仙女堡水電站空洞地基對閘室影響分析

胡 偉，歐耀文，歐慧娟，李昌友

（1.浙江華東工程咨詢有限公司， 浙江杭州 310014；2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院， 湖南長沙410075；3.湖南省株洲市水利水電勘測設(shè)計(jì)院， 湖南株洲市 410067）

仙女堡水電站空洞地基對閘室影響分析

胡 偉1，歐耀文2，歐慧娟3，李昌友2

（1.浙江華東工程咨詢有限公司， 浙江杭州 310014；2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院， 湖南長沙410075；3.湖南省株洲市水利水電勘測設(shè)計(jì)院， 湖南株洲市 410067）

為了對仙女堡水電站地基進(jìn)行加固，利用ANSYS建立了三維非線性有限元模型，共計(jì)離散單元31852個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)33344個(gè)。計(jì)算結(jié)果表明：仙女堡水電站35m厚的深厚覆蓋層以及因淘金擾動(dòng)而形成的“空洞”，其分布范圍較廣的右側(cè)地基上的上部結(jié)構(gòu)變位、應(yīng)力均較左側(cè)大；其次通過模擬正常蓄水位下4種不同“空洞”的埋深，發(fā)現(xiàn)“空洞”埋深對橫河向變位及應(yīng)力影響較小，順河向及鉛直向變位隨“空洞”埋深增加而降低。

仙女堡；樁基；空洞；應(yīng)力；應(yīng)變

1 仙女堡水電站工程概況

仙女堡水電站位于涪江干流，是涪江干流木瓜墩－鐵籠堡段梯級開發(fā)的第3個(gè)梯級電站，為閘壩引水式開發(fā)中型Ⅲ等工程，主要建筑物等級為3級，次要建筑物等級為4級?；炷灵l壩由泄洪沖沙閘、左右側(cè)重力式擋水壩、下游護(hù)坦等構(gòu)成，壩頂全長113.43m。其中泄洪沖沙閘長90m，左、右側(cè)擋水壩段長分別為8.69m和14.74m。壩頂高程1121.20m，最大壩高18.2m。泄洪沖沙閘布置在河床中部的原主河道上，由5孔泄洪沖沙閘（21m×11m）組成，左、右側(cè)均采用混凝土重力壩與側(cè)坡相接。具體樞紐布置見圖1。

圖1 仙女堡電站樞紐布置

2 樁基加固的可行性分析

目前工程中在處理深厚覆蓋層地基時(shí)主要從提高地基土的強(qiáng)度、減少地基土體的變形與防止?jié)B流可能引起的破壞三方面著手［1－3］。常用的軟弱地基處理方式有：置換拌入法（高壓噴射注漿法、墊層法、振沖置換法），排水固結(jié)法（堆樁預(yù)壓法、排水井堆載預(yù)壓法），振密擠密法（強(qiáng)錘夯實(shí)法、強(qiáng)夯法、振沖劑密法），反壓法、加筋法（土工聚合物、加筋土），樁基法等，其中振沖置換法、強(qiáng)夯法、振沖擠密法、樁基法適用于深厚地基加固。

樁基礎(chǔ)既可以承受豎向荷載又可以承受水平向荷載［4］，它的主要功能是通過承臺(tái)將上部荷載均勻分布到群樁基礎(chǔ)上，最后通過樁基將荷載傳遞到地下較深處的密實(shí)土層以滿足承載力和降低沉降的要求［5－6］。適用于以下情況：

（1）當(dāng)荷載較大，地基上部土層軟弱，采用淺基礎(chǔ)或進(jìn)行地基處理在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上不合理時(shí)［7］；

（2）在地震區(qū)域內(nèi)建筑，持力層范圍內(nèi)有可液化土層，需將建筑物支撐于不液化土層時(shí)［8］；

（3）建筑物承受較大的水平荷載時(shí)；

（4）在流動(dòng)水域中，水流沖刷較深，危及一般基礎(chǔ)穩(wěn)定時(shí)；

（5）施工水位或地下水位較高，采用其他深基礎(chǔ)不便施工時(shí)。

仙女堡水電站閘址區(qū)出露的地層主要為前震旦系碧口群上部巖組（AnZbk3）絹云英千枚巖和第四系全新統(tǒng)松散堆積物。據(jù)鉆孔及開挖揭示，河床覆蓋層厚20～35m，主要為第四系全新統(tǒng)沖洪積層（al－plQ4），為漂卵礫石夾礫砂層，由上而下分別為礫砂層～漂卵礫石層。綜上所述，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上，樁基礎(chǔ)處理完全符合仙女堡水電站的要求。

