景 浩

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 陜西省西安市)

某水電站廠房基礎(chǔ)沉降及其應(yīng)力的有限元分析

景 浩

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 陜西省西安市)

水電站的主要建筑物廠房，在其基礎(chǔ)建設(shè)過(guò)程中往往需要保證有著相對(duì)穩(wěn)定的基礎(chǔ)，以免發(fā)生沉降以及不均勻沉降，導(dǎo)致某些結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞或影響工程的正常運(yùn)行。文章主要結(jié)合Auto_Bank水工二維有限元計(jì)算軟件，對(duì)廠房基礎(chǔ)沉降和應(yīng)力進(jìn)行分析，幫助確定了廠房地基基礎(chǔ)處理方案。

水電站廠房 基礎(chǔ)沉降 應(yīng)力 有限元

現(xiàn)階段，水電站廠房的基礎(chǔ)建設(shè)作為一項(xiàng)重要的工作，和水電站的建成安全穩(wěn)定運(yùn)作有著直接性的關(guān)聯(lián)。而水電站廠房基礎(chǔ)沉降的計(jì)算，主要是對(duì)廠房地基基礎(chǔ)合理的處理方案確定，更是關(guān)鍵所在。對(duì)于如何做好水電站廠房基礎(chǔ)沉降的計(jì)算始終是設(shè)計(jì)行業(yè)領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)之一，因此本文提出了一種二維有限元的計(jì)算方法，對(duì)于水電站廠房基礎(chǔ)沉降的計(jì)算有著一定的現(xiàn)實(shí)意義。

一、工程概況

西北某一水電站，為長(zhǎng)引水式開(kāi)發(fā)，校核洪水位高程為2655.02m，庫(kù)容為98.5萬(wàn)平方米，正常蓄水位高程為2653.2m。引水閘門設(shè)在河流右岸，整個(gè)引水洞長(zhǎng)度為1631.85m，廠房位置布置在鄉(xiāng)政府的上游河道右岸，電站總裝機(jī)容量110MW，年的平均發(fā)電量為4.9652億kW·h。

二、水電站廠房廠區(qū)的樞紐布置

對(duì)于發(fā)電廠房樞紐區(qū)的布置而言，往往需要深入的了解樞紐區(qū)左岸和右岸周圍的地質(zhì)情況。根據(jù)電站可研階段的地質(zhì)報(bào)告，本電站工程區(qū)出露基巖巖性為二云母片巖，河床覆蓋層的基礎(chǔ)厚度大于59.74m，有著較為復(fù)雜的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。結(jié)合物質(zhì)的組成，主要有第一層漂卵礫石層粉土，第二層為細(xì)砂層，第三層為漂卵礫石層。但是每層有著不均一的結(jié)構(gòu)，并有著較高的局部含砂量，在破碎帶透鏡體的均勻分布中，往往有著較小的卵石和礫石存在。

廠房樞紐總體布置上呈一字型布置，廠房軸線是順河流的方向。主要建筑物包括主機(jī)間、安裝間、副廠房和GIS樓。副廠房布置在安裝間的上游布置，GIS樓布置于主機(jī)間的上游側(cè)，整個(gè)廠區(qū)建筑，實(shí)際上是與河流的平行的布置格局。在安裝間的下游側(cè)布置有進(jìn)廠道路。在廠前的車場(chǎng)布置時(shí)，主要結(jié)合廠區(qū)周邊的邊坡，采用C20混凝土防洪墻將廠區(qū)周圍防護(hù)起來(lái)。主廠房的長(zhǎng)度為42.15m，安裝間的長(zhǎng)度是27.30m，按照規(guī)范設(shè)計(jì)要求，為了避免不均勻沉降，在主廠房和安裝間之間設(shè)立永久沉降縫。安裝間采用上下兩層的布置格局，其中下層的高程為2208.00m，主要布置有油罐室和空壓機(jī)室，上層為水機(jī)和機(jī)電安裝場(chǎng)，主要作為機(jī)組安裝、檢修、維護(hù)的場(chǎng)地。安裝間的基礎(chǔ)屬于開(kāi)挖部分，采用了C20三級(jí)配混凝土進(jìn)行回填處理。

