云南吊江巖水電站地下地基沉降變形應力計算分析

秦乙洪，辛 欣，李悠然，鄧 源

(三峽大學 水利與環境學院，湖北 宜昌 443002)

云南吊江巖水電站地下地基沉降變形應力計算分析

秦乙洪，辛 欣，李悠然，鄧 源

(三峽大學 水利與環境學院，湖北 宜昌 443002)

云南省碩多崗河吊江巖水電站地理環境復雜，地質條件惡劣，在修建擋水建筑物之前需對其地基進行加固處理，以滿足建筑物對地基的要求。本文針對該地基實際情況，采用有限元軟件SIGMA/W對地下地基沉降進行變形分析和地基應力計算，對比相關規范手冊，效驗是否滿足規范要求，為其地基處理方式的選擇提供合理依據，可供實際工程參考。

地基處理；地基沉降變形分析；應力計算

建筑物地下地基沉降是嚴重威脅和影響到其使用和安全的因素[1-2]。過大的沉降，特別是不均勻沉降，會使建筑物發生傾斜、開裂以致不能正常使用[3]。在已有的對地基沉降的計算理論中，學者丁洲祥、朱合華通過算例分析，主要研究了幾何剛度效應對荷載—沉降曲線的影響，并對比分析了小同率型大變形分析中的幾何剛度效應問題[4]；鄭俊杰、馬強采用數值模擬對復合地基附加應力的擴散模式進行了研究，對規范及相關文獻給出的地基沉降計算方法進行了討論，分析了承載板剛度、載荷大小、樁體剛度對應力擴散模式及擴散角的影響[5]；余永強、賈立術通過探討地基土自重應力對地基土體變形模量影響，采用原始積分法計算地基土的附加應力，將自重應力作用后的變形模量用于地基土附加應力作用時的沉降計算中，提出了利用分層總和法計算地基沉降的簡化計算方法[6]。

本文采用有限元軟件SIGMA/W對吊江巖水電站進行模型建立，對不同土層深度沉降計算和通過規范手冊進行對比分析，提出了不滿足規范地基層的處理方法[7]，其結果可為下一步的地基處理方式的選擇提供參考，具有借鑒意義。

1 工程概況

云南碩多崗河吊江巖水電站是在金沙江上建筑規劃的第四個梯級水電站，建設地點位于香格里拉縣虎跳鎮，修建地點周圍地理環境復雜，整個混凝土閘壩坐落在沖積層上。修建的混凝土閘壩地層從上到下分為5層，即混合土卵石1層，廣泛分布于兩岸邊坡及坡腳處，主要成分為灰巖、板巖，其余為粉土和黏土，厚度大于150 m；粉土質砂層，碎石混合土分布較少，成分為板巖，其余為粉土及砂，稍濕，結構松散，厚度大約為20～70 m；混合土卵石2層，該層混合土卵石呈中密狀態，漂石含量較少，卵石含量較多，礫石含量約20%～30%，其余為砂，成分以玄武巖及少量的板巖、灰巖為主，厚度大約為30～50 m；強風化板巖層，黏粒含量和礫石含量較少，砂含量較多，粉粒含量約22.0%，呈可塑狀態，厚度大約為80～150 m；弱風化板巖層，卵石含量占大部分，礫石含量約20%～30%，其余為砂，其成分以玄武巖及少量的板巖、灰巖為主。

2 巖(土)體物理力學參數

表1和表2是根據《水利水電工程地質勘探規范》(GB 50287—2006)得出。

表1 壩基各巖石(體)的物理力學參數建議值

表2 壩址土體物理力學參數建議值表

3 地基沉降的計算和分析

3.1 邊界條件及參數的選取與確定

計算區域：左邊距離上游壩趾15 m，右邊距離下游壩趾27 m，地面距離弱風化板巖底部29.5 m，其中上游壩趾距離縱坐標軸20 m，下游壩趾距離縱坐標軸53 m，弱風化板巖底部與橫坐標軸重合。

有限元SIGMA/W分析是基于SEEP/W計算基礎上對地基沉降變形進行分析，分析情況為上游有水。計算時將地基分為五個分區，由地面從上至下依次分別為：混合土卵石1層，粉土質砂層，混合土卵石2層，強風化板巖層，弱風化板巖層。為了研究上游的水和大壩自重對地基沉降的影響，此處將大壩的澆注材料混凝土也作為一種材料。具體材料對應的參數如下表3。

表3 地基材料分區及其對應參數

3.2 上游有水時有限元SIGMA/W分析

上游有水時邊界條件：上游水頭壓力22.5 m，下游假設水頭壓力為0 m，大壩左側、右側、底部邊界X和Y方向位移均為0。此時除了大壩自重還有水壓力的作用，地基出現明顯沉降，沉降情況如圖1和圖2。

從圖1和圖2可以看出：各個地層都會有沉降，由沉降細部圖2知最大沉降量發生在混合土卵石1層，為35 cm。圖2中數值為負是因為下游無水而且限制了邊界不讓其發生位移導致在上游水的作用下使得地面隆起。

圖1 上游有水時地基沉降圖

圖2 上游有水時地基沉降細部圖

圖3 有水時地基沉降曲線選點圖

圖4 有水時地基沉降曲線圖

從圖3和圖4可以看出：沉降量最明顯的地層是混合土卵石1層，沉降曲線圖選取最靠近大壩底的點為研究對象，從曲線圖4中可以知道最大沉降量約為22 cm，根據《水閘設計規范》(SL 265-2001)天然土質地基上水閘地基最大沉降量不宜超過15 cm，顯然在上游有水時該地基不滿足沉降要求。

