胡士克

（西南交通大學(xué)交通安全技術(shù)研究院， 四川 成都 610000）

0 前言

沙灣電站位于四川省涼山州木里縣境內(nèi)，自2012年發(fā)電以來，主廠房、GIS樓等相關(guān)設(shè)備一直反映出有異常振動和噪聲現(xiàn)象，當(dāng)機組以滿負荷運行時，振動更加明顯。振動是一個不可忽視的問題，電站機組常常會誘發(fā)的結(jié)構(gòu)振動，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破損以至于影響電站正常運行[1]雖然我國多數(shù)水電站都有長期的監(jiān)測研究，但就其振動問題的復(fù)雜性而言，找到完整的解決方法還存在著一定的困難[2-3]。國內(nèi)水電站振動防治研究中，大多采用電站異常振動點監(jiān)測和有限元軟件分析振動特性兩種方法來進行結(jié)構(gòu)分析[4]。

為探究沙灣電站的異常振動與地基不均勻沉降的關(guān)聯(lián)性，利用ABAQUS有限元軟件和具有強大的幾何建模和網(wǎng)格劃分功能[5]的MIDAS GTS技術(shù)對電站振動產(chǎn)生的原因、傳遞路徑和規(guī)律展開數(shù)值分析，為類似工程提供借鑒。

1 環(huán)境條件

沙灣電站廠房位于涼山州木里河干流上，處于木里河右岸的I級后緣緩坡地帶，其中拔河高11～20m，河水面高程2312.6m，階地面較為平緩，地面高程2324～2329m；階地后緣為平緩的臺階狀地形，覆蓋層厚33.75～43.78m，廠房樞紐建筑物由主廠房、副廠房及GIS樓、尾水渠組成。 廠區(qū)地層情況如圖1、表1所示。

2 數(shù)值建模分析

根據(jù)對區(qū)域地質(zhì)條件的分析和以往振動監(jiān)測數(shù)據(jù)的研究，推斷出廠區(qū)山體的自重應(yīng)力、滲流作用可能會對廠區(qū)基坑產(chǎn)生較大影響，在這種環(huán)境應(yīng)力下，基坑和基礎(chǔ)圍巖的受力和狀態(tài)都會發(fā)生改變。為深入了解電站異常振動與電站地基基礎(chǔ)的關(guān)聯(lián)性，一方面利用MIDAS技術(shù)對廠區(qū)范圍進行應(yīng)力、滲流場進行模擬；另一方面機組運行時自重荷載較大，在自身地基存在粉土層的情況下，高頻振動會對粉土層產(chǎn)生液化的風(fēng)險，利用ABAQUS對其中振動明顯的三號機組剖面進行振動特征及規(guī)律分析。

2.1 建模方案

為了建立符合現(xiàn)場實際情況的仿真三維模型和重點區(qū)域的剖面模型，首先利用GIS系統(tǒng)獲取沙灣電站海拔坐標(biāo)信息，再利用MIDAS NX中地圖圖形編輯器模塊對等高線圖進行曲面化，并在MIDAS GTS中進行應(yīng)力、應(yīng)變及滲流計算。

全尺寸模型主要考慮巖石重力荷載作用下及滲流應(yīng)力過程，包括河道、對面山體以及上游方向山體對電站基礎(chǔ)、基坑及結(jié)構(gòu)的影響。模型通過導(dǎo)入10米精度的STRM數(shù)據(jù)獲得廠址區(qū)域地貌基本地形圖。模型重點研究區(qū)域為電站所依靠的山體，山體采用各向同性均一化物理參數(shù)模型（忽略山體構(gòu)造幾何參數(shù)）?？紤]到實際情況，底部設(shè)置X、Y、Z向平動約束及繞X、Y、Z軸轉(zhuǎn)動約束，基巖四周采取Y、Z向平動約束及繞X、Y、Z軸轉(zhuǎn)動約束，頂部無約束，自重方向為Z軸方向，整個模型可以在模型基礎(chǔ)四周側(cè)向約束內(nèi)發(fā)生豎向自由沉降。

2.2 在重力場、滲流場作用下的變形特征

為了確切獲得受山體自重重力荷載作用及山體滲流影響廠區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)，在廠基與山體相交的截面上通過MIDAS GTX NX切割工具獲得廠基位置X、Y、Z切面最大主應(yīng)力應(yīng)力狀態(tài)。

