浅谈抗浮设防水位的影响因素-以新开大厦项目为例

浅谈抗浮设防水位的影响因素-以新开大厦项目为例

刘毅

身份证号码：430922198902063291

摘要：抗浮设防水位受多种因素影响，工程实践中历来颇具争议。本文以新开大厦场地为例，通过分析地形地貌、地层结构、地下水的补给、径流与排泄条件、地下水位年变化幅度、地层渗透性等，阐明了在河流高级阶地地貌条件下，地下工程结构置于透水层中时，场地抗浮设防水位的主要考虑因素。以期为类似项目提供可推广的抗浮设计思路与实践参考。

关键词：新开大厦；抗浮水位；影响因素；工程地质条件和水文地质条件

1 引言

抗浮设防水位是指建筑工程在施工期和使用期内满足抗浮设防标准时可能遭遇到的地下水最高水位，或建筑工程在施工期和使用期内满足抗浮设防标准最不利工况组合时地下结构底板底面上可能受到的最大浮力按静态折算的地下水位。由此可见，“抗浮设防水位”应理解为将构成地下水浮力的各类压力等效为作用在结构底板下的静水压力而计算出的水头高度，不能机械的将其定义中“满足抗浮设防标准时可能遭遇到的地下水最高水位”认为就是场地内的最高水位。        在实际工程中，由于地质条件复杂多变，地下水的补给、排泄受季节、气候、地形地貌等多种因素影响，导致抗浮水位难以精确预测。若抗浮水位设定不当，可能引发建筑物地下室底板上浮、开裂、倾斜甚至破坏等严重后果。因此，研究抗浮设防水位的影响因素，有助于提高建筑物抗浮设计的科学性、经济性和可靠性。

2 工程概况与工程地质条件和地质水文条件

2.1项目概况

新开大厦位于湖南省长沙市天心区，地处林大路北侧，周边毗邻中南大学铁道学院实验楼和已建的通泰·梅岭苑住宅小区，属典型的城市高密度建设区域。该项目为高层商业建筑，主体为地上30层、地下2层，建筑总高度约99.80m。结构体系采用框架-抗震墙结构，地下部分为框架结构，设计上兼顾竖向荷载承载能力与水平抗震性能，整体构造对沉降敏感，安全等级为一级，柱底最大荷载达20000kN，地下室柱荷载亦达2000kN，反映出结构荷载作用显著、基础承载要求高。项目的室内设计地坪标高为78.15m，室外设计标高西侧介于75.07m～77.30m，东侧介于78.10m～78.35m，东侧场地还与中南大学铁道学院存在一高约6m的边坡，坡顶标高介于83.70m～84.00m，地下室设计基底标高为69.60m。基于该项目高层高荷载特性，结合场地地质条件，拟采用旋挖钻孔灌注桩基础，桩端持力层选取中风化泥质粉砂岩与中风化砂砾岩，确保桩端稳定性与竖向承载能力，满足结构抗浮和变形控制的双重要求[1]。

该项目于2019年竣工运行至今，历经约6个水文年，地下结构和主体结构完好，满足其使用功能，证明勘察期间建议的抗浮设防水位安全、经济、可靠。

图1     场地总平面图

2.2工程地质条件

    本场地内地层分布情况从上往下依次为人工填土、砾砂、卵石、残积粉质黏土、残积含砾粉质黏土、强风化泥质粉砂岩、强风化砂砾岩、中风化泥质粉砂岩和中风化砂砾岩。按规划设计标高进行开挖后，场地内的地下室底板基本置于强透水性的砾砂和卵石层中。场地典型的地质剖面图详见图2：                 

图2     场地地质剖面图

2.3水文地质条件

2.3.1地下水类型与赋存状态

场地的原始地貌为湘江冲积形成的Ⅳ级阶地，场地整体地势东高西低，场地的地下水类型主要为赋存于砾砂和卵石层中的潜水，未表现出承压特征，勘察期间测得潜水的稳定水位高程为67.20m～67.95m，水位高程高于地下室底板标高69.60m。

2.3.2地层渗透性与地下水的补给来源、径流和排泄条件

根据抽水试验结果，场地砾砂层渗透系数为2.98×10-2cm/s，卵石层为7.52×10-2cm/s，均属强透水层，导水速度快，浮力反应灵敏。地下水补给主要来源为大气降水垂直入渗，向地势低洼的西侧（湘江低阶地方向）径流排泄。地下水位的变化幅度受季节变化影响显著，根据地区经验，场地内的地下水位年变化幅度约2.00m。尤其是春夏汛期降雨易致地下水位迅速升高，增加基坑施工及使用阶段的抗浮压力，为防止基底突水和结构上浮，基坑施工期间建议完善基坑周边截排水系统、设集水井与反压构造，并依据补给机制优化施工季节和顺序，确保抗浮设计的适应性和可靠性。

