云南吊江巖水電站地下地基沉降變形應(yīng)力計(jì)算分析

秦乙洪，辛 欣，李悠然，鄧 源

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

云南吊江巖水電站地下地基沉降變形應(yīng)力計(jì)算分析

秦乙洪，辛 欣，李悠然，鄧 源

(三峽大學(xué) 水利與環(huán)境學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

云南省碩多崗河吊江巖水電站地理環(huán)境復(fù)雜，地質(zhì)條件惡劣，在修建擋水建筑物之前需對(duì)其地基進(jìn)行加固處理，以滿足建筑物對(duì)地基的要求。本文針對(duì)該地基實(shí)際情況，采用有限元軟件SIGMA/W對(duì)地下地基沉降進(jìn)行變形分析和地基應(yīng)力計(jì)算，對(duì)比相關(guān)規(guī)范手冊(cè)，效驗(yàn)是否滿足規(guī)范要求，為其地基處理方式的選擇提供合理依據(jù)，可供實(shí)際工程參考。

地基處理；地基沉降變形分析；應(yīng)力計(jì)算

建筑物地下地基沉降是嚴(yán)重威脅和影響到其使用和安全的因素[1-2]。過(guò)大的沉降，特別是不均勻沉降，會(huì)使建筑物發(fā)生傾斜、開裂以致不能正常使用[3]。在已有的對(duì)地基沉降的計(jì)算理論中，學(xué)者丁洲祥、朱合華通過(guò)算例分析，主要研究了幾何剛度效應(yīng)對(duì)荷載—沉降曲線的影響，并對(duì)比分析了小同率型大變形分析中的幾何剛度效應(yīng)問(wèn)題[4]；鄭俊杰、馬強(qiáng)采用數(shù)值模擬對(duì)復(fù)合地基附加應(yīng)力的擴(kuò)散模式進(jìn)行了研究，對(duì)規(guī)范及相關(guān)文獻(xiàn)給出的地基沉降計(jì)算方法進(jìn)行了討論，分析了承載板剛度、載荷大小、樁體剛度對(duì)應(yīng)力擴(kuò)散模式及擴(kuò)散角的影響[5]；余永強(qiáng)、賈立術(shù)通過(guò)探討地基土自重應(yīng)力對(duì)地基土體變形模量影響，采用原始積分法計(jì)算地基土的附加應(yīng)力，將自重應(yīng)力作用后的變形模量用于地基土附加應(yīng)力作用時(shí)的沉降計(jì)算中，提出了利用分層總和法計(jì)算地基沉降的簡(jiǎn)化計(jì)算方法[6]。

本文采用有限元軟件SIGMA/W對(duì)吊江巖水電站進(jìn)行模型建立，對(duì)不同土層深度沉降計(jì)算和通過(guò)規(guī)范手冊(cè)進(jìn)行對(duì)比分析，提出了不滿足規(guī)范地基層的處理方法[7]，其結(jié)果可為下一步的地基處理方式的選擇提供參考，具有借鑒意義。

1 工程概況

云南碩多崗河吊江巖水電站是在金沙江上建筑規(guī)劃的第四個(gè)梯級(jí)水電站，建設(shè)地點(diǎn)位于香格里拉縣虎跳鎮(zhèn)，修建地點(diǎn)周圍地理環(huán)境復(fù)雜，整個(gè)混凝土閘壩坐落在沖積層上。修建的混凝土閘壩地層從上到下分為5層，即混合土卵石1層，廣泛分布于兩岸邊坡及坡腳處，主要成分為灰?guī)r、板巖，其余為粉土和黏土，厚度大于150 m；粉土質(zhì)砂層，碎石混合土分布較少，成分為板巖，其余為粉土及砂，稍濕，結(jié)構(gòu)松散，厚度大約為20～70 m；混合土卵石2層，該層混合土卵石呈中密狀態(tài)，漂石含量較少，卵石含量較多，礫石含量約20%～30%，其余為砂，成分以玄武巖及少量的板巖、灰?guī)r為主，厚度大約為30～50 m；強(qiáng)風(fēng)化板巖層，黏粒含量和礫石含量較少，砂含量較多，粉粒含量約22.0%，呈可塑狀態(tài)，厚度大約為80～150 m；弱風(fēng)化板巖層，卵石含量占大部分，礫石含量約20%～30%，其余為砂，其成分以玄武巖及少量的板巖、灰?guī)r為主。

2 巖(土)體物理力學(xué)參數(shù)

表1和表2是根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘探規(guī)范》(GB 50287—2006)得出。

