黃石冶鋼變電站巖溶地基穩定性分析

尚義敏，劉會武，羅 林，張秋霞

（1.湖北省電力勘測設計院，湖北 武漢430024；2.中國建筑西南勘察設計研究院有限公司，四川 成都610052；3.中國地質大學工程學院，湖北 武漢430074）

伴隨著經濟的平穩快速增長，我國基礎建設需求不斷增高，電網覆蓋面積也在不斷擴大，而電網建設工程不可避免地會穿越不良工程地質條件區域。由于湖北地區碳酸鹽巖地層出露較多，加之處于亞熱帶濕潤氣候區，使得巖溶地質地貌遍布全省，因此在沿線電網建設及變電站選址過程中，會穿越幾乎所有的巖溶地質和地貌，如溶蝕塌陷、漏斗、巖溶殘丘、峰叢峰林、溶蝕洼地、巖溶峽谷以及各種形態的石林、天窗、溶洞等。在巖溶地區進行電網建設時會出現大量工程地質問題，尤其是在大型變電站地基的主要受力范圍內，由于上部建筑物附加荷載的作用，巖溶地基常常引起地基承載力不足、不均勻沉降、地基滑動和塌陷等地基變形破壞問題，從而可能導致空洞坍塌，引起其上建筑物發生塌陷、下沉、開裂或垮塌等破壞，將對電力運輸和生產建設產生極為不利的影響［1—4］，因此必須對擬建的變電站地基進行穩定性評價。

1 工程概況

擬建的黃石冶鋼220kV變電站工程位于黃石市西塞山區冶鋼動力分公司制氧車間6 000m3制氧機組主廠房地段。該變電站本期建設規模為主變2×180MVA，終期為3×180MVA，建筑規模約為80m×50m，位于黃石市正東方向約10km。該地段屬黃荊山北麓坡地地貌，后經人工整平為建筑用地，現地面為混凝土地面，地勢較平坦，總體地勢南高北低，場址區地面自然標高為27.98～28.82m（黃海高程），自然標高差為0.84m，設計整平標高為28.40m。該地區氣候屬亞熱帶溫暖季風氣候，雨量豐富，四季氣候分明，降雨量主要集中在7～9月份，大量地表水流入地下，為巖溶發育提供了充足的水源，從而保持了地下水對巖類的溶蝕作用。

場區內巖溶屬亞熱帶巖溶，從形態上可將該地區巖溶地貌分為巖溶洼地及溶水洞、溶洞、石芽及溶溝、坡立谷和巖溶丘陵五大類［5—6］，主要發育在場區的東北部以及中部區域，呈帶狀分布。場區內溶洞眾多，各個溶洞發育狀況不一，充填情況也不盡相同，有充填、半充填以及未充填溶洞，變電站區域內所有地質剖面上的溶洞數量為12個。

2 黃石冶鋼變電站場址巖溶塌陷敏感性分析

本文采用鉆探和物探兩種探測方法對黃石冶鋼變電站區域地下巖溶發育特征進行調查。勘察鉆孔布置點詳見圖1。

圖1 勘察鉆孔布置點以及剖面分布平面示意圖Fig.1 Points of investigational holes and schematic profile diagram

從勘察的結果來看，場地地下巖溶大致分為兩類：一類為水平發育溶洞，另一類為垂直發育溶洞。這兩類溶洞的洞隙埋深均為5～10m，溶洞高度一般為0.5～10m，寬度一般為0.3～15m，洞長從幾米到幾十米不等；兩類溶洞的發育由區域地質構造和區域地層巖性所控制，呈帶狀分布，其中以水平發育溶洞為主，最大的溶洞水平方向達30m，垂直方向也有近10m；溶洞發育有集中現象，其形狀主要為圓形和橢圓形，少數為不規則形狀，水平方向發育的溶洞上覆土層厚度在1.5～20m之間，多數呈未充填狀。

目前，對于巖溶塌陷敏感性分析的方法大致有兩種，即單因素分析法和多因素分析法。單因素分析法所假設的前提具有一定的局限性，因為在實際中單因素變化時，其余的因素也會同時發生變化，這就要求要考慮多因素同時變化的綜合作用。因此，本文綜合考慮多種巖溶塌陷的影響因素，并結合現有的區域勘察資料，根據《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007—2011），對黃石冶鋼變電站場址巖溶塌陷敏感性進行了分析，最后確定影響巖溶地基穩定性的主要控制因素為：溶洞頂板厚跨比、溶洞大小、上覆土層性質、溶洞充填情況、溶洞上覆土層厚度。

3 黃石冶鋼變電站巖溶地基穩定性評價

目前巖溶地基穩定性評價方法經歷了由定性到半定量再到定量的過程［7—8］，運用的主要方法為：綜合分析法、經驗比擬法、頂板厚跨比法、估算頂板安全厚度法、試驗測試法、穩定系數法、普式壓力拱理論分析法、坍塌平衡法、有限元數值分析法等［9—11］。