3 地基空洞埋深對閘室變位和應(yīng)力的影響

仙女堡水電站經(jīng)過淘金擾動(dòng)后的地基，因級配不良，易形成彈模較低的軟弱帶，產(chǎn)生一定數(shù)量和規(guī)模的“空洞”?！翱斩础睍?huì)增大閘室的沉降和沉降差，過大的沉降將引起閘室建筑物頂部高程不夠，影響建筑物的正常運(yùn)行；過大的沉降差會(huì)引起閘室的傾斜、裂縫導(dǎo)致建筑物的破壞。而不同埋深的“空洞”對于閘室的變位、應(yīng)力影響必定也不同。本文利用ANSYS軟件建立三維非線性有限元模型，通過改變地基中相應(yīng)“空洞”單元的彈塑性指標(biāo)模擬閘室地基中不同位置的“空洞”，然后對不同工況下的變位、應(yīng)力進(jìn)行分析，總結(jié)不同的“空洞”埋深對閘室變位及應(yīng)力水平的影響。

3.1 有限元模型

仙女堡3＃攔河閘段凈寬21m，閘墩寬3m，閘室全長40.4m，閘底板厚2m，閘墩高16.0m，從閘室上游面和下游面分別往上游和下游延伸2倍閘室長度取地基，約80m，從閘室底板面向下延伸70 m，閘室橫向模擬27m。本次數(shù)值分析計(jì)算右側(cè)地基模擬“空洞”20m×8m×4m（長×寬×高），左側(cè)地基模擬“空洞”20m×4m×4m（長×寬×高）。坐標(biāo)點(diǎn)取在閘底板對稱點(diǎn)上，x軸指向閘室左側(cè)，y軸正方向?yàn)槟嫠鞣较?，z軸正方向豎直向上。模型x軸方向總長27m，y軸方向總長200m，z軸方向總長88m。本次有限元分析，結(jié)構(gòu)計(jì)算模塊采用solid45六面體單元，本構(gòu)模型采用鄧肯－張非線性模型，滲流計(jì)算模塊采用六面體對應(yīng)solid70單元，離散模型見圖2，仙女堡水電站閘室、樁基、防滲墻三維有限元模型見圖3。整個(gè)模型離散后總計(jì)單元數(shù)31852個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)33344個(gè)。

如果患者的記性變差，那么診治的時(shí)候就要考慮是不是血管性的癡呆。如果不采取措施的話，后期病人很有可能還會(huì)出現(xiàn)的就是認(rèn)知的削弱了。越到后面，病人出現(xiàn)更多的其他不良反應(yīng)，比如會(huì)出現(xiàn)幻覺，或者是精神方面出現(xiàn)不正常的現(xiàn)象。治療頗為疑難。

圖2 仙女堡3＃閘有限元模型

圖3 仙女堡水電站閘室、樁基、防滲墻三維模型

3.2 不同“空洞”層時(shí)閘壩三維有限元分析

對不同樁基長度下的閘壩進(jìn)行有限元分析時(shí)可知，樁基按實(shí)際工程澆注至千枚巖與漂卵石接觸面較為合理，計(jì)算水位采用正常運(yùn)行水位（上游水位高程為1117.5m，下游水位高程為1111.0m），模擬樁基長度為35m。具體為：工況D1，“空洞”層頂部埋深2m，厚度為4m，位于砂礫石覆蓋層；工況D2，“空洞”層頂部埋深6m，厚度為4m，位于漂卵石覆蓋層；工況D3，“空洞”層頂部埋深10m，厚度為4 m，位于漂卵石覆蓋層；工況D4，“空洞”層頂部埋深14m，厚度為4m，位于漂卵石覆蓋層（見圖4、圖5、圖6）。

圖4 正常蓄水位＋35m長樁基不同“空洞”埋深橫河向變位云圖

（1）橫河向位移。橫河向位移較大值出現(xiàn)在閘墩上游右端。就整個(gè)閘室而言，右端變形較左端變形大，上游變形較下游大，且各工況下的變位規(guī)律不明顯。D1工況下閘室最大位移為52.27mm，D2工況下最大位移為52.75mm，變位大于D1工況，D3工況下最大位移為52.71mm，D4工況下最大位移為51.78mm。

（2）順河向位移。順河向位移基本為順?biāo)鞣较?，所有工況的最大位移均出現(xiàn)在右側(cè)閘墩中游處。D1工況下閘室的最大變位為33.65mm，D2工況下閘室的最大變位為33.21mm，D3工況下閘室的最大變位為31.75mm，D4工況下閘室的最大變位為29.33mm，順河向位移隨著“空洞”埋深的增加而減小。“空洞”埋深越深，順河向變位越小。

