(撫順縣水務局，遼寧 撫順 113006)

土石壩段地基沉降及處理方案研究

郭俊濤

(撫順縣水務局，遼寧 撫順 113006)

本文以遼寧撫順地區(qū)的大伙房水庫土石壩地基的沉降問題為研究對象，分別采用e-p曲線法、轉(zhuǎn)化公式法以及有限元模型分析法，對在施工中的建筑物進行沉降量計算。計算的結(jié)果表明：轉(zhuǎn)化公式法依據(jù)相關(guān)的線性彈性理論進行分析計算，其方法簡便快捷，準確性高，在對地基沉降問題的一些估算中提供了足夠的數(shù)據(jù)支撐和方法應用。

土石壩；地基沉降；分析模型

土石壩是一種有著悠久歷史的具有防水功能的堤壩，它的材料主要是土石料及混合料等[1]。如今，在我國的眾多水庫中，土石壩占大多數(shù)，主要由于自身存在一些優(yōu)勢，如所用的材料采集比較方便，構(gòu)筑堤壩技術(shù)較成熟；結(jié)構(gòu)簡單，適應能力強等。在構(gòu)筑堤壩之前，必須考慮的一個問題是地基沉降，這是由于建筑物會將一些重力施加給地基，使地基所受到的應力發(fā)生變化，導致地基產(chǎn)生不同程度的剪切、豎向、橫向的變形，引起一些沉降等。對于該類地基沉降問題的處理，從結(jié)構(gòu)方面來說，主要考慮以下幾點：變形、液化、溶蝕與滲漏、強度及穩(wěn)定性等。近些年來，國內(nèi)外對地基沉降及處理問題進行了大量的研究，國外主要以計算為主，且對計算理論的研究頗多，目前，主要有以下幾種方法：實測參數(shù)法、經(jīng)典算法以及采用測定的沉降曲線以應用統(tǒng)計的方法來推導出最終的沉降量等[2]。國內(nèi)眾多專家結(jié)合國際上一些工程實踐及理論，對沉降的計算主要采用實用工程計算法和模型構(gòu)筑的有限元分析法等。

1 大伙房水庫土石壩段地質(zhì)概述

大伙房水庫位于撫順地區(qū)，最大蓄水面積可達113km2，水庫正常蓄水位85.00m，防洪水位83.00m，死水位81.00m，設計洪水位94.38m，校核洪水位99.47m，水庫最大庫容13.92億m3。大伙房水庫是一座具有發(fā)電、防洪、灌溉、魚類養(yǎng)殖等綜合功能的大型水利水電工程。表1為大伙房水庫的水位以及土石壩段建筑物的運行方式。

表1大伙房水庫的水位以及土石壩段建筑物的運行方式

項 目特征水位/m水庫容量/109m3底孔/(m3/s)溢流壩/(m3/s)防洪水位83 000 912——正常蓄水位85 001 803——死水位81 000 351——10年一遇洪水位89 001 762——50年一遇洪水位93 605 320——100年一遇洪水位95 108 100——校核洪水位99 4713 92014324 82439 1設計洪水位94 389 42012410 72425 9

2 試驗及方法

2.1 地基沉降計算原理及理論

地基沉降計算公式為：

S(t)=Sd+Ss(t)+Sc(t)

式中S(t)——在時間t內(nèi)的地基總沉降量；

Sd——瞬時的沉降量；

Ss(t)——在時間t內(nèi)地基的次固結(jié)沉降量；

Sc(t)——在時間t內(nèi)的地基排水固結(jié)沉降量。

其中，瞬時沉降量的計算通?？紤]的有三種方法：歸一化法、受力途徑法、線彈性理論及其修正算法。次固結(jié)沉降量的計算一般可以忽略，不作為重點[3]。固結(jié)沉降量通常采用線彈性固結(jié)理論來計算，根據(jù)地基中任意一點的應變和有效應力兩者之間的關(guān)系建立方程進行求解。

