變電站消防水池基坑抗隆起穩定強度折減分析*

姚曉芳

（中國電建集團福建省電力勘測設計院有限公司，福建 福州 350003）

根據消防要求，各種電壓等級的變電站站內都需要設置一定容積的消防水池，這些水池往往是站內開挖深度最大的構筑物，其基坑挖深可能超過5m，屬于深基坑范疇[1-2]。變電站內的消防水池容積大小不等，但其平面尺寸的長寬比多為2～3，同時挖深與挖寬相仿，基坑的二維和三維尺寸效應明顯[3]。

現有基坑單元的設計都采用半無限體假設，在坑底抗隆起穩定計算時，無法考慮基坑開挖寬度的影響，其計算模型、計算結果均與實際的開挖模型不相符，存在一定的誤差[4-5]。王洪新[6]也對現有計算方法存在的一些問題進行了改進，并提出了能夠考慮二維或三維尺寸效應的坑底抗隆起穩定計算方法。但這些方法仍多采用極限平衡的假設，無法考慮土體各向異性的影響，工程應用存在一定的局限性。另一方面，軟土地區支擋式基坑支護的板樁插入深度多由坑底抗隆起穩定的要求控制。對于二維、三維尺寸效應明顯的變電站消防水池基坑而言，不考慮其空間效應，存在因計算模型不正確而導致計算結果錯誤的風險。

在分析變電站消防水池基坑幾何模型和力學模型的基礎上，文章以某220kV變電站消防水池的工程地質條件和基坑空間需求為背景，采用Plaxis軟件研究了消防水池基坑的尺寸效應對坑底抗隆起安全的影響規律，并將之與半無限體假設方法計算的安全系數進行對比，為工程支護方案的優化設計提供依據，也為類似工程的建設提供參考。

1 工程概況

變電站消防水池基坑的大小根據電壓等級、站區內建設方案的不同而有所不同，以國網公司通用設計A2-6方案的220kV戶內變電站為例，消防水池的內凈空尺寸約為12.4m（長）×16m（寬）×4m（高）；而采用水泵房、消防水池一體化的220kV的變電站，其水池的內凈空尺寸可達到23m（長）×7m（寬）×4.55m（高）。為了更好地利用變電站圍墻內的地面空間，消防水池常常采用全地下結構，此時水池的基坑開挖深度將超過5m，故基坑的安全等級一般都不低于二級，在軟土地層中則其變形控制的要求更高。福建省某220kV變電站的消防水池基坑擬采用拉森鋼板樁支護，開挖的內凈空幾何尺寸為27.2m（長）×11.6m（寬）×6m（深），吸水槽區域局部加深至7m。

根據工程詳勘結果，消防水池基坑各代表性土層的分布及其物理力學指標詳見表1，以地下水位深度-1m計算。

表1 代表性地層的土體物理力學參數

2 消防水池基坑的尺寸效應

根據水池的施工需求，基坑開挖后內部尺寸的比例為4.53∶1.93∶1（長∶寬∶深）。長寬比、寬深比接近2，考慮板樁插入比的影響，采用Prandtl地基承載力模式或圓弧滑動模式計算基坑的抗隆起穩定，其模型中基坑開挖內側的被動區存在相互重疊的情況（見圖1），不符合現有規程規范關于計算模型的假定。

圖1 圓弧滑動穩定形成的尺寸效應分析（15m樁長）（單位：mm）

根據《建筑基坑支護技術規程》（JGJ 120—2012）的規定，采用圓弧滑動法計算基坑繞坑內最下道支撐破壞的穩定時，其圓弧中心位于最下道內支撐與板樁的交界處，而由于圓弧滑動面繞過板樁底部，則圓弧的半徑為板樁最下道支撐至坑底的距離，加上板樁的入土深度，此時兩側基坑同時發生圓弧滑動產生的被動區重疊的情況，需滿足下式的規定：