3 抗浮水位的影响因素分析

3.1地下水位补给排泄条件与年变化幅度

抗浮设防水位的合理设定必须建立在对地下水位变化规律的全面掌握基础之上。本项目地下室底板置于强透水性的砾砂和卵石层中，地下水可沿砂卵石空隙中由东往西向湘江低阶地径流排泄。场地内地下水稳定高程为67.20m～67.95m，高于地下室底板设计标高69.60m，显示出地下水对底板存在长期浮力作用。若设计中仅按稳定水位高程考虑，在遇极端降雨、地表水下渗大幅增加补给和地下水排水滞后的情况下易导致水位雍高，引发结构上浮或地下室底板开裂等风险。因此，根据场地的地下水的补给与排泄条件和地下水位的年变化幅度，同时还考虑到因地形因素引起的不均匀渗流压力，建议抗浮设防水位为71.00m，该设防水位用以涵盖地下水季节性变化、雨水汇积、地下水径流滞留及施工扰动因素，形成更具安全冗余与经济合理的设防边界。

3.2土层渗透性与上浮响应速度

地层在大气降水入渗及区域侧向补给作用下可快速传导水量至地下室底部，对结构形成突发性、强烈的浮力冲击。尤其在基坑开挖阶段，砾砂或卵石层中可能形成“突水路径”，若未提前处理或构建反压系统，极易诱发流砂、基底涌水、失稳或沉降破坏。下表为不同地层的实测渗透性能参数：

表1拟建场地主要地层渗透性能及其工程响应特征

从表中可见，砾砂与卵石层对上部降水及地下水流具有高度传导性，属高响应地层。在抗浮控制中，此地层需同步布设多重泄压手段，如井点降水系统、疏干盲沟、反压桩或复合止水帷幕等，并应设预应力锚杆或抗浮桩对抗浮力突变。此外，宜结合区域水位监测数据，建立地下水动态监控体系，确保结构长期服役期间对水位变化具备预测、响应与控制能力。

3.3地下室结构与底板荷载

新开大厦地下室设计采用钻孔灌注桩结合素土垫层形式，并未使用整体筏板结构，其底板单位荷重较小，自重无法提供足够的抗浮力抵消。因此，仅依赖结构自重难以满足抗浮要求，需引入附加结构或地基构造以增强抗浮性能。

首先，底板之下的桩基设计选用中风化泥质粉砂岩与中风化砂砾岩作为桩端持力层，两类岩层强度较高、变形模量大，具备稳定的端承作用，适合设置抗浮构件。通过增设抗浮锚杆或抗拔桩，可有效提高竖向约束能力，形成被动抗浮体系。此外，垫层建议使用大比重材料或加强压实处理，提升整体结构抗浮质量储备。结构边界处应重点设置止水环或止水带，防止浮力作用下产生绕水渗漏。

其次，在底板设计过程中，还需充分考虑上浮过程中结构受力状态的变化，避免局部翘曲、底板裂缝或负弯矩集中。若采取局部增厚底板、设置混凝土配重带等构造处理，则可进一步提高局部抗浮刚度。综合来看，地下结构的抗浮设计不仅取决于水力条件，也受制于构造布置与荷载平衡能力，设计中需形成结构+基础+水控协同系统，以确保地下室在使用期间长期稳定运行[2]。

3.4场地排水与地表积水控制能力

新开大厦所处地块北侧与东侧临边坡，地势高差显著，暴雨期易形成集中径流汇集场地，若排水系统不畅，则地表径流滞留将通过松散土层迅速渗透至基底区域，造成短时地下水位抬升。特别是在基坑施工期间，坑边缺乏有效截水沟与地表硬化措施时，极易发生地表水倒灌现象，形成局部突渗或饱和区，引发施工事故。

本工程场地为人工填土+强透层组合，地表径流一旦进入地层，流速快、蓄压能力强，在边坡汇水与雨水井排水失效情形下，可在基底局部形成“非均布水头”，加剧浮力的不均匀作用，从而诱发地下室整体翘曲、结构裂缝甚至上浮失稳。对此，建议在基坑四周布设封闭式截水沟，并辅以混凝土地面硬化或碎石层铺设，形成径流导排通道；雨季期间应提前布设应急排水泵站，控制径流量；结构施工期间，应定期清理积水井与雨水检查井，确保排水系统畅通。此外，施工阶段应严格分段降水与防水隔离区布设，尤其在地下室未封闭前，须严控地表水导入；使用阶段应同步设排水蓄水调节装置，防止因短时强降雨造成基底临时性浮力增强。

3.5回填土密实度与地下空隙处理

地下结构竣工后回填区的处理质量将直接影响浮力传递路径及水动力传播特性。若回填土未按设计要求分层夯实，或使用渗透性强的松散材料，则易在雨季或高水位期间形成地下水集中通道，形成浮力通道效应。此类水力通道在底板下部形成动态浮力汇聚区，可造成结构上浮失衡，甚至诱发底板冲刷、沉陷和断裂。

为保证抗浮安全性，建议地下室回填区域统一采用低渗性黏土或配比合理的粘性砂土，并严格执行每层不大于30cm的分层夯实标准，压实度应满足不低于95%的设计要求。关键结构部位如墙角、阴阳角、桩基周边等区域，宜采用人工夯实与机械压实结合的方式处理，消除结构死角空隙。此外，施工期间同步设置排气管与竖向疏水通道，防止因水位突升造成囊袋效应；竣工后可通过平面布设盲沟系统与立管回流系统，实现区域水压的动态释放。在基础垫层与桩基过渡区域，采用级配碎石或反滤层，防止因渗流冲刷形成空蚀。必要时应在底板结构外包加设止水层或垂直隔水帷幕，提升整体抗浮能力。

