李龍仲

（湖南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究總院 湖南長(zhǎng)沙 410007）

隨著前期國(guó)家西部大開(kāi)發(fā)和西電東送戰(zhàn)略的實(shí)施，位于西部高地震烈度區(qū)的水電工程已大量建設(shè)。目前高地震區(qū)水電站建設(shè)不少，但9度區(qū)電站廠房抗震分析研究成果較少，且土基上電站廠房變形控制要求高，地震區(qū)計(jì)算難度較大，基礎(chǔ)處理復(fù)雜。鑒此，本文結(jié)合新疆某水電站廠房整體結(jié)構(gòu)和特殊地質(zhì)條件，采用有限元法，研究了廠房高地震區(qū)土基情況下基礎(chǔ)靜動(dòng)位移和基底應(yīng)力變化規(guī)律，根據(jù)成果對(duì)基礎(chǔ)采取了固結(jié)灌漿處理措施。其研究方法和研究成果對(duì)此類工程設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

一、理論分析與方法

采用有限元法計(jì)算結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，計(jì)算廠房整體結(jié)構(gòu)自振特性時(shí)忽略阻尼，結(jié)構(gòu)無(wú)阻尼自由振動(dòng)方程[1]為：

求結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)時(shí)采用振型分解反應(yīng)譜法，先求結(jié)構(gòu)的若干個(gè)低階振型和周期。在大型水工復(fù)雜結(jié)構(gòu)的振動(dòng)分析中，一般只取前低頻5～20個(gè)振型可滿足精度要求，并根據(jù)求得的周期并利用設(shè)計(jì)反應(yīng)譜求出結(jié)構(gòu)各振型的最大絕對(duì)加速度、最大相對(duì)速度和最大相對(duì)位移[1]。

計(jì)算地震作用效應(yīng)時(shí)，由各階振型的地震作用效用按平方和方根法組合，根據(jù)NB35047-2015要求，對(duì)于鋼筋砼構(gòu)件的抗震設(shè)計(jì)，當(dāng)采用動(dòng)力法計(jì)算地震作用效應(yīng)時(shí)，地震作用效應(yīng)折減系數(shù)ξ可取0.35。

二、材料參數(shù)和計(jì)算模型

新疆西部某水電站裝機(jī)容量50MW，最大引用流量為128.4m3/s，年發(fā)電量1.69億KW·h，為三等中型水電工程。廠房布位于壩下游山前洪積臺(tái)地上，基礎(chǔ)均位于上更新統(tǒng)沖洪積層塊石、碎石夾土之上，該土層厚約25m，結(jié)構(gòu)致密，承載能力較高。針對(duì)該廠房基礎(chǔ)地質(zhì)情況，建立了地基廠房整體三維模型。為了能較精確計(jì)算廠房靜動(dòng)工況下基礎(chǔ)沉降變形和地基的影響，在廠房開(kāi)挖地基上做了現(xiàn)場(chǎng)原位巖體力學(xué)實(shí)驗(yàn)，最大等效彈性模量為1.19GPa，最小為0.55GPa。廠房砼結(jié)構(gòu)采用線彈性材料，基礎(chǔ)在廠房開(kāi)挖后原基礎(chǔ)上做現(xiàn)場(chǎng)巖體力學(xué)實(shí)驗(yàn)，測(cè)出其等效變形模量和靜彈性模量，采用非線性摩爾庫(kù)倫本構(gòu)。通過(guò)有限元法對(duì)廠房整體沉降、不均勻沉降、基地應(yīng)力等內(nèi)容進(jìn)行研究分析。

廠房的受力荷載根據(jù)規(guī)范采用。吊車梁通過(guò)ADINA的約束方程實(shí)現(xiàn)與整體結(jié)構(gòu)的連接[2]。廠房與基礎(chǔ)的整體模型一共27589個(gè)節(jié)點(diǎn)，20656個(gè)單元，基礎(chǔ)底部計(jì)算到基巖，周邊采用程序提供的彈簧阻尼單元來(lái)模擬粘彈性邊界，以減小土體周邊散射波對(duì)廠房結(jié)構(gòu)的影響。

三、靜力計(jì)算分析及基礎(chǔ)處理措施

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)巖體力學(xué)實(shí)驗(yàn)等效彈性模結(jié)果，分別計(jì)算最大和最小等效地基彈模條件下廠房基底受力情況：等效地基彈模為0.55GPa時(shí)，廠房底部最大沉降為0.88cm，廠房底部不均勻沉降0.31cm，機(jī)組軸線不均勻沉降0.33m，廠房基礎(chǔ)底面最大壓應(yīng)力419.21KPa；等效地基彈模為1.19GPa時(shí)，廠房底部最大沉降為0.42cm，廠房底部不均勻沉降0.17cm，機(jī)組軸線不均勻沉降0.19mm，廠房基礎(chǔ)底面最大壓應(yīng)力412.26KPa。