圖5 有水時混合土卵石1層應力曲線選點圖

圖6 有水時混合土卵石1層應力曲線圖

從圖5和圖6可以看出：有水時混合土卵石1層最大的應力值在320 kPa左右，根據表2中混合土卵石的允許承載力為400～450 kPa，顯然該地層滿足承載力要求。

圖7 有水時粉土質砂層應力曲線選點圖

圖8 有水時粉土質砂層應力曲線圖

從圖7和圖8可以看出：有水時粉土質砂層最大應力值在340 kPa左右，根據表2中粉土質砂的允許承載力為180～200 kPa，顯然不滿足承載力要求，為此對該地層要進行處理。

圖9 有水時混合土卵石2層應力曲線選點圖

圖10 有水時混合土卵石2層應力曲線圖

從圖9和圖10可以看出：有水時混合土卵石2層最大的應力值在350 kPa左右，根據表2中混合土卵石的允許承載力為400～450 kPa，顯然該地層滿足承載力要求。

圖11 有水時強風化板巖層應力曲線選點圖

圖12 有水時強風化板巖層應力曲線圖

從圖11和圖12可以看出：有水時強風化板巖層最大的應力值在420 kPa左右，根據表1有強風化板巖的允許承載力為400～500 kPa，顯然該地層滿足承載力要求。

從圖13和圖14可以看出：有水時弱風化板巖層最大的應力值為525 kPa，根據表1中有弱風化板巖的允許承載力為600～800 kPa，顯然該地層滿足承載力要求。

圖13 有水時弱風化板巖層應力曲線選點圖

圖14 有水時弱風化板巖層應力曲線圖

4 處理措施的提出

由于上游有水時地基沉降超出了《水閘設計規范》(SL 265-2001)中規定的15 cm，為此要對地基進行加固處理，下一步需確定處理的具體地層。由以上分析可知：采用有限元軟件SIGMA/W分析了上游有水時建筑物地基5層情況，只有粉土質砂層不滿足地基承載力要求。

通過分析可知：需要對粉土質砂層的具體情況進行分析。圖15、圖16為粉土質砂層上部的沉降曲線圖，可以看出最大沉降為17 cm左右仍然超出15 cm。圖17、圖18為粉土質砂層中部的沉降曲線圖，明顯可以看到最大沉降量為10.5 cm左右，滿足要求。為了確保地基穩定安全，需對可能出現地基沉降的地基層進行處理，通過以上分析可知應選定可能出現地基沉降的地基層為粉土質砂層，深度約為10.5 m。

圖15 有水時粉土質砂層上部應力曲線選點圖

圖16 有水時粉土質砂層上部沉降曲線圖

針對混合土卵石以及粉土質砂，根據以上分析可擬定出適合本方案地基處理的方法為選用振沖法中加填料的振沖碎石樁法，即用振動、沖擊或水沖等方式在軟弱地基中成孔后，再將碎石或砂擠壓入土孔中，形成大直徑的碎石或砂所構成的密實樁體，其中碎石樁樁徑1 m，深度12 m，碎石樁布置間距為3 m×3 m。

圖17 有水時粉土質砂層中部沉降曲線選點圖

圖18 有水時粉土質砂層中部沉降曲線圖

5 結 論

(1)通過本文分析可知可能出現地基沉降的地基層為粉土質砂層，固需要對其進行加固處理。

(2)文章中若對提出地基沉降的處理措施加以詳細補充，會對工程更具有實際參考價值。

(3)為確保地基各個巖層的受力穩定，文章可選取Ansys軟件對其結構受力情況進行建模分析，會更具有說服力。

[1] 孟常青.試論軟弱地基處理的方法[J].中國科技縱橫，2011(15)：2-4.

[2] 彭弟，張坤.地基處理新技術與發展[J].長春工程學院學報，2007(3)：1-3.

[3] 蘇新國，吳凌.軟土地基處理新方法的研究[J].工程建設與檔案，2004(4)：38-40.

[4] 丁洲祥，朱合華.地基沉降大變形有限元分析的幾何剛度效應[J].巖土力學，2009(5)：1275-1280.

[5] 鄭俊杰，馬強.復合地基沉降計算與數值模擬分析[J].華中科技大學學報(自然科學版)，2010(8)：95-98.

[6] 余永強，賈立術.基于變形模量的地基沉降的計算方法[J].河南理工大學學報(自然科學版)，2013(10)：620-624.

[7] 張子明.用初始函數法計算多層地基的位移和應力[J].巖土工程學報，1986(4):15-18.

Stress calculation and analysis of underground foundation’s sedimentary deformation in Diaojiangyan hydropower station of Yunnan Province

QIN Yihong,XIN Xin,LI Youran,DENG Yuan

(CollegeofHydraulicandEnvironmentEngineering,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China)

The Diaojiangyan hydropower station of Yunnan province has a complex and adverse geographical environment. Its foundation must be reinforced before building the dam in order to meet the demand of foundation bearing capacity. Considering above these, in the paper, the foundation’s sedimentary deformation was analyzed and the stress was calculated by the finite element software SIGMA/W. The conclusions which were compared with the standard values from specifications manual, can not only provide a reasonable basis for foundation treatment but be referred by practical project.

foundation treatment; analysis of foundation`s sedimentary deformation; stress calculation

三峽大學科研創新基金(SDYC2016004)

秦乙洪(1992-)，男，碩士研究生，主要從事水利工程施工與管理方面的研究。

TV741

A

2096-0506(2016)12-0005-06