導(dǎo)讀

北京平原區(qū)地下水位三年回升超7米，上海外灘防汛墻因地下水上涌反復(fù)加固，貴陽(yáng)商場(chǎng)地下室被地下水頂裂涌水……當(dāng)“缺水城市”頻頻遭遇“水漫地下”，這場(chǎng)悄然而至的危機(jī)正威脅著建筑、道路甚至整個(gè)城市的防洪體系。本文將揭開(kāi)地下水位異常上升的真相，并展示工程師如何用“動(dòng)態(tài)排水黑科技”守護(hù)城市安全。

本文字?jǐn)?shù)：5116字

閱讀時(shí)間：17分鐘

作者

蔣明、陳茹，上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司

蔣應(yīng)紅，中國(guó)城市規(guī)劃學(xué)會(huì)地下空間分會(huì)副主任委員，上海市城市建設(shè)設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司

關(guān)鍵詞

地下水位、上升、城市、地質(zhì)災(zāi)害、地下空間、抗浮、主動(dòng)泄水減壓系統(tǒng)、防洪排澇、智能監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)

1

城市新困擾

從“渴”到“澇”的逆轉(zhuǎn)

“華北漏斗區(qū)修復(fù)成功！”——這條新聞曾讓缺水城市歡欣鼓舞。但鮮少有人想到：地下水位的持續(xù)回升竟會(huì)帶來(lái)新災(zāi)難。

2024年數(shù)據(jù)顯示，石景山地下水位同比上漲6米（圖1），部分區(qū)域三年累計(jì)升幅超7米。

圖1 北京市2024年各區(qū)地下水水位變幅柱狀圖（與上年同期對(duì)比）

貴陽(yáng)：

貴陽(yáng)以碳酸鹽巖為主的地質(zhì)構(gòu)造，導(dǎo)致地下水以巖溶水為主（占比超90%）。2010年后水位整體呈上升趨勢(shì)，盆地邊緣受地形影響，水位變幅可達(dá)10-20米。貴陽(yáng)盆地區(qū)域地下水動(dòng)態(tài)觀測(cè)點(diǎn)分布圖、各監(jiān)測(cè)點(diǎn)地下水水位動(dòng)態(tài)及降雨量圖分別見(jiàn)圖2和圖3。巖溶盆地水位如“呼吸般波動(dòng)”，暴雨后單日可暴漲2米（圖3），直接將商場(chǎng)地下室頂裂（圖5）。

圖2 貴陽(yáng)盆地區(qū)域水文地質(zhì)圖及地下水位動(dòng)態(tài)觀測(cè)點(diǎn)分布圖

圖3 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)地下水水位動(dòng)態(tài)及降雨量圖

“這不是簡(jiǎn)單的資源復(fù)蘇，而是城市安全的新考題。”

——水文專家警示

2

水位為何悄悄上漲？

自然與人類的“合謀”

2.1自然推手：當(dāng)暴雨突破城市“吸水極限”

1?

極端降水

短時(shí)強(qiáng)降雨或持續(xù)降雨增加地下水補(bǔ)給。如鄭州“7·20”暴雨單日灌入106個(gè)西湖水量，地下水系統(tǒng)超負(fù)荷。

2?

氣候變化

冰川融化與海平面上升加劇沿海城市地下水上升。祁連山融水滲入西北城市地下，蘭州水位年均升0.5米。上海外灘地下水鹽度十年增3倍，防汛墻持續(xù)抬升。

2.2人為助攻：善意措施的反作用

1?

地下水開(kāi)采管控

當(dāng)城市采取措施減少地下水的開(kāi)采量時(shí)，使補(bǔ)給大于消耗。北京通過(guò)南水北調(diào)替代地下水，2024年平原區(qū)地下水位同比回升1.59米。

2?

海綿城市建設(shè)

透水鋪裝、雨水花園等設(shè)施增加下滲。如廣州某小區(qū)采用透水磚后，雨水滲透率提升40%，地下水年補(bǔ)給量增加約2萬(wàn)立方米。

3?