本文在場址巖溶塌陷敏感性分析結果的基礎上，采用FLAC3D與Ansys相結合的方法對該區域巖溶剖面進行數值模擬，即首先利用Ansys進行前處理，對剖面網格進行剖分，然后再利用FLAC3D進行后處理，對剖面進行數值模擬運算及可視化分析，將各個剖面逐一進行數值模擬，從而得出穩定性評價結果［12—13］。

3.1 穩定性評價過程

本文使用FLAC3D進行數值模擬計算主要分為兩個步驟，即初始應力場加載和均布荷載加載。進行第一步求解時假設自重應力場為初始應力場，在邊界條件的約束下求解使得網格達到平衡狀態；第二步是在初始應力計算結果下進行施加荷載計算。本文截取立體模型內部溶洞最多、最密集的1－1’剖面（見圖2）進行穩定性分析、位移分析、應力分析，具體步驟如下：

（1）根據彈塑性力學有效邊界原理，對剖面采取40m×220m的模型，將溶洞簡化為3.3m×30.2m和2.9m×30.2m，這樣可以保證邊界效應可以忽略，從而利用Ansys進行網格剖分前處理，再利用接口軟件“Ansys to FLAC3D”得到1－1’剖面的簡化模型（見圖3），該模型簡化為薄板，網格數量約為20 000。

圖2 1－1’剖面示意圖Fig.2 1－1’profile schematic diagram

圖3 1－1’剖面的簡化模型Fig.3 Simplified model of 1－1’profiles

（2）在FLAC3D下通過Fix命令固定邊界，運用彈性本構模型，讓其自動收斂，通過監測最大不平衡力的大小來判定模型運算的合理性。圖4為初始最大不平衡力監測曲線，由圖4可知，模型初始運算收斂，計算合理，從而得出初始應力場。

（3）對初始位移場進行清零，保留初始應力場，即得到近似大地的構造應力場。

（4）對溶洞上覆土層施加豎直向下的1.35×105Pa的荷載，運算得出施加荷載后溶洞的最大不平衡力監測圖、z向位移云圖和塑性變形分布圖，見圖5至圖7。

圖4 初始最大不平衡力監測Fig.4 Monitoring of the initial maximum unbalance stress

圖5 施加荷載后最大不平衡力監測Fig.5 Monitoring of the maximum unbalance stress with load

圖6 施加荷載后z向位移云圖Fig.6 Displacement of z direction with load

圖7 施加荷載后溶洞附近塑性變形分布圖Fig.7 Plastic deformation near caves with load

圖5顯示施加荷載后模型運算結果合理；由圖6可以看出，溶洞頂板位移明顯大于其余處，這符合力學理論；根據FLAC3D溶洞分析原理，將頂板塑性區貫通的溶洞視為不穩定溶洞，由圖7所示塑性區說明該剖面的兩個溶洞均不穩定，從而根據剖面圖可得該剖面上鉆孔點201和202穩定，203和204不穩定。

3.2 穩定性評價結果分析

對于一個鉆孔而言，它所受的力均來自其周圍區域合力的影響，合力的大小、方向決定了鉆孔點的穩定性狀態、變形形狀。對于一個面或是區域而言，可根據其周圍結點的運動狀態而求得它本身的穩定性現狀［15—18］。因此，根據上述穩定性評價過程，可對每個鉆孔點進行數值模擬計算。由于每個鉆孔點會相應的得到兩個穩定性分析結果，從提高巖溶地基安全穩定性的角度出發，可運用最大隸屬原則得出最終結果；再利用每個鉆孔點所確定的穩定性評價結果，通過數值模擬得出場址各個剖面的穩定性現狀，從而得到該場區巖溶地基穩定性評價結果，見圖8。由圖8可知：該巖溶地基場址最大不穩定區域分布于研究區東部，最大不穩定危險區域在東北部；西部區域以穩定性巖溶地基為主，最大穩定區域為西南部。

圖8 研究區巖溶地基的穩定性分布圖Fig.8 Stability distribution of the karst foundation

4 結論與建議

（1）通過對黃石冶鋼變電站場址巖溶塌陷進行敏感性分析，確定了影響巖溶地基穩定性的主要因素為溶洞頂板厚跨比、溶洞上覆土層厚度、溶洞充填情況、溶洞大小和上覆土層性質。

（2）穩定性評價結果表明：該巖溶地基場址最大不穩定區域分布在研究區東部，最大不穩定危險區域在東北部；西部區域以穩定性巖溶地基為主，最大穩定區域在西南部。

（3）根據巖溶地基的穩定性評價結果，建議對不穩定區域淺埋深、接近地表的溶洞進行換填墊層法，增加地基的抗壓能力，并合理確定墊層的厚度和寬度；對不穩定區域較大的溶洞進行高壓噴射注漿法處理，以防止地下水對注漿所形成的沖擊作用；在穩定區域對溶洞上覆土層采用換土墊層法處理以及對地基土進行夯實壓密；禁止或限制該區域附近抽取地下水，由于該地區與長江水力聯系較密切，過量抽取地下水勢必會造成巖溶水流速增大，加速地下水的流動，對溶洞的侵蝕作用加大，從而降低巖溶地基的穩定性。

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