三、水電站廠房基礎(chǔ)沉降和基礎(chǔ)計(jì)算

通過(guò)結(jié)合Auto_Bank水工結(jié)構(gòu)有限元軟件的分析過(guò)程，廠房基礎(chǔ)沉降在應(yīng)用二維有限元分析，計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 水電站廠房基礎(chǔ)沉降和應(yīng)力的一種計(jì)算參數(shù)分析

對(duì)于土體破壞區(qū)域判斷公式的存在，結(jié)合摩爾-庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則，對(duì)土體極限平衡狀態(tài)進(jìn)行推導(dǎo)，關(guān)于平衡狀態(tài)的應(yīng)力，如式（1）所示。

土體單元在極限平衡狀態(tài)中的大主應(yīng)力用f1δ表示，最小應(yīng)力用f3δ表示，對(duì)于土體單元內(nèi)摩擦角用φ表示，土體粘聚力用c表示。

對(duì)于第三層-1粉土細(xì)砂層在處理過(guò)程，對(duì)于第一種方案而言，主要是結(jié)合高壓旋噴進(jìn)行處理。對(duì)于上部的結(jié)構(gòu)而言，主要是做好擴(kuò)大的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)的加寬處理。處理過(guò)程如圖1所示。

圖1 水電站廠房有限元計(jì)算單元基礎(chǔ)處理前的劃分

沒(méi)有經(jīng)過(guò)基礎(chǔ)沉降計(jì)算的成果，如圖2所示。

圖2 沒(méi)有經(jīng)過(guò)基礎(chǔ)沉降計(jì)算的成果示意圖

沒(méi)有經(jīng)過(guò)處理的最大應(yīng)力和破壞去的成果圖，如圖3所示。

圖3 沒(méi)有經(jīng)過(guò)處理的最大應(yīng)力和破壞去的成果圖

基礎(chǔ)處理之前，廠房沉降相對(duì)較大，同時(shí)在第二層的結(jié)構(gòu)上，塑性破壞較大，基礎(chǔ)承載能力相對(duì)較差，難以滿足于基礎(chǔ)需求。通過(guò)處理之后，水電站廠房基礎(chǔ)處理后有限單元計(jì)算的單元?jiǎng)澐謭D，如圖4所示。

圖4 水電站廠房基礎(chǔ)處理后有限單元計(jì)算的單元?jiǎng)澐謭D

水電站廠房基礎(chǔ)處理后基礎(chǔ)沉降的計(jì)算成果，如圖5所示。

圖5 水電站廠房基礎(chǔ)處理后基礎(chǔ)沉降的計(jì)算成果

水電站廠房基礎(chǔ)處理之后最大應(yīng)力和破壞區(qū)成果圖如圖6所示。

圖6 水電站廠房基礎(chǔ)處理之后最大主應(yīng)力和破壞區(qū)域成果圖

結(jié)合以上水電站廠房基礎(chǔ)未處理基礎(chǔ)沉降的計(jì)算成果和水電站廠房基礎(chǔ)處理之后基礎(chǔ)沉降的計(jì)算成果進(jìn)行對(duì)比分析，在廠房的沉降研究過(guò)程，廠房沉降處于縮小階段，廠房的第二層而言，基礎(chǔ)中往往沒(méi)有塑性破壞，實(shí)際的基礎(chǔ)層沉降量處于減少的狀態(tài)，改善基礎(chǔ)應(yīng)力情況的同時(shí)，其承載能力和相關(guān)的要求逐漸滿足。