正常運(yùn)行工況下廠房整體變形趨勢(shì)為向下游傾斜，最大沉降量在0.88cm以內(nèi)，不均勻沉降在0.31cm以內(nèi)，機(jī)組不均勻沉降量在0.33mm以內(nèi)，廠房基底平均壓應(yīng)力在305kPa左右，基底最大壓應(yīng)力在419.21kPa，位移云圖見(jiàn)圖1。

圖1 靜力計(jì)算時(shí)廠房結(jié)構(gòu)豎向位移

主廠房在設(shè)計(jì)過(guò)程中設(shè)兩個(gè)基巖位移監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面上、下游基礎(chǔ)部位分別布置1支基巖變形計(jì)，共布設(shè)4支基巖變形計(jì)。圖2表示2013年6月17日取得基準(zhǔn)值以來(lái)，截至正常運(yùn)行期間的前期現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)。其實(shí)際變形規(guī)律與有限元變形基本相符，M1和M3位于排水廊道靠近山體，因處于臨空面，這兩只基巖變位計(jì)呈現(xiàn)張拉趨勢(shì)；M2和M4位于發(fā)電機(jī)組尾水管巖石中，總體來(lái)講測(cè)值很小。主廠房已經(jīng)進(jìn)入運(yùn)營(yíng)階段一段時(shí)間，變形呈穩(wěn)定趨勢(shì)，無(wú)異常突變情況。

圖2 廠房基巖變位計(jì)變形過(guò)程線圖（mm）

因處于高地震區(qū)，雖地基承載能力滿足要求，但不同等效彈性模量下，廠房基礎(chǔ)變形差異較大，且廠房不均勻沉降對(duì)機(jī)組運(yùn)行的影響不可忽略，為提高地基的整體性和地震工況下基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)廠基進(jìn)行固結(jié)灌漿處理?？拙?.5m，各孔孔深8m，分段灌漿，固結(jié)灌漿前后的采用對(duì)穿聲波對(duì)比檢測(cè)，灌漿各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

四、動(dòng)力分析

結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型是結(jié)構(gòu)本身的固有屬性，一般情況下電站廠房結(jié)構(gòu)的前幾階自振頻率和振型起控制作用[3]。模態(tài)分析顯示機(jī)組段整體的基頻為5.122Hz，周期為0.195s，通過(guò)模態(tài)參與系數(shù)可以看出廠房基頻振型主要是X（橫流向）振動(dòng)。

在譜分析過(guò)程中，考慮地基固結(jié)灌漿處理效用，地基等效彈模取平均值0.87GPa，地基動(dòng)彈模Ed按照工程經(jīng)驗(yàn)選取現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)靜彈模的1.5倍[4]。本廠房動(dòng)力計(jì)算只考慮水平向地震作用，廠房結(jié)構(gòu)受力最終地震響應(yīng)成果為靜動(dòng)力疊加的綜合成果。橫流向地震時(shí)，動(dòng)靜疊加后最大沉降0.97cm，最大不均勻沉降0.34cm，機(jī)組最大不均勻沉降為0.33mm；順流向地震時(shí)，動(dòng)靜疊加后最大沉降0.97cm，最大不均勻沉降0.37cm，機(jī)組最大不均勻沉降為0.44mm；地震工況下基底最大壓應(yīng)力均小于450KPa。

五、結(jié)束語(yǔ)

本文以9地震度區(qū)實(shí)際工程為背景，采用三維有限元法研究了高地震區(qū)土質(zhì)地基固結(jié)灌漿等基礎(chǔ)處理措施下的水電站廠房基礎(chǔ)應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律，研究主要結(jié)論及建議如下：

1.土質(zhì)地質(zhì)條件下可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)巖體力學(xué)實(shí)驗(yàn)，測(cè)出近似土體變形模量和等效彈性模量，采用非線性本構(gòu)模型，采用有限元法分析電站廠房位移和應(yīng)力等變形規(guī)律。

2.靜力計(jì)算結(jié)果表明廠房基礎(chǔ)最大沉降量和不均勻沉降較小，雖基底應(yīng)力滿足承載力要求，但設(shè)計(jì)過(guò)程中采用固結(jié)灌漿方法來(lái)增加地基均質(zhì)性和整體性。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明廠房基礎(chǔ)沉降與變形規(guī)律均與計(jì)算基本相符，長(zhǎng)期的基巖變形監(jiān)測(cè)表明地基處理是有效的。

3.動(dòng)力計(jì)算中，廠房結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的水平向地震作用效應(yīng)均在控制范圍內(nèi)，結(jié)合長(zhǎng)期的監(jiān)測(cè)結(jié)果，說(shuō)明基礎(chǔ)固結(jié)灌漿處理對(duì)提高土質(zhì)基礎(chǔ)的抗震性起到了較好的作用。