式中：B為基坑開挖寬度或長度，m；H為鋼板樁的總長度，m；h為基坑最下道內支撐至地面的距離，m。

該水池基坑采用單道內支撐，支撐距離地面為3m，當采用12m長的鋼板樁支護，基坑開挖寬度≥18m時就不存在被動區重疊的問題；當采用15m長的鋼板樁支護，基坑開挖寬度≥24m時就不存在被動區重疊的問題。該工程的基坑開挖長度為23m，寬度為11.6m，故在鋼板樁長度＜15m時，可只考慮開挖寬度的影響而不需要考慮長度方向的影響，即可認為只有二維尺寸效應而沒有三維尺寸效應。當采用18m的鋼板樁支護，則需要考慮三維尺寸效應的影響。

3 基坑單元設計

采用極限平衡法等計算方法對基坑單元的內力、插入深度和穩定性進行驗算，基坑及其支護的幾何參數和支護參數如下：（1）考慮鋼板樁厚度以及消防水池底板下方的墊層厚度后，基坑開挖的幾何凈尺寸為寬12m、挖深6m。（2）鋼板樁采用FSP-IV型，鋼板樁長度從12m開始，采用15m、18m進行分析。考慮到規程計算方案中采用了坑底加固措施，故針對不同長度的鋼板樁樁長又在基坑底部設置了被動區加固，加固的方式為旋噴樁格柵布置加固，加固厚度為4m，計算工況共6種。（3）內支撐采用H400mm×400mm×13mm×21mm的H型鋼，縱向支撐間距為4m。

板樁長度為15m的基坑單元計算結果見圖2，圓弧滑動型的坑底抗隆起穩定安全系數為1.48≤1.90，不滿足二級基坑的安全要求。

圖2 圓弧滑動穩定驗算（15m樁長）

將鋼板樁加長至18m，其坑底抗隆起穩定安全系數為1.69，仍然不滿足規程規范規定的安全要求，故需要采用地基處理的方法對基坑底被動區進行加固，該工程消防水池的最終設計方案如下：（1）支護采用12m長的FSP-IV型鋼板樁；（2）自上而下設置1道型鋼內支撐，方便基坑內澆筑水池結構時的施工和換撐；（3）消防水池基坑內側采用4m長的高壓旋噴樁進行格柵式加固，加固后被動區的土體重度提高至21kN/m3，水泥土的計算黏聚力為200kPa，內摩擦角為30°。

4 基于強度折減法的抗隆起穩定分析

4.1 二維尺寸效應對比分析

采用plaxis 2D軟件對基坑在不同長度鋼板樁支護下的安全系數進行分析，假設不同條件下內支撐位置不變，都位于地表以下3m處。模擬施工的主要支護參數如下：（1）基坑內凈尺寸為寬12m、挖深6m；（2）內支撐采用H400mm×400mm×13mm×21mm的H型鋼，縱向間距為4m；（3）鋼板樁采用FSP-IV型，樁長度分別采用12m、15m、18m進行分析，考慮到規程計算方案中采用了坑底加固措施，針對不同支護樁長又在坑底部設置了被動區加固的計算工況，故總的計算工況共6種；（4）計算時分開挖工況和安全分析工況。

以15m板樁長、坑底未加固的工況為例，其安全系數達到了2.05，基坑破壞時的最大位移發生在基坑內底部，破壞時位移云圖見圖3。

圖3 考慮二維尺寸效應破壞時的位移云圖（15m樁長）

基坑開挖至底部，基坑內底部土體總的隆起值為204.6mm；從破壞時的位移云圖來看，消防水池基坑顯示出了明顯的雙側圓弧滑動，被動區重疊的現象，這與上文尺寸效應分析的結論是一致的。

為了便于與現有規程的算法進行對比，將上述模型的基坑內側無限延伸，其在強度折減極限狀態下的位移云圖見圖4，此時安全系數為2.057，而基坑開挖至底部產生的最大變形值位于圓弧破壞面的外周，變形值達到了201.7mm，與考慮基坑開挖寬度影響的強度折減法分析結果相當。