通過(guò)將水電站廠房的主廠房逐漸加寬8m，在基礎(chǔ)沉降計(jì)算成果的計(jì)算過(guò)程，如圖7所示。

圖7 水電站廠房主廠房加寬8m之后的基礎(chǔ)沉降計(jì)算結(jié)果

水電站廠房主廠房加寬8m之后最大主應(yīng)力和破壞區(qū)域的成果結(jié)構(gòu)圖如圖8所示。

水電站廠房主廠房基礎(chǔ)加寬8m之后，在廠房基礎(chǔ)沉降的計(jì)算中，其中沉降僅僅為20cm，而第二層的基礎(chǔ)，出現(xiàn)塑性破壞，但是和基礎(chǔ)未處理之前進(jìn)行比較，基礎(chǔ)沉降相對(duì)較小，同時(shí)塑性破壞相對(duì)較小。而基礎(chǔ)下的基礎(chǔ)承載能力難以對(duì)相關(guān)的要求有效滿足。在廠房基礎(chǔ)進(jìn)一步擴(kuò)大可行性的分析過(guò)程，通過(guò)將水電站廠房的主廠房逐漸加寬，加寬12m，在水電站廠房主廠房加寬12m之后的基礎(chǔ)沉降計(jì)算結(jié)果，結(jié)果示意圖如圖9所示。

圖9 水電站廠房主廠房加寬12m之后的基礎(chǔ)沉降計(jì)算結(jié)果圖

水電站廠房主廠房基礎(chǔ)加寬12m之后最大主應(yīng)力和破壞區(qū)域的成果結(jié)構(gòu)圖，如圖10所示，

圖10 水電站廠房主廠房加寬12m之后最大主應(yīng)力和破壞區(qū)域的成果結(jié)構(gòu)圖

對(duì)于廠房基礎(chǔ)的不斷擴(kuò)大過(guò)程，廠房沉降的距離為19.0cm，在廠房基礎(chǔ)下的第二層基礎(chǔ)破壞分析過(guò)程中，塑性破壞出現(xiàn)?；A(chǔ)處理過(guò)程，注重基礎(chǔ)沉降量的綜合分析，但是對(duì)于基礎(chǔ)承載能力而言，難以和滿足的需求滿足。

結(jié)語(yǔ)：

本文通過(guò)對(duì)某水電站廠房基礎(chǔ)沉降和應(yīng)力的二維有限元的應(yīng)用分析，在廠房地基的處理過(guò)程中，需要對(duì)廠區(qū)進(jìn)行合理的規(guī)劃布置，并在廠房基礎(chǔ)擴(kuò)大的設(shè)計(jì)時(shí)，盡可能的結(jié)合旋噴樁的處理方案，減少水電站廠房基礎(chǔ)沉降和應(yīng)力，進(jìn)而能確保實(shí)現(xiàn)水電站的穩(wěn)定建設(shè)和投入使用。

[1] 楊春雁.有限元在某水電站廠房基礎(chǔ)沉降及應(yīng)力分析中的應(yīng)用 [J].河南水利與南水北調(diào),2011,12(22):9-10,15.

[2] 王輝,黃小春,胡偉等.軟基上的水電站廠房設(shè)計(jì)與施工 [J].中國(guó)農(nóng)村水利水電,2005,05(12):98-99,101.

[3] 王恒學(xué) .化工廠房大體積基礎(chǔ)沉降的現(xiàn)狀與強(qiáng)夯施工 [J].城市建設(shè)理論研究,2011,11(14)：11-20.

[4] 張軍.化工廠房大體積基礎(chǔ)沉降的現(xiàn)狀與強(qiáng)夯施工 [J].科技促進(jìn)發(fā)展,2011,02(4):274-274.

[5] Yankovich TL,Koarashi J,Kim SB et al.International study on the validation of models for the environmental transfer of tritium and carbon-14.[J].Applied radiation and isotopes: including data, instrumentation and methods for use in agriculture, industry and medicine,2008,66(11):1726-1729.

G322

B

1007-6344（2015）11-0066-02