考慮環(huán)境應(yīng)力的基坑模型x、y、z向位移計算結(jié)果如圖2所示。x方向位移主要集中于廠房機組附近，這是由于山體自重應(yīng)力（基坑產(chǎn)生沿x軸正方向的推力）與基坑受到廠房發(fā)電機組自重荷載共同作用所導(dǎo)致，由于尾水平臺附近基礎(chǔ)支撐小于兩側(cè)擋水圍堰，且兩側(cè)圍堰樁基處理具有一定約束，通過模型模擬很好地體現(xiàn)出了該作用對基坑所造成的變形。

電站緊鄰河道岸邊，基坑y向變形模擬也呈現(xiàn)出不均勻的斜向河道下游的分布規(guī)律，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是尾水平臺兩側(cè)圍堰樁基礎(chǔ)處理深度不一致，使得基坑y向位移收到山體推力，自重荷載及抗變形能力差異性的共同影響，導(dǎo)致y向變形多集中在機組基坑與尾水平臺交界的位置附近。模擬基坑沿著z軸向位移的云圖中可以看出，尾水位置z軸沉降最小，廠房基坑位置沉降最大，其次為GIS樓位置，這與實際電站運行監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果一致，沙灣電站最大基坑變形位置集中于廠房底部，受外部應(yīng)力綜合作用影響，呈現(xiàn)3號機組附近位移總矢量和較大的趨勢，由于該處地基存在動力敏感型粉土軟弱夾層，也是此區(qū)域易發(fā)生沉降變形的主要影響因素。

圖2 基坑沿x、y、z軸向位移

2.3 地基對電站振動的影響

圖3（a）可以看出，左側(cè)豎向位移較大且沿深度變化明顯，同時在尾水結(jié)構(gòu)下的區(qū)域由于軟弱夾層的存在導(dǎo)致了較大變形。同時以推測基巖界限為界，上部整體存在向右側(cè)位移的趨勢。

圖3（b）為3號機組典型剖面地層及樁體應(yīng)力分布模擬結(jié)果，各個地層由于力學(xué)性質(zhì)的差異導(dǎo)致受力狀態(tài)上出現(xiàn)了明顯的分層情況，尤其是發(fā)電機組下部紅色高亮區(qū)域，該部分區(qū)域位于地基粉土層中。電站“2295.11（樁頂）以上粉土層全部挖除并換填”，旋噴擠密樁2295.11高程以下仍存在部分樁體位于尚未挖除的粉土層中，該區(qū)域與圖3（c）所示應(yīng)力集中位置相符。樁基工程應(yīng)用中也常常會出現(xiàn)在荷載作用下樁土耦合振動的問題，由此可推斷，樁頂標(biāo)高以下未挖除的的粉土層，在震動荷載作用下孔隙水壓力超壓也是引起不均勻沉降，并導(dǎo)致發(fā)電機組主軸偏心和震動加劇的主要原因之一。

圖3 下覆地層水平向位移云圖

3 結(jié)論

（1）在不考慮區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力的條件下，后部山體由于自重應(yīng)力產(chǎn)生的重力變形及滲流作用形成的滲流力，對廠區(qū)基坑產(chǎn)生了較大的影響，其明顯特征為山體存在向河道內(nèi)側(cè)擠出的趨勢。

（2）利用ABAQUS軟件模擬可知，由于廠房基坑上發(fā)電設(shè)備自重荷載較大且發(fā)電機組運行過程中存在高頻動荷載，在動、靜荷載共同作用下，廠房基坑呈現(xiàn)出沿Z軸、X軸沉降較大的規(guī)律。

（3）從模擬結(jié)果來看，發(fā)電機組產(chǎn)生的振動經(jīng)支座傳至廠房結(jié)構(gòu)及下部基礎(chǔ)時，引起處于同一筏板基礎(chǔ)的GIS樓產(chǎn)生振動，該振動會導(dǎo)致下覆粉土層發(fā)生液化，加上山體自重作用將加劇振動荷載的作用效果，可導(dǎo)致整個廠房建筑振動逐漸劇烈。

（4）異常振動變形的發(fā)展路徑主要表現(xiàn)為：在山體自重應(yīng)力與旋噴樁強度部分失效的綜合作用下導(dǎo)致廠房不均勻沉降，以致發(fā)電機組初始偏心，而后初始偏心導(dǎo)致的發(fā)電機組振動超過了基坑振動穩(wěn)定校核極限，誘發(fā)了基礎(chǔ)中的粉土層液化、力學(xué)性質(zhì)減弱。在這個過程中，初始偏心產(chǎn)生的不均勻沉降導(dǎo)致了進一步變形，從而使得振動愈發(fā)劇烈，振動由廠房發(fā)電機組支座傳遞至廠房混凝土基礎(chǔ)，再由混凝土基礎(chǔ)傳遞至地基中，向四周擴散。