若只涉及地基的一次受力變形，則固結(jié)變形附加的受力公式為

pzf=(pcz-Fc)+pzt

式中pzf——地基中土體受到點的應力；

pcz——豎向上受到的自身重力；

Fc——早期受到的固結(jié)應力；

pzt——地基中土體受到點的豎向應力[4]。

經(jīng)過多次的推導及變形，固結(jié)沉降的最終公式為

S=

該公式為非線性的，其求解過程較為復雜，需要借助于e-p曲線進行求解。計算中，總體步驟為：由總和分層法理論，把整體分割為若干分層，計算出每一分層的地基沉降量，然后再次相加，即為地基的最終沉降量。

2.2 地基沉降的有限元分析模型建立

有限元法是一種結(jié)構(gòu)離散化的方法，可以把比較復雜的結(jié)構(gòu)問題分割為幾個較簡單的部分集合單元，從而建立起一個個方程組進行求解分析。其優(yōu)點主要有：原理簡單明了、應用范圍較廣、線性及非線性問題皆可進行求解，并且，整體采用矩陣式方程，計算簡單。有限元分析的基本原理包括變分原理和加權(quán)余量原理，其中，變分原理主要包括最小余能原理、最小勢能原理及虛位移原理等。有限元分析一般分為預處理、計算分析和后處理三個步驟，即先使其結(jié)構(gòu)進行離散化，然后建立場變量模型及求單元體系數(shù)，再建立平衡方程，最后對方程進行求解。ANSYS是一種分析軟件，可以對各種力場、結(jié)構(gòu)、靜態(tài)力學等進行模擬，有著很高的準確性及精密度。其分析過程主要為：預處理，也就是建立有限元模型，有從頂而下和自底而上兩種方式；計算分析，也就是對有限元模型進行分析，先調(diào)節(jié)有關(guān)條件，再對平衡方程組進行微積分求解；后處理，也就是針對前述的數(shù)據(jù)、模型進行分析，得出結(jié)果。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 有限元模型法

根據(jù)對前邊的大伙房水庫的相關(guān)介紹可知，其土石壩段線比較長，有著不同性質(zhì)的地基土體。于是針對不同的地質(zhì)條件進行特征建立有限元分析模型，根據(jù)所用材料的非線性特征，利用有限元分析的三維法以及獲取的有關(guān)物理結(jié)構(gòu)參數(shù)，對地基土體的分布規(guī)律、沉降值及特征進行總結(jié)分析。首先進行預處理，建立模型，因為大伙房水庫中的土石壩有三個壩段，要選擇特征性壩段分析其特有的地質(zhì)狀況。經(jīng)初步分析，選定0+800～1+200的Ⅱ級階作為特征壩段建立模型。然后選擇材料的結(jié)構(gòu)模型，通常采用德盧科-普拉格的DP模型進行分析，它不僅可以減小計算中的難度，而且計算的準確度和精度也能得到滿足。最后進行模型的離散化處理，利用ANSYS軟件進行整體劃分，以四面體單元為基準進行劃分，最終共分為32761個部分單元，再進行加載及后處理分析，采用ANSYS軟件的后處理部分，將位移線和Z軸云圖進行處理。

3.2 e-p曲線分層總和法

根據(jù)地基土體中的相關(guān)試驗物性參數(shù)，對分析軟件擬合的e-p曲線進行分層總和法計算。出壩基±1為Ⅰ級階地Qla 14低液限黏土，平均天然含水率24.3%，平均天然干密度1.54g/cm3。出壩基±2為Ⅱ級階地Qalp 3低液限黏土(上)，平均含水率28.6%，平均天然干密度1.49g/cm3。出壩基±3為Ⅱ級階地Qalq 3低液限黏土(下)，平均天然含水率24.4%，平均天然干密度1.60g/cm3。出心墻土平均天然含水率23.7%，平均天然干密度1.45g/cm3。

圖1 孔隙比與壓力(e-p)關(guān)系曲線(一)

