濕陷性黃土地基建構筑物沉降監(jiān)測與地學解釋

魏國良 王 斌 廖文兵 孫文慶 忽 巍 羅衛(wèi)西

(1.陜西華電蒲城發(fā)電有限責任公司，陜西蒲城 715501;2.國家測繪局大地測量數據處理中心，陜西西安 710054)

1 概述

陜西華電蒲城發(fā)電有限責任公司位于陜西省渭北平原的蒲城縣境內。先后分三期建成，一期于1996年建成并投入使用，二期于2003年底投入運營，三期于2008年底投產，總裝機容量2 700 MW，是我國西北地區(qū)裝機規(guī)模最大的火力發(fā)電廠。廠區(qū)平均海拔約494.5 m，地基以濕陷性黃土為主。

2008年汶川地震波及到我國中西部多個省份，在強烈地震影響下，廠區(qū)內的1號冷卻塔由于地表排水系統(tǒng)的破壞而造成濕陷性黃土地基自重濕陷沉降。本文以1號冷卻塔為例，首先介紹了嚴密的沉降監(jiān)測方法及其數據處理。其次介紹了由于工程自重和濕陷性黃土地基沉降量的計算方法。兩者在數值上僅相差3.39%，說明采用的沉降觀測方法科學、結果可靠。

2 沉降監(jiān)測與數據處理

2.1 沉降觀測點位設計

為了能夠反映出建(構)筑物的準確沉降情況，沉降觀測點要埋設在最能反映沉降特征且便于觀測的位置。一般要求建構筑物上設置的沉降觀測點縱橫向要對稱，且相鄰點之間間距以15～30 m為宜，均勻地分布在建構筑物的周圍。設計的點位如圖1所示。

2.2 變形觀測

①沉降觀測遵循“五定”原則進行，即按照采用相同的觀測路線，使用同一儀器和水準尺，固定觀測人員，在基本相同的環(huán)境和條件下工作的要求進行觀測，觀測周期為半年。

圖1 冷卻塔沉降點分布圖及基底壓力模型

②水準控制網與國家一、二等水準網點聯測。冷卻塔控制網觀測路線嚴格遵循9－8－7－6－5－4－3－2－1－9。

③采用高精度的NI007水準儀及配套的銦瓦水準標尺按二等水準觀測，采用閉合環(huán)加往返測進行。

④水準儀在每期作業(yè)開始前按國家水準測量規(guī)范規(guī)定的項目進行全面系統(tǒng)的檢驗。NI007為自動按平水準儀，每天檢校i角一次。水準尺在出工前后分別檢驗一次，如兩次檢驗無明顯變化，取出工前后測值對測量結果進行改正［1-3］。

⑤由于障礙物遮擋及其他因素，在觀測過程中無法滿足單站前后視距差不超過1 m，累計視距差不超過3 m的測段應考慮中轉或加測站的方法解決。

2.3 沉降計算與分析

在外業(yè)數據采集完成后，經檢查無誤計算出往返測高差不符值、外業(yè)高差與概略高程表及測段平均高差表。平差采用間接平差法進行，按測站數定權。平差結果要求每公里偶然中誤差MΔ≤±0.3 mm，否則需重測或補測。表1為9個沉降觀測點的沉降量。

采用9個支墩點沉降量的數學平均值作為冷卻塔的整體沉降量

表1 冷卻塔觀測點沉降量統(tǒng)計 mm

3 工程地質沉降

冷卻塔總高131.84 m，其中10 m以上為鋼筋混凝土雙曲線筒體結構，筒頂直徑51.834 m，筒底直徑88.844 m，下部10 m為鋼筋混凝土框支結構，共36對鋼筋混凝土圓形截面柱，柱底為鋼筋混凝土環(huán)形基礎，基礎寬5 m，基礎深3.0 m，基底以下為6 m厚2∶8灰土墊層。

在計算工程地質沉降量前，必須要進行地基土承載力驗算和地基土變形驗算。由于篇幅所限，這里不加推導的給出對應的計算公式和結果。

3.1 冷卻塔地基土承載力驗算

根據冷卻塔結構計算塔體基礎以下2∶8灰土墊層底總荷載為

式中 P——灰土墊層底面總荷載/kPa;

