ATS水電站廠房地基三維有限元計算分析

孫 紅 麗(新疆水利水電勘測設計研究院，烏魯木齊 830000)

1 工程概況

電站裝機4×175=700 MW，額定水頭176 m，單機引用流量111.40 m3/s，廠區由主廠房、副廠房、戶內開關站、尾水建筑物、永久進廠交通等組成。主、副廠房呈上下游平行排列布置，副廠房位于主廠房上游側，尾水建筑物銜接尾水出口與天然河道。

主機間部分基礎為砂質泥巖和泥質砂巖，局部夾砂巖，其中，砂質泥巖具有弱～強膨脹性；尾水閘墩基礎位于結構密實的沖積砂卵礫石層上。

2 計算緣由

本電站廠房邊坡高度達百米，為高陡邊坡，廠址所在部位階地較為狹窄，為降低人工開挖邊坡高度、減少高邊坡開挖方，經多次優化布置，將主機間基礎布置于巖基上，尾水閘墩基礎布置于砂卵礫石層上。廠房位于不同介質之上，采用傳統的結構力學方法進行地基承載力計算時，不能考慮因為底部介質力學性質不同而產生的對地基承載力計算的影響，因此采用三維有限元方法進行廠房地基承載力的計算，并視計算結果進行相應的基礎處理。

3 地基承載力三維有限元計算

根據地質勘察資料、設計資料，建立三維有限元網格模型。模型模擬了廠房排架柱、水下墻、風罩、機墩、下部大體積結構、尾水閘墩等結構，以及建筑物下部的地質構造。整體模型共劃分三維有限單元約10.52萬個，節點約12.05萬個。結構和巖體全部采用8節點6面體實體單元模擬。模型見圖1，圖2。

圖1 廠房及地基整體模型Fig.1 Workshop and the whole model of foundation

圖2 地基模型Fig.2 Foundation model

三維有限元計算所采用的地質參數見表1。

表1 計算所采用的地質參數值Tab.1 Calculate the geological parameter values

經計算，地基最大位移為16.79 mm，發生部位為q2地層(砂卵礫石層)；地基極端最大應力為2.675 MPa，發生部位為巖基地層，但為個別點極端應力，不具有代表性，但是很多部位應力超過0.7 MPa，見圖3、圖4。

圖3 不設樁基的情況下地基位移圖 (單位：m)Fig.3 Without pile foundation under the condition of displacement diagram

圖4 沒有樁基的情況下地基應力 (單位:Pa)Fig.4 Without pile foundation under the condition of ground stress

從計算結果的對比來分析：當廠房底部最大位移為16.79 mm，并且超過1/3的部位大于0.7 MPa，滿足不了地基承載力的要求。經分析，其原因是廠房基礎底部承載力依據抗壓剛度分配法原則，剛度大的承載區域承擔大部分荷載，剛度小的承載區域承擔小部分荷載，從表1可以看出，巖石地基介質與砂礫石地基介質的彈性模量存在數量級上的差別，當承受荷載時，尾水閘墩底部變形較大，而巖石變形較小，因此承受了較多的荷載，這樣導致巖基地層出現大面積的應力集中現象，超過了泥巖地基本身0.7 MPa的承載力極限，滿足不了地基承載力的要求。

因此需要對砂礫石地基進行地基處理，以提高地基承載能力。結合工程布置及地質條件，在尾水閘墩底部采用樁基，并對設樁基情況下的廠房進行三維有限元地基承載力計算。

4 設樁基的地基承載力三維有限元計算

本電站廠房地基的薄弱環節為尾水閘墩下部的砂礫石地基，在此區域設樁基4排，樁基為鋼筋混凝土結構，直徑1.0 m，間排距3.0 m，每一根樁穿過砂礫石層，伸入基巖深度1.5 m。廠房及樁基模型見圖5，地基位移及應力計算結果見圖6、圖7。

圖5 廠房及樁基模型Fig.5 plant and the model of the pile foundation

圖6 設樁基的情況下地基位移圖 (單位:m)Fig.6 A pile foundation under the condition of displacement diagram

從有限元計算結構云圖可以看出，當廠房底部不良地質區域設樁基礎時，地基最大位移為3.921 mm；

圖7 設樁基的情況下地基應力 (單位：Pa)Fig.7 With pile foundation under the condition of ground stress

地基極端最大應力為0.994 MPa，發生部位為巖基地層，但為個別點極端應力，可以理解為應力集中現象，不具有代表性，大部分應力為0.5～0.6 MPa，滿足地基承載力的要求。

廠房底部設樁基礎時，廠房尾水平臺的壓力通過剛度大的樁基礎傳遞至底部，地基的承載能力變得均勻，減少了應力集中區域，使地基在承載力和變形方面都得到滿足，因而樁基礎的設置是有必要的。

5 結 語

廠房底部樁基礎的有限元計算，彌補了傳統結構力學方法的計算不足，結構力學法在計算建筑物地基應力時，不能反映底部介質抗壓剛度不均勻對地基應力的影響。地基應力依據抗壓剛度分配原則，剛度大的區域承擔大部分荷載，剛度小的區域承擔小部分荷載，這可能會導致剛度稍大區域出現面積較大的應力集中現象，超過了地基本身的極限承載能力。本工程進行了無樁基及有樁基情況下的地基應力和變形對比計算，論證了在地質條件不良情況下設置樁基的必要性，這也為今后類似工程當地基承載力不能滿足時提供了一種地基處理的方法，積累了相關的工程經驗。

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