圖2 孔隙比與壓力(e-p)關(guān)系曲線(二)

圖3 孔隙比與壓力(e-p)關(guān)系曲線(三)

圖4 孔隙比與壓力(e-p)關(guān)系曲線(飽和狀態(tài)下的心墻土)

圖5 非飽和狀態(tài)下心墻土料的e-p曲線

從圖1～圖5可以看出，選取的Ⅱ級階地斷面，計算的沉降結(jié)果為：該水庫大壩建成后的總沉降量為1.15m，大壩的高度為22.1m，并且，在非飽和的狀態(tài)下，該壩體壩基為0.84m，沉降 0.20m。

3.3 轉(zhuǎn)化公式法

對選取的1+100斷面固定不變，以心墻部分為主要對象進行計算，結(jié)果見表2。

表2 1+100 斷面沉降計算結(jié)果

3.4 三種不同方法的結(jié)論分析

具體的分析結(jié)果見表3。

表3 大伙房水庫地基沉降結(jié)果

有限元模型分析法的優(yōu)勢是可以真實地模擬地基沉降問題，能夠利用建立的模型去計算非線性問題，得出的結(jié)果具有較高的準確性，從表3中可以看出，采用有限元法得出的最大地基沉降量為1.10m；e-p曲線法是一種較為傳統(tǒng)的計算分析法，能夠?qū)Φ鼗馏w結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)進行簡便的表征和考察，其所得到的結(jié)果準確性較高，利用該方法，可知表3中的結(jié)果為1.06m；對于轉(zhuǎn)化公式法而言，需要的試驗數(shù)據(jù)不多，計算簡便快捷，可以在計算公式中加入地基土體的非線性特征，從表3中可以看出，采用轉(zhuǎn)化法得出的最大地基沉降量為1.05m。通過以上分析可知，采用三種方法得出的結(jié)果誤差較小，可供地基沉降計算采用。

4 結(jié) 論

本文以遼寧撫順地區(qū)的大伙房水庫土石壩地基的沉降問題為研究對象，分別采用e-p曲線法、轉(zhuǎn)化公式法以及有限元模型分析法，對在施工中的建筑物進行沉降量計算，計算的結(jié)果分別為1.06m、1.05m和1.10m。綜合分析其計算結(jié)果可知，沒有太大偏差，均在可接受控制的范圍內(nèi)，由此得出以下結(jié)論：轉(zhuǎn)化公式法依據(jù)相關(guān)的線性彈性理論進行分析計算，其方法簡便快捷，在對地基沉降問題的一些估算中提供了足夠的數(shù)據(jù)支撐和方法應用。

[1] 叢日軍.基于ANSYS的土石壩地基沉降數(shù)值模擬[J].中國水能及電氣化,2017(6):49-52.

[2] 孟凡雷,蘇佩珍.基于GeoStudio的土石壩動力安全復核[J].水電能源科學,2010(10):59-61.

[3] 李自強.有限元二次開發(fā)的山區(qū)軟土區(qū)地基沉降量計算方法[J].云南水力發(fā)電，2016(6):65-69.

[4] 華靜,楊華舒.土石壩滲流計算中的有限元應用研究[J].中國水能及電氣化,2012(7):15-18.

ResearchonEarth-rockDamSectionFoundationSettlementandTreatmentPlan

GUO Juntao

(FushunCountyWaterAffairsBureau,Fushun113006,China)

In the paper, earth-rock dam foundation settlement problem of Dahuofang Reservoir in Liaoning Fushun is adopted as a research object. e-p curve method, transformation formula method and finite element model analysis method are respectively adopted for settlement calculation buildings under construction. The calculation results show that related linear elastic theory is relied for analysis and calculation in the transformation method. The method is simple and convenient with high accuracy. Sufficient data support and method application are provided in some estimations of foundation settlement problem.

earth-rock dam; foundation settlement; analysis model

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.011.012

TV223

B

1673-8241(2017)011-0047-04