城市水系整治工程

在城市河道整治工程中，通過(guò)筑堤、攔河壩等措施提高河道水位，河水倒灌含水層，導(dǎo)致地下水位升高。武漢東湖清淤后蓄水位提升1.2米，周邊地下水年均回升0.8米。

3

三重威脅

沉默的危機(jī)正在爆發(fā)

3.1大地在“融化”：地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)

巖溶塌陷：湖南益陽(yáng)因水位驟降觸發(fā)真空吸蝕，形成直徑20-50米的塌陷坑吞沒(méi)農(nóng)田。

地裂縫擴(kuò)展：西安地裂縫以每年5cm速度撕裂街道——地下水上涌潤(rùn)滑斷層帶。

土體失穩(wěn)：甘肅黑方臺(tái)灌溉導(dǎo)致地下水位上升，基質(zhì)吸力下降30%，誘發(fā)滑坡災(zāi)害。

融陷：在高寒地區(qū)，地下水位上升可能導(dǎo)致地基凍脹，進(jìn)而引發(fā)融陷，危及建筑物安全。甘肅黑方臺(tái)灌溉區(qū)房屋傾斜如“比薩斜塔”。

3.2城市地下空間浮起來(lái)了！抗浮大戰(zhàn)打響

地下水位的上升會(huì)軟化地基土，導(dǎo)致建筑物沉降和不均勻沉降；增加地下空間結(jié)構(gòu)的浮力，可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)上浮、底板開(kāi)裂或漏水。

驚險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)：貴陽(yáng)某商場(chǎng)暴雨后地下室爆裂，水深30cm（圖5-6）。

力學(xué)真相：水位上升3米，地下室浮力激增150%（表1）。“相當(dāng)于每平米多壓兩頭大象”——結(jié)構(gòu)工程師比喻。

3.3城市防洪體系遭遇“釜底抽薪”

地下水是河流的重要補(bǔ)給源之一，當(dāng)?shù)叵滤簧仙螅瑢?dǎo)致城市防洪水位的上升，而河道水位上升將倒逼管道內(nèi)的水位相應(yīng)抬高，遠(yuǎn)端管道處的地面或地勢(shì)低洼處易出現(xiàn)積水現(xiàn)象。特別是在暴雨期間，如果排出口水體達(dá)到高水位時(shí)，自排管道將無(wú)法有效排水，增加了城市內(nèi)澇的風(fēng)險(xiǎn)。

北方丘陵城市調(diào)蓄空間萎縮：石家莊汛前水庫(kù)蓄水能力下降17%。

自排管網(wǎng)失效：天津某新區(qū)河道水位抬高1米，暴雨內(nèi)澇時(shí)間延長(zhǎng)3小時(shí)。

由于南方地區(qū)比如上海的穩(wěn)定地下水位普遍較高，地下水位的上升空間有限，因此對(duì)現(xiàn)有城市的防洪除澇體系的影響敏感度相對(duì)較小。而對(duì)于北方丘陵地區(qū)城市，由于非汛期河網(wǎng)水位普遍很低，如地下水位大幅上升，將大大減少汛前河網(wǎng)和蓄滯洪區(qū)的調(diào)蓄空間，對(duì)城市安全構(gòu)成較大威脅。

4

破解之道

中國(guó)工程師的“動(dòng)態(tài)抗浮”黑科技

4.1預(yù)警：給城市裝上“地下水CT”

建立“空-天-地”一體化智能監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)地下水位的變化情況，以便及時(shí)掌握地下水位升高的趨勢(shì)和范圍，為地下水上升可能引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害提前預(yù)警，也為規(guī)劃和設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。如北京、上海等大城市，均設(shè)有大量的地下水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地下水位的長(zhǎng)期、連續(xù)監(jiān)測(cè)。

圖4 智能監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)

智能監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)在地質(zhì)災(zāi)害防治中的具體應(yīng)用場(chǎng)景主要有如下幾種：

1?

礦區(qū)與城市地質(zhì)災(zāi)害防控

監(jiān)測(cè)礦山地面塌陷、隧道變形，并通過(guò)智能錨桿、注漿材料等技術(shù)加固地質(zhì)結(jié)構(gòu)。深圳“邊坡衛(wèi)士”系統(tǒng)：成功預(yù)警2023年羅湖崩塌，276套設(shè)備化身地質(zhì)醫(yī)生。

2?

泥石流預(yù)警

結(jié)合雨量計(jì)、地表位移傳感器和土壤濕度計(jì)，預(yù)測(cè)泥石流啟動(dòng)閾值。東南某地區(qū)通過(guò)多參數(shù)融合分析，提前3小時(shí)預(yù)警泥石流，為下游村莊爭(zhēng)取撤離時(shí)間。

3?