表1 壩基各巖石(體)的物理力學(xué)參數(shù)建議值

表2 壩址土體物理力學(xué)參數(shù)建議值表

3 地基沉降的計(jì)算和分析

3.1 邊界條件及參數(shù)的選取與確定

計(jì)算區(qū)域：左邊距離上游壩趾15 m，右邊距離下游壩趾27 m，地面距離弱風(fēng)化板巖底部29.5 m，其中上游壩趾距離縱坐標(biāo)軸20 m，下游壩趾距離縱坐標(biāo)軸53 m，弱風(fēng)化板巖底部與橫坐標(biāo)軸重合。

有限元SIGMA/W分析是基于SEEP/W計(jì)算基礎(chǔ)上對(duì)地基沉降變形進(jìn)行分析，分析情況為上游有水。計(jì)算時(shí)將地基分為五個(gè)分區(qū)，由地面從上至下依次分別為：混合土卵石1層，粉土質(zhì)砂層，混合土卵石2層，強(qiáng)風(fēng)化板巖層，弱風(fēng)化板巖層。為了研究上游的水和大壩自重對(duì)地基沉降的影響，此處將大壩的澆注材料混凝土也作為一種材料。具體材料對(duì)應(yīng)的參數(shù)如下表3。

表3 地基材料分區(qū)及其對(duì)應(yīng)參數(shù)

3.2 上游有水時(shí)有限元SIGMA/W分析

上游有水時(shí)邊界條件：上游水頭壓力22.5 m，下游假設(shè)水頭壓力為0 m，大壩左側(cè)、右側(cè)、底部邊界X和Y方向位移均為0。此時(shí)除了大壩自重還有水壓力的作用，地基出現(xiàn)明顯沉降，沉降情況如圖1和圖2。

從圖1和圖2可以看出：各個(gè)地層都會(huì)有沉降，由沉降細(xì)部圖2知最大沉降量發(fā)生在混合土卵石1層，為35 cm。圖2中數(shù)值為負(fù)是因?yàn)橄掠螣o(wú)水而且限制了邊界不讓其發(fā)生位移導(dǎo)致在上游水的作用下使得地面隆起。

圖1 上游有水時(shí)地基沉降圖

圖2 上游有水時(shí)地基沉降細(xì)部圖

圖3 有水時(shí)地基沉降曲線選點(diǎn)圖

圖4 有水時(shí)地基沉降曲線圖

從圖3和圖4可以看出：沉降量最明顯的地層是混合土卵石1層，沉降曲線圖選取最靠近大壩底的點(diǎn)為研究對(duì)象，從曲線圖4中可以知道最大沉降量約為22 cm，根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265-2001)天然土質(zhì)地基上水閘地基最大沉降量不宜超過(guò)15 cm，顯然在上游有水時(shí)該地基不滿足沉降要求。

圖5 有水時(shí)混合土卵石1層應(yīng)力曲線選點(diǎn)圖

圖6 有水時(shí)混合土卵石1層應(yīng)力曲線圖

從圖5和圖6可以看出：有水時(shí)混合土卵石1層最大的應(yīng)力值在320 kPa左右，根據(jù)表2中混合土卵石的允許承載力為400～450 kPa，顯然該地層滿足承載力要求。

圖7 有水時(shí)粉土質(zhì)砂層應(yīng)力曲線選點(diǎn)圖

圖8 有水時(shí)粉土質(zhì)砂層應(yīng)力曲線圖

從圖7和圖8可以看出：有水時(shí)粉土質(zhì)砂層最大應(yīng)力值在340 kPa左右，根據(jù)表2中粉土質(zhì)砂的允許承載力為180～200 kPa，顯然不滿足承載力要求，為此對(duì)該地層要進(jìn)行處理。

圖9 有水時(shí)混合土卵石2層應(yīng)力曲線選點(diǎn)圖

圖10 有水時(shí)混合土卵石2層應(yīng)力曲線圖

從圖9和圖10可以看出：有水時(shí)混合土卵石2層最大的應(yīng)力值在350 kPa左右，根據(jù)表2中混合土卵石的允許承載力為400～450 kPa，顯然該地層滿足承載力要求。

圖11 有水時(shí)強(qiáng)風(fēng)化板巖層應(yīng)力曲線選點(diǎn)圖

圖12 有水時(shí)強(qiáng)風(fēng)化板巖層應(yīng)力曲線圖

從圖11和圖12可以看出：有水時(shí)強(qiáng)風(fēng)化板巖層最大的應(yīng)力值在420 kPa左右，根據(jù)表1有強(qiáng)風(fēng)化板巖的允許承載力為400～500 kPa，顯然該地層滿足承載力要求。

從圖13和圖14可以看出：有水時(shí)弱風(fēng)化板巖層最大的應(yīng)力值為525 kPa，根據(jù)表1中有弱風(fēng)化板巖的允許承載力為600～800 kPa，顯然該地層滿足承載力要求。