P1、P2、P3——分別為地面10 m 以上塔體、地面至 10 m高度范圍支撐柱及灰土墊層底至地面的重量/kPa。

巖土工程勘察結果說明冷卻塔灰土墊層下持力層地基土的承載力特征值:fk=170 kPa

由此可知:P=170.4 kPa＜1.1fk=187 kPa

結果表明:現地基土承載力能滿足上部結構荷載承載力要求。

3.2 冷卻塔地基土變形驗算

地基總沉降量包括由上部結構荷載引起的固結沉降量S1和因浸水引起的濕陷沉降量S2兩部分。S1可按分層總和求得。

(1)固結沉降量S1計算

①基底壓力計算

基底附加壓力計算為式中:P為基底平均壓力，σc為基底中心點處自重應力，Fk為上部結構總荷載，Gk為基礎及其上回填土總重。

按照基底壓力模型計算的基底附加壓力:P0=P－σc=145.32－54.00=91.32 kPa

②各分層沉降量計算

將環(huán)形基底均布荷載近似以36個集中荷載F代替。采用布辛奈斯克解計算各計算點處附加應力，計算點沿集中荷載作用處向下選取。計算點布置見圖2。此處取其中一個集中荷載作用下的計算點進行計算，其余集中荷載作用下的計算與此相同。

圖2 計算點分布(單位:m)

各分層計算點沉降量計算

③總固結沉降量計算

當計算點處豎向附加應力和自重應力滿足σzi＜0.2σci時，可停止計算。固結沉降計算結果見表2。

表2 固結沉降計算

當 Z=7.4 m 時，0.2σc=38.64 kPa＞30.87 kPa，滿足計算深度要求，所以可停止計算。計算沉降量S'1=120.89 mm，表中0點計算深度對應高程為－3.0 m。

由沉降計算經驗系數［4］ψs=0.788計算該地基土在上部荷載下產生的沉降量 S1=ψSS1'=0.788×120.89=95.26 mm。

(2)浸水濕陷沉降量計算

①原地基土計算自重濕陷量Δzs

根據原勘察報告，自然地面下35 m范圍內存在濕陷性，原設計施工的處理深度為15.4 m，還有19.6 m濕陷性土層未處理，遇水浸入會發(fā)生自重濕陷性變形沉降。該自重濕陷沉降量按公式計算，計算結果見表3［4］。

表3 自重濕陷沉降量計算

②浸水引起的濕陷沉降量S2

由巖土工程勘查可知冷卻塔剩余濕陷沉降量為Δs=103 mm。所以由浸水引起的濕陷沉降量為

(3)總沉降量計算

由前述計算結果可知冷卻塔最終的沉降量［5］

計算結果表明:陜西華電蒲城發(fā)電有限責任公司的冷卻塔沉降，主要由于地表水的滲透而導致濕陷性黃土地基產生濕陷變形，從而引起建筑物基礎發(fā)生較大量的不均勻沉降。沉降監(jiān)測的沉降量與工程地質沉降量兩者在數量上僅相差3.39%。

4 結論

通過對濕陷性黃土地基上的建構筑物的沉降觀測和地質勘察兩種方法計算出建筑物的沉降量一致，說明濕陷性黃土地貌上的建構筑物的沉降量主要由于地表水(雨雪水及地下管網滲漏水)的滲透而導致建筑物發(fā)生較大量的不均勻沉降。嚴格排查地表水的滲透點成為解決建筑物沉降關鍵。且相比而言，沉降觀測費用小、測量周期短、高精度等特點降低了工程造價。另外該方法也可適用于城市地面沉降觀測、濕陷性黃土地貌無碴鐵路軌道的鋪設等。

［1］ 中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會．GB/T 12897—2006 國家一、二等水準測量規(guī)范［S］．北京:中國標準出版社，2006

［2］ 江丹．浙江省杭嘉湖平原地面沉降分析［J］．測繪通報，2008(7):13-15

［3］ 楊林浩．鄭西客運專線路基工程沉降觀測方案［J］．鐵道工程學報，2006(7):10-13

［4］ 中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會．GB50025—2004 濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范［S］．北京:中國標準出版社，2004

［5］ 陜西西科建筑加固改造工程有限公司．陜西華電蒲城發(fā)電有限責任公司一期主廠區(qū)沉降處理技術方案［R］．西安:西科建筑加固改造公司，2011