滑坡監(jiān)測(cè)

部署GNSS位移監(jiān)測(cè)站、微芯樁（監(jiān)測(cè)傾斜、震動(dòng)）和三維激光掃描，實(shí)時(shí)捕捉毫米級(jí)形變。重慶云陽(yáng)縣“團(tuán)包滑坡”預(yù)警中，系統(tǒng)通過(guò)裂縫擴(kuò)展和降雨量數(shù)據(jù)分析，提前觸發(fā)聲光報(bào)警，組織18戶居民避險(xiǎn)。

4.2城市地下空間抗浮措施

4.2.1搶險(xiǎn)：主動(dòng)泄水減壓系統(tǒng)力挽狂瀾

地下空間結(jié)構(gòu)由于地下水位的上升，抗浮問(wèn)題尤為突出。

主動(dòng)抗浮技術(shù)突破了傳統(tǒng)被動(dòng)抗浮（如配重、錨桿）的局限，通過(guò)“動(dòng)態(tài)排水、實(shí)時(shí)調(diào)壓”的創(chuàng)新方式實(shí)現(xiàn)標(biāo)本兼治。通過(guò)特制高效過(guò)濾系統(tǒng)，形成便捷的排水通道，并與智能控制系統(tǒng)相結(jié)合，在確保長(zhǎng)期穩(wěn)定排水的同時(shí)有效避免淤堵問(wèn)題，具有精準(zhǔn)把脈（實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水位并自動(dòng)調(diào)節(jié)排水）、經(jīng)濟(jì)耐久（省去大規(guī)模結(jié)構(gòu)加固，降低運(yùn)維成本）和環(huán)境友好（最小化對(duì)周邊地層及建筑的干擾）三大核心優(yōu)勢(shì)，為地下工程提供了一種更智能、更可靠的抗浮解決方案。

貴陽(yáng)某商場(chǎng)案例：技術(shù)賦能安全升級(jí)

圖5 涌水受災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)情況

1?

精準(zhǔn)“把脈”：巖溶水沿裂縫涌入（圖6）

本工程地下室基本處于中風(fēng)化含泥質(zhì)灰?guī)r中，該場(chǎng)地巖溶較發(fā)育，事故發(fā)生時(shí)正處汛期，地表強(qiáng)降水沿地下室外墻往低處底板匯集。地下室滲涌水主要是地下室出現(xiàn)薄弱裂縫，地下室內(nèi)外存在水位差，水從薄弱裂縫涌出。

圖6 地下水位升高后滲流示意圖

2?

微創(chuàng)手術(shù)：植入專利泄水裝置（圖9），

不破壞商場(chǎng)運(yùn)營(yíng)

采用主動(dòng)泄水減壓系統(tǒng)，減小底板底部水壓力，確保地下室抗浮穩(wěn)定性滿足要求，然后對(duì)破壞柱墩面層進(jìn)行加強(qiáng)處理，并對(duì)各滲漏點(diǎn)進(jìn)行堵漏注漿。

泄水裝置臨近涌水點(diǎn)布置，集水井共布設(shè)兩口，靠墻設(shè)置，不影響地下室使用空間，主動(dòng)泄水減壓系統(tǒng)布設(shè)位置如圖7所示，泄水減壓系統(tǒng)如圖8所示。

圖7 主動(dòng)泄水減壓系統(tǒng)平面布置圖

圖8 泄水減壓系統(tǒng)示意圖

圖9 專利泄水裝置

3?

智能調(diào)控：自動(dòng)排水降壓，

底板裂縫零新增

主動(dòng)泄水減壓系統(tǒng)運(yùn)行后，該商場(chǎng)地下室未再出現(xiàn)涌水問(wèn)題，由于系統(tǒng)占地空間小，不影響地下空間的正常使用，驗(yàn)證了該技術(shù)的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性，為地下工程提供了可復(fù)制使用的抗浮技術(shù)樣板。

圖10 泄水系統(tǒng)運(yùn)行情況

主動(dòng)泄水減壓系統(tǒng)的有效運(yùn)用，可以明顯降低城市地下空間由于地下水位上引起的結(jié)構(gòu)破壞，可有效應(yīng)對(duì)復(fù)雜水文條件，為地下工程提供長(zhǎng)期可靠的抗浮保障。面對(duì)氣候不確定性和城市更新需求，主動(dòng)抗浮技術(shù)以“動(dòng)態(tài)平衡”思維重構(gòu)抗浮體系，助力實(shí)現(xiàn)安全與經(jīng)濟(jì)的雙贏。

4.2.2未來(lái)設(shè)計(jì)：給建筑穿上“救生衣”

針對(duì)未來(lái)新建工程的抗浮設(shè)計(jì)，主要重點(diǎn)關(guān)注抗浮設(shè)計(jì)水位和抗浮措施兩個(gè)方面。

1?

