沙灣電站異常振動與地基變形關聯性分析

胡士克

（西南交通大學交通安全技術研究院， 四川 成都 610000）

0 前言

沙灣電站位于四川省涼山州木里縣境內，自2012年發電以來，主廠房、GIS樓等相關設備一直反映出有異常振動和噪聲現象，當機組以滿負荷運行時，振動更加明顯。振動是一個不可忽視的問題，電站機組常常會誘發的結構振動，導致結構破損以至于影響電站正常運行[1]雖然我國多數水電站都有長期的監測研究，但就其振動問題的復雜性而言，找到完整的解決方法還存在著一定的困難[2-3]。國內水電站振動防治研究中，大多采用電站異常振動點監測和有限元軟件分析振動特性兩種方法來進行結構分析[4]。

為探究沙灣電站的異常振動與地基不均勻沉降的關聯性，利用ABAQUS有限元軟件和具有強大的幾何建模和網格劃分功能[5]的MIDAS GTS技術對電站振動產生的原因、傳遞路徑和規律展開數值分析，為類似工程提供借鑒。

1 環境條件

沙灣電站廠房位于涼山州木里河干流上，處于木里河右岸的I級后緣緩坡地帶，其中拔河高11～20m，河水面高程2312.6m，階地面較為平緩，地面高程2324～2329m；階地后緣為平緩的臺階狀地形，覆蓋層厚33.75～43.78m，廠房樞紐建筑物由主廠房、副廠房及GIS樓、尾水渠組成。 廠區地層情況如圖1、表1所示。

2 數值建模分析

根據對區域地質條件的分析和以往振動監測數據的研究，推斷出廠區山體的自重應力、滲流作用可能會對廠區基坑產生較大影響，在這種環境應力下，基坑和基礎圍巖的受力和狀態都會發生改變。為深入了解電站異常振動與電站地基基礎的關聯性，一方面利用MIDAS技術對廠區范圍進行應力、滲流場進行模擬；另一方面機組運行時自重荷載較大，在自身地基存在粉土層的情況下，高頻振動會對粉土層產生液化的風險，利用ABAQUS對其中振動明顯的三號機組剖面進行振動特征及規律分析。

2.1 建模方案

為了建立符合現場實際情況的仿真三維模型和重點區域的剖面模型，首先利用GIS系統獲取沙灣電站海拔坐標信息，再利用MIDAS NX中地圖圖形編輯器模塊對等高線圖進行曲面化，并在MIDAS GTS中進行應力、應變及滲流計算。

全尺寸模型主要考慮巖石重力荷載作用下及滲流應力過程，包括河道、對面山體以及上游方向山體對電站基礎、基坑及結構的影響。模型通過導入10米精度的STRM數據獲得廠址區域地貌基本地形圖。模型重點研究區域為電站所依靠的山體，山體采用各向同性均一化物理參數模型（忽略山體構造幾何參數）。考慮到實際情況，底部設置X、Y、Z向平動約束及繞X、Y、Z軸轉動約束，基巖四周采取Y、Z向平動約束及繞X、Y、Z軸轉動約束，頂部無約束，自重方向為Z軸方向，整個模型可以在模型基礎四周側向約束內發生豎向自由沉降。

2.2 在重力場、滲流場作用下的變形特征

為了確切獲得受山體自重重力荷載作用及山體滲流影響廠區的應力狀態，在廠基與山體相交的截面上通過MIDAS GTX NX切割工具獲得廠基位置X、Y、Z切面最大主應力應力狀態。

考慮環境應力的基坑模型x、y、z向位移計算結果如圖2所示。x方向位移主要集中于廠房機組附近，這是由于山體自重應力（基坑產生沿x軸正方向的推力）與基坑受到廠房發電機組自重荷載共同作用所導致，由于尾水平臺附近基礎支撐小于兩側擋水圍堰，且兩側圍堰樁基處理具有一定約束，通過模型模擬很好地體現出了該作用對基坑所造成的變形。

電站緊鄰河道岸邊，基坑y向變形模擬也呈現出不均勻的斜向河道下游的分布規律，產生這種現象的原因是尾水平臺兩側圍堰樁基礎處理深度不一致，使得基坑y向位移收到山體推力，自重荷載及抗變形能力差異性的共同影響，導致y向變形多集中在機組基坑與尾水平臺交界的位置附近。模擬基坑沿著z軸向位移的云圖中可以看出，尾水位置z軸沉降最小，廠房基坑位置沉降最大，其次為GIS樓位置，這與實際電站運行監測數據結果一致，沙灣電站最大基坑變形位置集中于廠房底部，受外部應力綜合作用影響，呈現3號機組附近位移總矢量和較大的趨勢，由于該處地基存在動力敏感型粉土軟弱夾層，也是此區域易發生沉降變形的主要影響因素。

圖2 基坑沿x、y、z軸向位移

2.3 地基對電站振動的影響

圖3（a）可以看出，左側豎向位移較大且沿深度變化明顯，同時在尾水結構下的區域由于軟弱夾層的存在導致了較大變形。同時以推測基巖界限為界，上部整體存在向右側位移的趨勢。

圖3（b）為3號機組典型剖面地層及樁體應力分布模擬結果，各個地層由于力學性質的差異導致受力狀態上出現了明顯的分層情況，尤其是發電機組下部紅色高亮區域，該部分區域位于地基粉土層中。電站“2295.11（樁頂）以上粉土層全部挖除并換填”，旋噴擠密樁2295.11高程以下仍存在部分樁體位于尚未挖除的粉土層中，該區域與圖3（c）所示應力集中位置相符。樁基工程應用中也常常會出現在荷載作用下樁土耦合振動的問題，由此可推斷，樁頂標高以下未挖除的的粉土層，在震動荷載作用下孔隙水壓力超壓也是引起不均勻沉降，并導致發電機組主軸偏心和震動加劇的主要原因之一。

圖3 下覆地層水平向位移云圖

3 結論

（1）在不考慮區域構造應力的條件下，后部山體由于自重應力產生的重力變形及滲流作用形成的滲流力，對廠區基坑產生了較大的影響，其明顯特征為山體存在向河道內側擠出的趨勢。

（2）利用ABAQUS軟件模擬可知，由于廠房基坑上發電設備自重荷載較大且發電機組運行過程中存在高頻動荷載，在動、靜荷載共同作用下，廠房基坑呈現出沿Z軸、X軸沉降較大的規律。

（3）從模擬結果來看，發電機組產生的振動經支座傳至廠房結構及下部基礎時，引起處于同一筏板基礎的GIS樓產生振動，該振動會導致下覆粉土層發生液化，加上山體自重作用將加劇振動荷載的作用效果，可導致整個廠房建筑振動逐漸劇烈。

（4）異常振動變形的發展路徑主要表現為：在山體自重應力與旋噴樁強度部分失效的綜合作用下導致廠房不均勻沉降，以致發電機組初始偏心，而后初始偏心導致的發電機組振動超過了基坑振動穩定校核極限，誘發了基礎中的粉土層液化、力學性質減弱。在這個過程中，初始偏心產生的不均勻沉降導致了進一步變形，從而使得振動愈發劇烈，振動由廠房發電機組支座傳遞至廠房混凝土基礎，再由混凝土基礎傳遞至地基中，向四周擴散。