4 抗浮设计与控制策略

4.1抗浮设防水位建议

抗浮水位的合理设定是地下结构设计的前提与基础。一般地形地貌与地质条件下，通常以室外地坪设计标高为参照降低1.50m左右作为场地的抗浮设防水位。但考虑到本场地为湘江冲积形成的高阶地，场地内地下水可沿强透水性地层砾砂和卵石层中的空隙向低阶地排泄条件，在加上遇集中降雨引起的不均匀渗流压力和地下水位的年变化幅度等多重因素的综合影响，推荐将抗浮设防水位设定为71.00m。该高度基于年最大暴雨强度与水文极值预测，体现出防护设计的极端事件覆盖原则。此外，该设防水位还需兼顾施工扰动、水位回弹、截排系统局部失效等非理想状态。在具体工程设计中，设防水位不仅需作为结构荷载计算的依据，还应作为基坑降水设计、水封深度设计与排水设施配置的控制基准。设计阶段应明确标示设防水位与地下室底板、基础梁、桩顶等关键结构标高之间的高差关系，确保浮力计算有据可依。同时，建议在图纸与施工说明中标明“抗浮设防水位＝71.00m”，并注明其由场地稳定水位+风险抬升冗余构成，增强设计文件的工程导向性[3]。

4.2抗浮构造措施

为有效抵御地下水浮力，新开大厦地下室抗浮设计应构建以桩基、锚固、结构刚度与水位调控为核心的综合防护系统。基础部分采用旋挖钻孔灌注桩，桩端嵌入完整中风化岩层中，优先选择中风化泥质粉砂岩与中风化砂砾岩作为持力层，依据勘察结果，其单轴抗压强度平均值分别为2.21MPa与3.56MPa，确保桩端具备可靠抗拔与承载能力。针对基底高水位及浮力波动，建议布设抗浮锚杆，与灌注桩形成结构+锚固复合抗浮体系。

在结构构造方面，应于底板设置抗浮肋或加强带，提升整体刚度与抗变形能力。地基回填采用低渗黏土，控制压实度≥95%，消除浮力渗流通道。排水系统则应包括盲管、集水井及井点降水节点，保障施工与使用期水位可调控、可泄压。该组合措施应贯穿于设计、施工及维护全过程，构建工程可持续抗浮能力。

表2 抗浮构造关键要素及技术参数配置建议

4.3施工阶段控制要点

施工阶段是抗浮体系最脆弱的阶段，尤其在地下结构尚未形成完整封闭、降水系统尚未稳定运行前，易受到地下水波动或降雨突发性影响。新开大厦场地具高水位与强透水特征，建议优先选择枯水期组织地下室施工，以减轻降水与侧向渗透负担。基坑开挖期间应设置多点地下水位自动监测设备，及时掌握水位变化趋势；一旦发现上浮趋势或地下水抬升异常，需立即启动应急降水措施[4]。

基坑施工过程中，结合场地水文条件设立永久性与临时性集水井，布设井点降水系统。井点布置应以场地边界低洼区及强透层范围为重点，形成主动控制型水力屏障，避免边坡涌水与底板突水。基底施工前，须设置应急排水通道或备用排水井口，防止因降雨积水或施工扰动引起底板区域瞬时上浮。同时，现场应严控基底浇筑与桩端清渣时间，确保施工过程中无超限积水。对于桩头以下可能形成的孔洞或软夹层，通过二次钻探或声测管检测方式查明并及时回填处理。底板混凝土宜采用抗渗等级P8及以上，结合侧墙设置双层止水带与抗渗混凝土加强区域，进一步增强结构水密性。

5 结语

综上所述，本文以新开大厦项目为例，通过分析区域地质、工程地质和水文地质条件及地下室结构特征，探讨了抗浮水位的主要影响因素，包括地下水位年变化幅度、土层渗透性、建筑物荷载、场地排水能力及回填密实度等。研究结果表明，抗浮设防水位的合理确定需综合考虑多重因素叠加效应，并提出合理的抗浮设防水位及配套抗浮构造措施。未来，随着地下空间开发向深层化、复杂化发展，需进一步结合动态监测与数值模拟技术，优化抗浮设计方法，以应对极端气候与复杂地质条件下的抗浮安全挑战，为类似工程提供更精准的技术支撑。

参考文献

[1]孙志鹏.沈阳地铁抗浮设防水位及影响因素合理性分析研究[J].宜春学院学报,2023,45(06):55-59+70.

[2]郑世勇.地下室抗浮水位合理取值探讨[J].工程建设与设计,2023,(20):18-20.

[3]王同乐.城市综合体酒店项目地下室抗浮设计[J].四川水泥,2023,(12):89-91.

[4]申大军.山区地下室抗浮水位合理取值探讨——以贵州地区为例[J].工程技术研究,2024,9(13):37-39.