抗浮設(shè)計(jì)水位

抗浮設(shè)計(jì)水位需要結(jié)合建筑使用功能、抗浮設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)、歷史最高水位和長(zhǎng)期水位觀測(cè)資料等，并借助動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)模型和經(jīng)驗(yàn)綜合確定。

本文上述提及的貴陽(yáng)市某商場(chǎng)原設(shè)計(jì)方案中地下室底板未考慮水浮力作用，因此，導(dǎo)致地下室底板、墻柱開(kāi)裂，出現(xiàn)涌水險(xiǎn)情。由此可見(jiàn)，地下水位埋深的變化對(duì)結(jié)構(gòu)的抗浮設(shè)計(jì)影響很大，以典型8~20m地下室為例，在不同地下水位條件下，地下室底板所受水浮力如下表所示：

表1 不同地下水位埋深他條件下地下室底板所受水浮力(kPa)

由上表可知，在地下水位埋深由地下6m上升至地下3m后，地下室底板所受的水浮力均出現(xiàn)了較大的增幅，尤其是埋深8m的地下室，水浮力增加了150%；若抗浮設(shè)防水位取地面下6m，按照現(xiàn)有抗浮安全設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，均無(wú)法滿足地下水位上升至地面下3m的抗浮設(shè)計(jì)要求，可能導(dǎo)致地下室發(fā)生底板隆起、開(kāi)裂破壞等現(xiàn)象。因此，選擇合理的抗浮水位對(duì)地下結(jié)構(gòu)的抗浮設(shè)計(jì)至關(guān)重要。

以西安某擬建工程為例，基礎(chǔ)埋深約12m，實(shí)測(cè)穩(wěn)定地下潛水位埋深約15.5~18.1m，相應(yīng)高程371.1~372.75m。

圖11 地層分布及勘察期間地下水位的變化

根據(jù)地下水長(zhǎng)期觀測(cè)資料，80年代初中期，水位基本穩(wěn)定，80年代后期至90年代，水位緩慢下降，2000年以后，水位基本處于穩(wěn)定期。隨著城市供水方式的改變，近幾年水位出現(xiàn)回升，地下潛水位變化情況如下圖所示：

圖12 擬建場(chǎng)地地下水位變化情況

該項(xiàng)目綜合分析歷史水位觀測(cè)資料、擬建場(chǎng)地區(qū)域規(guī)范、周邊已建項(xiàng)目工程經(jīng)驗(yàn)等因素，將抗浮設(shè)計(jì)水位高程取為380m，即地下水位埋深約8~9m，要高于勘察期間穩(wěn)定的地下潛水位埋深15.5~18.1m，預(yù)留了安全裕度。

2?

抗浮設(shè)計(jì)措施

新建工程不宜單一采用傳統(tǒng)的主動(dòng)抗浮設(shè)計(jì)措施（設(shè)置泄水孔等）或被動(dòng)抗浮設(shè)計(jì)措施（配置抗浮、設(shè)置抗拔樁、抗浮錨桿等），采用“主動(dòng)+被動(dòng)”綜合抗浮的措施，可以有效降低工程造價(jià)，提升結(jié)構(gòu)抗浮安全系數(shù)，目前該方案在部分新建工程中已得到成功應(yīng)用，尤其是臨江結(jié)構(gòu)以及地下水位波動(dòng)比較大的區(qū)域，可有效地改善單純采用常規(guī)被動(dòng)抗浮措施所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。

廣東某住宅項(xiàng)目擬建場(chǎng)地平整后場(chǎng)平標(biāo)高為+8.00m，場(chǎng)地平時(shí)地下水位約+2.0m，但50年一遇和100年一遇水位分別為+11.85m和+12.65m，若將抗浮水位取為地面高程，在洪水季節(jié)取值偏低，是不安全的；而若按50年一遇和100年一遇洪水位設(shè)計(jì)常規(guī)的被動(dòng)抗浮措施，取值又偏高，導(dǎo)致工程費(fèi)用過(guò)高。因此，該項(xiàng)目采用了主被動(dòng)聯(lián)合抗浮設(shè)計(jì)方案。

圖13 擬建項(xiàng)目及排水廊道平面及剖面布置圖

圖14 百年一遇洪水位時(shí)，底板不同情況下水頭壓力

由圖14可知，未建設(shè)排水廊道時(shí)，常規(guī)抗浮設(shè)計(jì)無(wú)法滿足百年一遇洪水情況下抗浮安全要求，建成排水廊道后，可使百年洪水位情況下浮力降低40%，地下空間結(jié)構(gòu)抗浮是安全的。