圖13 有水時(shí)弱風(fēng)化板巖層應(yīng)力曲線選點(diǎn)圖

圖14 有水時(shí)弱風(fēng)化板巖層應(yīng)力曲線圖

4 處理措施的提出

由于上游有水時(shí)地基沉降超出了《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 265-2001)中規(guī)定的15 cm，為此要對(duì)地基進(jìn)行加固處理，下一步需確定處理的具體地層。由以上分析可知：采用有限元軟件SIGMA/W分析了上游有水時(shí)建筑物地基5層情況，只有粉土質(zhì)砂層不滿足地基承載力要求。

通過(guò)分析可知：需要對(duì)粉土質(zhì)砂層的具體情況進(jìn)行分析。圖15、圖16為粉土質(zhì)砂層上部的沉降曲線圖，可以看出最大沉降為17 cm左右仍然超出15 cm。圖17、圖18為粉土質(zhì)砂層中部的沉降曲線圖，明顯可以看到最大沉降量為10.5 cm左右，滿足要求。為了確保地基穩(wěn)定安全，需對(duì)可能出現(xiàn)地基沉降的地基層進(jìn)行處理，通過(guò)以上分析可知應(yīng)選定可能出現(xiàn)地基沉降的地基層為粉土質(zhì)砂層，深度約為10.5 m。

圖15 有水時(shí)粉土質(zhì)砂層上部應(yīng)力曲線選點(diǎn)圖

圖16 有水時(shí)粉土質(zhì)砂層上部沉降曲線圖

針對(duì)混合土卵石以及粉土質(zhì)砂，根據(jù)以上分析可擬定出適合本方案地基處理的方法為選用振沖法中加填料的振沖碎石樁法，即用振動(dòng)、沖擊或水沖等方式在軟弱地基中成孔后，再將碎石或砂擠壓入土孔中，形成大直徑的碎石或砂所構(gòu)成的密實(shí)樁體，其中碎石樁樁徑1 m，深度12 m，碎石樁布置間距為3 m×3 m。

圖17 有水時(shí)粉土質(zhì)砂層中部沉降曲線選點(diǎn)圖

圖18 有水時(shí)粉土質(zhì)砂層中部沉降曲線圖

5 結(jié) 論

(1)通過(guò)本文分析可知可能出現(xiàn)地基沉降的地基層為粉土質(zhì)砂層，固需要對(duì)其進(jìn)行加固處理。

(2)文章中若對(duì)提出地基沉降的處理措施加以詳細(xì)補(bǔ)充，會(huì)對(duì)工程更具有實(shí)際參考價(jià)值。

(3)為確保地基各個(gè)巖層的受力穩(wěn)定，文章可選取Ansys軟件對(duì)其結(jié)構(gòu)受力情況進(jìn)行建模分析，會(huì)更具有說(shuō)服力。

[1] 孟常青.試論軟弱地基處理的方法[J].中國(guó)科技縱橫，2011(15)：2-4.

[2] 彭弟，張坤.地基處理新技術(shù)與發(fā)展[J].長(zhǎng)春工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2007(3)：1-3.

[3] 蘇新國(guó)，吳凌.軟土地基處理新方法的研究[J].工程建設(shè)與檔案，2004(4)：38-40.

[4] 丁洲祥，朱合華.地基沉降大變形有限元分析的幾何剛度效應(yīng)[J].巖土力學(xué)，2009(5)：1275-1280.

[5] 鄭俊杰，馬強(qiáng).復(fù)合地基沉降計(jì)算與數(shù)值模擬分析[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010(8)：95-98.

[6] 余永強(qiáng)，賈立術(shù).基于變形模量的地基沉降的計(jì)算方法[J].河南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013(10)：620-624.

[7] 張子明.用初始函數(shù)法計(jì)算多層地基的位移和應(yīng)力[J].巖土工程學(xué)報(bào)，1986(4):15-18.

Stress calculation and analysis of underground foundation’s sedimentary deformation in Diaojiangyan hydropower station of Yunnan Province

QIN Yihong,XIN Xin,LI Youran,DENG Yuan

(CollegeofHydraulicandEnvironmentEngineering,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China)

The Diaojiangyan hydropower station of Yunnan province has a complex and adverse geographical environment. Its foundation must be reinforced before building the dam in order to meet the demand of foundation bearing capacity. Considering above these, in the paper, the foundation’s sedimentary deformation was analyzed and the stress was calculated by the finite element software SIGMA/W. The conclusions which were compared with the standard values from specifications manual, can not only provide a reasonable basis for foundation treatment but be referred by practical project.

foundation treatment; analysis of foundation`s sedimentary deformation; stress calculation

三峽大學(xué)科研創(chuàng)新基金(SDYC2016004)

秦乙洪(1992-)，男，碩士研究生，主要從事水利工程施工與管理方面的研究。

TV741

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2096-0506(2016)12-0005-06