圖5 正常蓄水位＋35m長樁基不同“空洞”埋深順河向變位云圖

圖6 正常蓄水位＋35m長樁基不同“空洞”埋深鉛直向變位云圖

（3）鉛直向位移。所有工況的鉛直向位移較大值均出現(xiàn)在閘墩下游右端。D1工況下閘室的最大變位為63.01mm，D2工況下閘室的最大變位為61.65mm，D3工況下閘室的最大變位為59.39 mm，D4工況下閘室的最大變位為56.92mm?！翱斩础甭裆钤缴?，鉛直向變位越小。

正常蓄水位工況、不同“空洞”埋深、＋35m樁基長度作用下，閘室、防滲墻順河向與鉛直向應(yīng)力分析如下。

由表1可知“空洞”埋深對閘底板順河向應(yīng)力及鉛直向應(yīng)力影響不明顯。澆筑樁基后的底板與建基面接觸處鉛直應(yīng)力均在地基承載能力范圍內(nèi)。

表1 正常蓄水位＋35m樁基長度不同“空洞”埋深閘底板特征點(diǎn)應(yīng)力

圖7～圖10分別顯示了正常水位＋35m樁長不同“空洞”埋深工況下防滲墻左、右側(cè)順河向及鉛直向應(yīng)力沿高程變化情況。結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力水平隨著“空洞”埋深的增加而有所降低，但在“空洞”高程處相應(yīng)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化情況較為復(fù)雜。防滲墻鉛直向壓應(yīng)力在10～30mm高程處隨著“空洞”埋深的增加而出現(xiàn)了較為明顯的漲幅。右側(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)力對“空洞”埋深較左側(cè)結(jié)構(gòu)應(yīng)力敏感。

4 結(jié)論及建議

4.1 結(jié)論

圖7 防滲墻左側(cè)不同高程的順河應(yīng)力曲線

（1）天然地基工況的鉛直向變位均超出規(guī)范允許值，但閘底板下游右側(cè)鉛直應(yīng)力大于地基承載力，必須對地基進(jìn)行加固；

圖8 防滲墻右側(cè)不同高程的順河應(yīng)力曲線

圖9 防滲墻左側(cè)不同高程的鉛直應(yīng)力曲線

圖10 防滲墻右側(cè)不同高程的鉛直應(yīng)力曲線

（2）由于地基右側(cè)“空洞”分布范圍較左側(cè)廣，導(dǎo)致右側(cè)結(jié)構(gòu)較左側(cè)結(jié)構(gòu)脆弱，其變位及應(yīng)力均大于左側(cè)；

（3）樁基對于本工程加固效果明顯，有效減小了閘室的變位，鉛直向位移對樁基長度最敏感，其次為順河向，最次之為橫河向；

（4）樁基有效降低了閘室的應(yīng)力水平，未設(shè)置樁基和設(shè)置樁基后閘室的應(yīng)力分布狀況完全不同；

（5）“空洞”工況下的變位與“空洞”所在層的材料有關(guān)，但在同一地基材料中，埋深越深，閘室變位越小，鉛直向位移對“空洞”埋深最敏感，其次為順河向，最次之為橫河向；

（6）“空洞”埋深對應(yīng)力影響微小。

4.2 建議及展望

（1）通過對仙女堡3＃閘段的模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)閘趾、防滲墻中上部、樁基中上部為薄弱環(huán)節(jié)，建議對其加強(qiáng)檢查；

（2）在進(jìn)行端承樁樁基長度設(shè)計(jì)時(shí)，端承樁端部應(yīng)盡量落在彈模較高的地基層上，以達(dá)到最大程度的緩減沉降作用；

（3）建議針對地基的不均勻?qū)е伦冃渭皯?yīng)力不對稱的問題，在處理地基時(shí)重點(diǎn)加固軟弱處，這樣不但能使地基達(dá)到最為均勻的情況，而且能節(jié)約成本；

（4）地基中的軟弱部位應(yīng)盡量避開，特別是埋深較淺的“空洞”部位，對上部建筑物的變位、應(yīng)力影響較明顯，如技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等方面允許，應(yīng)盡量采取工程措施；

（5）本次研究閘室的沉降問題時(shí)只考慮了閘段的絕對沉降，沒有考慮沉降差，可以進(jìn)一步優(yōu)化三維有限元模型，選取整個(gè)閘壩工程為對象進(jìn)行研究，用接觸單元模擬閘段與閘段之間的沉降縫，更加真實(shí)地模擬工程本身，研究深厚地基覆蓋層的不均勻性導(dǎo)致閘室的不均勻沉降問題；

（6）在研究“空洞”對閘室的影響時(shí)，只考慮了深度因素，可以考慮從“空洞”彈模因素進(jìn)一步模擬分析。

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2011－11－27）

胡 偉（1984－），男，四川遂寧人，助理工程師，研究方向?yàn)樗そY(jié)構(gòu)基礎(chǔ)工程；歐耀文（1984－），男，湖南婁底人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)闃痘徒Y(jié)構(gòu)加固，Email：ouyaowen2007＠126.com。