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.中南大學土木工程學院， 湖南長沙410075；3.湖南省株洲市水利水電勘測設計院， 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.中南大學土木工程學院， 湖南長沙410075；3.湖南省株洲市水利水電勘測設計院， 湖南株洲市 410067）

為了對仙女堡水電站地基進行加固，利用ANSYS建立了三維非線性有限元模型，共計離散單元31852個，節(jié)點數33344個。計算結果表明：仙女堡水電站35m厚的深厚覆蓋層以及因淘金擾動而形成的“空洞”，其分布范圍較廣的右側地基上的上部結構變位、應力均較左側大；其次通過模擬正常蓄水位下4種不同“空洞”的埋深，發(fā)現“空洞”埋深對橫河向變位及應力影響較小，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；應力；應變

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、左右側重力式擋水壩、下游護坦等構成，壩頂全長113.43m。其中泄洪沖沙閘長90m，左、右側擋水壩段長分別為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、右側均采用混凝土重力壩與側坡相接。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主要從提高地基土的強度、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），排水固結法（堆樁預壓法、排水井堆載預壓法），振密擠密法（強錘夯實法、強夯法、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、強夯法、振沖擠密法、樁基法適用于深厚地基加固。

樁基礎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將上部荷載均勻分布到群樁基礎上，最后通過樁基將荷載傳遞到地下較深處的密實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）當荷載較大，地基上部土層軟弱，采用淺基礎或進行地基處理在技術上和經濟上不合理時［7］；

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

（3）建筑物承受較大的水平荷載時；

（4）在流動水域中，水流沖刷較深，危及一般基礎穩(wěn)定時；

（5）施工水位或地下水位較高，采用其他深基礎不便施工時。

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松散堆積物。據鉆孔及開挖揭示，河床覆蓋層厚20～35m，主要為第四系全新統沖洪積層（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，在技術和經濟上，樁基礎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力的影響

仙女堡水電站經過淘金擾動后的地基，因級配不良，易形成彈模較低的軟弱帶，產生一定數量和規(guī)模的“空洞”?！翱斩础睍龃箝l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行；過大的沉降差會引起閘室的傾斜、裂縫導致建筑物的破壞。而不同埋深的“空洞”對于閘室的變位、應力影響必定也不同。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“空洞”單元的彈塑性指標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、應力進行分析，總結不同的“空洞”埋深對閘室變位及應力水平的影響。

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。本次數值分析計算右側地基模擬“空洞”20m×8m×4m（長×寬×高），左側地基模擬“空洞”20m×4m×4m（長×寬×高）。坐標點取在閘底板對稱點上，x軸指向閘室左側，y軸正方向為逆水流方向，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，結構計算模塊采用solid45六面體單元，本構模型采用鄧肯－張非線性模型，滲流計算模塊采用六面體對應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。整個模型離散后總計單元數31852個，節(jié)點數33344個。

如果患者的記性變差，那么診治的時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出現的就是認知的削弱了。越到后面，病人出現更多的其他不良反應，比如會出現幻覺，或者是精神方面出現不正常的現象。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”層時閘壩三維有限元分析

對不同樁基長度下的閘壩進行有限元分析時可知，樁基按實際工程澆注至千枚巖與漂卵石接觸面較為合理，計算水位采用正常運行水位（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在閘墩上游右端。就整個閘室而言，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水流方向，所有工況的最大位移均出現在右側閘墩中游處。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?！翱斩础甭裆钤缴?，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力分析如下。

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

表1 正常蓄水位＋35m樁基長度不同“空洞”埋深閘底板特征點應力

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、右側順河向及鉛直向應力沿高程變化情況。結構整體應力水平隨著“空洞”埋深的增加而有所降低，但在“空洞”高程處相應結構的應力變化情況較為復雜。防滲墻鉛直向壓應力在10～30mm高程處隨著“空洞”埋深的增加而出現了較為明顯的漲幅。右側結構應力對“空洞”埋深較左側結構應力敏感。

4 結論及建議

4.1 結論

圖7 防滲墻左側不同高程的順河應力曲線

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

圖8 防滲墻右側不同高程的順河應力曲線

圖9 防滲墻左側不同高程的鉛直應力曲線

圖10 防滲墻右側不同高程的鉛直應力曲線

（2）由于地基右側“空洞”分布范圍較左側廣，導致右側結構較左側結構脆弱，其變位及應力均大于左側；

（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力水平，未設置樁基和設置樁基后閘室的應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，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＃閘段的模擬計算，發(fā)現閘趾、防滲墻中上部、樁基中上部為薄弱環(huán)節(jié)，建議對其加強檢查；

（2）在進行端承樁樁基長度設計時，端承樁端部應盡量落在彈模較高的地基層上，以達到最大程度的緩減沉降作用；

（3）建議針對地基的不均勻導致變形及應力不對稱的問題，在處理地基時重點加固軟弱處，這樣不但能使地基達到最為均勻的情況，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、應力影響較明顯，如技術、經濟等方面允許，應盡量采取工程措施；

（5）本次研究閘室的沉降問題時只考慮了閘段的絕對沉降，沒有考慮沉降差，可以進一步優(yōu)化三維有限元模型，選取整個閘壩工程為對象進行研究，用接觸單元模擬閘段與閘段之間的沉降縫，更加真實地模擬工程本身，研究深厚地基覆蓋層的不均勻性導致閘室的不均勻沉降問題；

（6）在研究“空洞”對閘室的影響時，只考慮了深度因素，可以考慮從“空洞”彈模因素進一步模擬分析。

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2011－11－27）

胡 偉（1984－），男，四川遂寧人，助理工程師，研究方向為水工結構基礎工程；歐耀文（1984－），男，湖南婁底人，碩士，工程師，主要研究方向為樁基和結構加固，Email：ouyaowen2007＠126.com。