高地震區土基上水電站廠房基底應力分析及處理措施

李龍仲

（湖南省水利水電勘測設計研究總院 湖南長沙 410007）

隨著前期國家西部大開發和西電東送戰略的實施，位于西部高地震烈度區的水電工程已大量建設。目前高地震區水電站建設不少，但9度區電站廠房抗震分析研究成果較少，且土基上電站廠房變形控制要求高，地震區計算難度較大，基礎處理復雜。鑒此，本文結合新疆某水電站廠房整體結構和特殊地質條件，采用有限元法，研究了廠房高地震區土基情況下基礎靜動位移和基底應力變化規律，根據成果對基礎采取了固結灌漿處理措施。其研究方法和研究成果對此類工程設計具有一定的參考價值。

一、理論分析與方法

采用有限元法計算結構的動力響應，計算廠房整體結構自振特性時忽略阻尼，結構無阻尼自由振動方程[1]為：

求結構地震反應時采用振型分解反應譜法，先求結構的若干個低階振型和周期。在大型水工復雜結構的振動分析中，一般只取前低頻5～20個振型可滿足精度要求，并根據求得的周期并利用設計反應譜求出結構各振型的最大絕對加速度、最大相對速度和最大相對位移[1]。

計算地震作用效應時，由各階振型的地震作用效用按平方和方根法組合，根據NB35047-2015要求，對于鋼筋砼構件的抗震設計，當采用動力法計算地震作用效應時，地震作用效應折減系數ξ可取0.35。

二、材料參數和計算模型

新疆西部某水電站裝機容量50MW，最大引用流量為128.4m3/s，年發電量1.69億KW·h，為三等中型水電工程。廠房布位于壩下游山前洪積臺地上，基礎均位于上更新統沖洪積層塊石、碎石夾土之上，該土層厚約25m，結構致密，承載能力較高。針對該廠房基礎地質情況，建立了地基廠房整體三維模型。為了能較精確計算廠房靜動工況下基礎沉降變形和地基的影響，在廠房開挖地基上做了現場原位巖體力學實驗，最大等效彈性模量為1.19GPa，最小為0.55GPa。廠房砼結構采用線彈性材料，基礎在廠房開挖后原基礎上做現場巖體力學實驗，測出其等效變形模量和靜彈性模量，采用非線性摩爾庫倫本構。通過有限元法對廠房整體沉降、不均勻沉降、基地應力等內容進行研究分析。

廠房的受力荷載根據規范采用。吊車梁通過ADINA的約束方程實現與整體結構的連接[2]。廠房與基礎的整體模型一共27589個節點，20656個單元，基礎底部計算到基巖，周邊采用程序提供的彈簧阻尼單元來模擬粘彈性邊界，以減小土體周邊散射波對廠房結構的影響。

三、靜力計算分析及基礎處理措施

針對現場巖體力學實驗等效彈性模結果，分別計算最大和最小等效地基彈模條件下廠房基底受力情況：等效地基彈模為0.55GPa時，廠房底部最大沉降為0.88cm，廠房底部不均勻沉降0.31cm，機組軸線不均勻沉降0.33m，廠房基礎底面最大壓應力419.21KPa；等效地基彈模為1.19GPa時，廠房底部最大沉降為0.42cm，廠房底部不均勻沉降0.17cm，機組軸線不均勻沉降0.19mm，廠房基礎底面最大壓應力412.26KPa。

正常運行工況下廠房整體變形趨勢為向下游傾斜，最大沉降量在0.88cm以內，不均勻沉降在0.31cm以內，機組不均勻沉降量在0.33mm以內，廠房基底平均壓應力在305kPa左右，基底最大壓應力在419.21kPa，位移云圖見圖1。

圖1 靜力計算時廠房結構豎向位移

主廠房在設計過程中設兩個基巖位移監測斷面，每個監測斷面上、下游基礎部位分別布置1支基巖變形計，共布設4支基巖變形計。圖2表示2013年6月17日取得基準值以來，截至正常運行期間的前期現場觀測數據。其實際變形規律與有限元變形基本相符，M1和M3位于排水廊道靠近山體，因處于臨空面，這兩只基巖變位計呈現張拉趨勢；M2和M4位于發電機組尾水管巖石中，總體來講測值很小。主廠房已經進入運營階段一段時間，變形呈穩定趨勢，無異常突變情況。

圖2 廠房基巖變位計變形過程線圖（mm）

因處于高地震區，雖地基承載能力滿足要求，但不同等效彈性模量下，廠房基礎變形差異較大，且廠房不均勻沉降對機組運行的影響不可忽略，為提高地基的整體性和地震工況下基礎的穩定性，現場對廠基進行固結灌漿處理。孔距1.5m，各孔孔深8m，分段灌漿，固結灌漿前后的采用對穿聲波對比檢測，灌漿各項指標滿足設計要求。

四、動力分析

結構的自振頻率和振型是結構本身的固有屬性，一般情況下電站廠房結構的前幾階自振頻率和振型起控制作用[3]。模態分析顯示機組段整體的基頻為5.122Hz，周期為0.195s，通過模態參與系數可以看出廠房基頻振型主要是X（橫流向）振動。

在譜分析過程中，考慮地基固結灌漿處理效用，地基等效彈模取平均值0.87GPa，地基動彈模Ed按照工程經驗選取現場實測靜彈模的1.5倍[4]。本廠房動力計算只考慮水平向地震作用，廠房結構受力最終地震響應成果為靜動力疊加的綜合成果。橫流向地震時，動靜疊加后最大沉降0.97cm，最大不均勻沉降0.34cm，機組最大不均勻沉降為0.33mm；順流向地震時，動靜疊加后最大沉降0.97cm，最大不均勻沉降0.37cm，機組最大不均勻沉降為0.44mm；地震工況下基底最大壓應力均小于450KPa。

五、結束語

本文以9地震度區實際工程為背景，采用三維有限元法研究了高地震區土質地基固結灌漿等基礎處理措施下的水電站廠房基礎應力應變規律，研究主要結論及建議如下：

1.土質地質條件下可以根據現場巖體力學實驗，測出近似土體變形模量和等效彈性模量，采用非線性本構模型，采用有限元法分析電站廠房位移和應力等變形規律。

2.靜力計算結果表明廠房基礎最大沉降量和不均勻沉降較小，雖基底應力滿足承載力要求，但設計過程中采用固結灌漿方法來增加地基均質性和整體性。監測數據表明廠房基礎沉降與變形規律均與計算基本相符，長期的基巖變形監測表明地基處理是有效的。

3.動力計算中，廠房結構和基礎的水平向地震作用效應均在控制范圍內，結合長期的監測結果，說明基礎固結灌漿處理對提高土質基礎的抗震性起到了較好的作用。