綜上所述，新建建筑工程可以考慮頻遇抗浮水位和罕遇抗浮水位，針對(duì)頻遇抗浮水位主要采用永久的被動(dòng)抗浮措施，針對(duì)罕遇抗浮水位，可以輔助臨時(shí)或自動(dòng)化的主動(dòng)抗浮措施。未來(lái)各個(gè)地區(qū)可結(jié)合相應(yīng)區(qū)域地下水位變化趨勢(shì)，出臺(tái)相應(yīng)的地方抗浮設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，尤其是地下水位上升區(qū)域，可考慮適當(dāng)提高抗浮安全系數(shù)，并要求未來(lái)新建建筑設(shè)置智能化水位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，做到動(dòng)態(tài)抗浮設(shè)計(jì)。此外，也可以考慮在新建工程中預(yù)留后期安裝抗浮錨桿的措施、研發(fā)新的抗浮組件，為中遠(yuǎn)期的地下水位上升引起建筑抗浮能力不足提供有效的解決方案。

4.3城市防洪新思維：給洪水“留白”

無(wú)論是平原河網(wǎng)地區(qū)還是丘陵區(qū)的防洪排澇體系，都以汛期通過(guò)預(yù)降河網(wǎng)水位、預(yù)留規(guī)劃蓄滯洪區(qū)為洪澇水騰出調(diào)蓄空間為主的措施來(lái)滿足城市防洪安全需求。“河道不是水管，而是會(huì)呼吸的生命體”——規(guī)劃師呼吁。因此，給河流讓空間！最新規(guī)劃正在行動(dòng)：

北京溫榆河：藍(lán)綠控制帶拓寬50米，新增濕地調(diào)蓄區(qū)；上海蘇州河：拆除硬化駁岸，恢復(fù)灘涂生態(tài)緩沖區(qū)。如下圖所示，河道規(guī)劃藍(lán)綠線之間的陸域控制帶以及結(jié)合綠地構(gòu)建的生物棲息地內(nèi)的深潭、淺灘，均可作為河網(wǎng)預(yù)留調(diào)蓄空間。

圖15 河道預(yù)留調(diào)蓄空間示意圖

結(jié) 語(yǔ)

地下水位上升如同緩慢發(fā)酵的危機(jī)，但中國(guó)城市正用智能監(jiān)測(cè)+動(dòng)態(tài)抗浮+生態(tài)留白的組合拳應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)。當(dāng)你在新建公園看到透水磚，在車庫(kù)發(fā)現(xiàn)閃著藍(lán)光的泄水裝置，或許正是這場(chǎng)隱形戰(zhàn)役的參與者。畢竟，讓城市既不怕旱也不懼澇，才是真正的韌性未來(lái)。

參考文獻(xiàn)（上滑查看全部）

1、北京市水務(wù)局關(guān)于全市平原區(qū)地下水動(dòng)態(tài)情況通報(bào)（2024年7月第4期）。

2、汪瑩，宋小慶，王飛等，基于連續(xù)小波-互相關(guān)分析的降雨-地下水位動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征研究——以貴陽(yáng)巖溶盆地為例[J]。中國(guó)巖溶，2024，43（4）：843-853。

3、《建筑工程抗浮技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ 476-2019）。

4、胡振聯(lián)，劉藝，唐浩等，西安某工程抗浮設(shè)防水位的確定[J].地下水,2024,46(05):85-87。

5、駱冠勇，馬銘駿，曹洪等，臨江地下結(jié)構(gòu)主被動(dòng)聯(lián)合抗浮方法及應(yīng)用[J].巖土力學(xué),2020,41(11):3730-3739。

【免責(zé)聲明】本公眾號(hào)發(fā)布的內(nèi)容僅供學(xué)習(xí)交流使用，不以任何形式進(jìn)行牟利。內(nèi)容版權(quán)歸原作者所有。如有侵犯您的權(quán)益，請(qǐng)及時(shí)與我們聯(lián)系，我們將于第一時(shí)間協(xié)商版權(quán)問(wèn)題或刪除內(nèi)容。內(nèi)容為作者個(gè)人觀點(diǎn)，不代表本公眾號(hào)立場(chǎng)和對(duì)其真實(shí)性負(fù)責(zé)。

吳志強(qiáng)：理水治城——城市水智能規(guī)劃 | 第四屆水網(wǎng)地區(qū)城鄉(xiāng)發(fā)展與規(guī)劃國(guó)際會(huì)議

點(diǎn)擊圖片閱讀全文

曲久輝：飲用水——質(zhì)在何方？ | 規(guī)劃年會(huì)大會(huì)報(bào)告

點(diǎn)擊圖片閱讀全文

學(xué)術(shù)報(bào)告 | 王成坤：從“以水定城”到“理水營(yíng)城”——面向流域治理與城鎮(zhèn)發(fā)展統(tǒng)籌的城市水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)實(shí)踐

點(diǎn)擊圖片閱讀全文