间厂区内多次出现地面塌陷，甚至有建筑物地基下沉造成楼体开裂现象。于2008年5月调查发现：厂区地下水位比2000年水位整体上升了3.66～5.30 m，地下水浸泡防空洞造成坍塌而导致地面塌陷；同时水位上升使建筑物地基发生湿陷变形和地基软化，造成建筑地基不均匀沉降、楼体开裂。

由于2001年黑河水利枢纽主体工程完成后，极大地解决了西安的用水问题，西安市的供水系统由原来的以地下水为主转为以地表水为主，该工厂相继关闭了厂内4个自备水井，导致地下水逐年上升。

因此，在确定抗浮设防水位时应考虑到西安市限制地下水的开采后，存在地下水整体缓慢上升的因素。

3.3 案例三

2019年12月，位于西安市南郊祭台村黄土梁洼地貌上的某地下车库室内地坪发生渗水现象，墙壁四周高约1.0 m的范围有水浸出。于2020年3月调查发现，场地现地下水位高程为415.48～415.91 m，高出地下室室内地坪1.0 m，相比2011年12月勘察期间水位413.70～413.89 m整体上升2.0 m(12—3月属丰水期)，平均每年上升约0.25 m；另外，距场地北侧350 m处的在建地铁5号线于2019年底全面停止降水，造成地下水位在短期内快速上升。

通过案例二、案例三，在确定抗浮设防水位时一方面应综合考虑西安市因黑河引水工程的实施、地表人工湖、河流橡胶坝及城市生态补水工程所引起地下水位的整体上升，另一方面应考虑周边工程降水的影响。

4 结语

(1)西安市地下水类型较为简单，对工程建设有影响的主要为赋存于第四系地层中的孔隙型潜水。

(2)12—3月为全年整体高水位期，不同地貌单元地层对降雨补给的滞后作用不同，河漫滩、一二级阶地、黄土塬分别滞后1个月、2个月和4个月，即分别在6月、7月、9月为低水位期。

(3)抗浮设防水位应在勘察期间查明的稳定水位的基础上综合考虑地貌、含水层岩性、气象、水系、历史年际水位变化、年内水位变化幅度、地表水体、城市生态补水及邻近工程降水等多种影响因素。

(4)黑河引水工程实施后，西安市限制了地下水的开发和利用，同时海绵城市建设和生态环境趋于利好发展，使地下水位呈整体缓慢上升趋势，应引起工程建设者的重视。