圖4 半無限體模型破壞時的位移云圖（15m樁長）

為了對比坑底被動區加固對基坑支護結構安全的影響，采用同樣的幾何尺寸建立二維有限元模型，并對基坑被動區進行加固，加固厚度為4m，與未加固的計算結果對比來看，坑底被動區加固對基坑最終的破壞模式產生了一定的影響，被動區的破壞形狀接近，但主動區的范圍變大了，其主要原因在于被動區加固后，抵抗圓弧滑動的抗力增大了，要產生最終的破壞，需要增大主動區的荷載，此時只有增大圓弧滑動面主動區這一唯一途徑。

前述12種模型的最大位移量對比和強度折減法分析的安全系數見表2，從不同工況下的安全系數對比可得到以下結果。

表2 不同鋼板樁長度的穩定破壞安全系數和基坑開挖最大變形量對比

（1）當采用強度折減法對消防水池基坑的安全系數和最大變形量進行計算分析時，采用考慮寬度影響的模型能夠揭示二維尺寸效應下的基坑破壞模式，但得到的計算結果與采用半無限體假設得到的結果并無本質不同。

（2）采用Plaxis 2D計算的結果與《建筑基坑支護技術規程》（JGJ 120—2012）等規程推薦的算法得到的安全系數差異較大，以鋼板樁樁長15m、基坑被動區為加固的工況為例，采用《建筑基坑支護技術規程》（JGJ 120—2012）等極限平衡法得到的安全系數為1.48，遠不滿足1.9的安全系數要求；而有限元強度折減法計算得到的安全系數為2.05，大于1.9，滿足安全要求。但需要注意的是，規程中推薦的1.9的安全系數是與極限平衡法對應的，除了安全必須有的系數，還考慮了算法本身的誤差因素；而采用有限元方法計算對應的安全系數，目前則沒有相應的安全值規定，二者不可混淆。

（3）當基坑被動區沒有加固時，采用半無限體假設和考慮基坑二維尺寸效應模型計算得到的結果接近，說明在填土及軟土地基條件下，考慮二維尺寸效應對基坑穩定安全系數的影響很小，可不考慮。

（4）當基坑被動區加固后，基坑的安全系數顯著提高，這與極限平衡算法的結論是一致的；但此時采用能夠考慮寬度影響的模型比半無限體假設的模型得到的安全系數更高，說明在坑底土體物理力學參數提高的情況下，采用考慮寬度影響的基坑模型的算法能夠帶來一定的經濟性。

4.2 三維尺寸效應對比分析

當基坑的鋼板樁長度超過18m時，則消防水池基坑在長度方向上也存在著三維尺寸效應，為了對比三維尺寸效應對基坑開挖穩定安全系數的影響大小，采用Plaixis 3D軟件模擬分析18m鋼板樁支護下基坑的抗隆起穩定安全系數。

從計算結果來看，考慮了三維尺寸效應的基坑，基于強度折減法的安全系數為4.144，最大變形量為130.6mm，與二維尺寸效應的計算結果基本一致。

5 結論

在分析軟土地區消防水池基坑二維和三維尺寸效應的基礎上，分別采用極限平衡法和有限元強度折減法對坑底抗隆起穩定的安全系數進行計算對比分析，得出以下結論。

（1）采用強度折減法計算得到的安全系數較采用極限平衡法計算得到的結果要高，但由于理論基礎的不同，不可采用強度折減法的安全系數代替極限平衡法的計算結果，強度折減法可以作為特殊條件下的穩定性計算的補充。

（2）在以軟土地層為主的工程中，是否考慮基坑開挖寬度尺寸效應的影響對坑底抗隆起穩定性的計算結果影響不大，在工程設計時，可采用規程推薦的算法來計算消防水池的坑底抗隆起穩定安全系數。

（3）當坑底存在物理力學指標較好地層，采用旋噴樁、攪拌樁等地基處理方式對坑底被動區進行加固時，考慮寬度的影響，能夠提高安全系數的計算值，即此時再采用規程推薦的算法來計算基坑的穩定性，計算結果偏于保守，但偏差也不大。