湿陷性黄土地基建构筑物沉降监测与地学解释

魏国良 王 斌 廖文兵 孙文庆 忽 巍 罗卫西

(1.陕西华电蒲城发电有限责任公司，陕西蒲城 715501;2.国家测绘局大地测量数据处理中心，陕西西安 710054)

1 概述

陕西华电蒲城发电有限责任公司位于陕西省渭北平原的蒲城县境内。先后分三期建成，一期于1996年建成并投入使用，二期于2003年底投入运营，三期于2008年底投产，总装机容量2 700 MW，是我国西北地区装机规模最大的火力发电厂。厂区平均海拔约494.5 m，地基以湿陷性黄土为主。

2008年汶川地震波及到我国中西部多个省份，在强烈地震影响下，厂区内的1号冷却塔由于地表排水系统的破坏而造成湿陷性黄土地基自重湿陷沉降。本文以1号冷却塔为例，首先介绍了严密的沉降监测方法及其数据处理。其次介绍了由于工程自重和湿陷性黄土地基沉降量的计算方法。两者在数值上仅相差3.39%，说明采用的沉降观测方法科学、结果可靠。

2 沉降监测与数据处理

2.1 沉降观测点位设计

为了能够反映出建(构)筑物的准确沉降情况，沉降观测点要埋设在最能反映沉降特征且便于观测的位置。一般要求建构筑物上设置的沉降观测点纵横向要对称，且相邻点之间间距以15～30 m为宜，均匀地分布在建构筑物的周围。设计的点位如图1所示。

2.2 变形观测

①沉降观测遵循“五定”原则进行，即按照采用相同的观测路线，使用同一仪器和水准尺，固定观测人员，在基本相同的环境和条件下工作的要求进行观测，观测周期为半年。

图1 冷却塔沉降点分布图及基底压力模型

②水准控制网与国家一、二等水准网点联测。冷却塔控制网观测路线严格遵循9－8－7－6－5－4－3－2－1－9。

③采用高精度的NI007水准仪及配套的铟瓦水准标尺按二等水准观测，采用闭合环加往返测进行。

④水准仪在每期作业开始前按国家水准测量规范规定的项目进行全面系统的检验。NI007为自动按平水准仪，每天检校i角一次。水准尺在出工前后分别检验一次，如两次检验无明显变化，取出工前后测值对测量结果进行改正［1-3］。

⑤由于障碍物遮挡及其他因素，在观测过程中无法满足单站前后视距差不超过1 m，累计视距差不超过3 m的测段应考虑中转或加测站的方法解决。

2.3 沉降计算与分析

在外业数据采集完成后，经检查无误计算出往返测高差不符值、外业高差与概略高程表及测段平均高差表。平差采用间接平差法进行，按测站数定权。平差结果要求每公里偶然中误差MΔ≤±0.3 mm，否则需重测或补测。表1为9个沉降观测点的沉降量。

采用9个支墩点沉降量的数学平均值作为冷却塔的整体沉降量

表1 冷却塔观测点沉降量统计 mm

3 工程地质沉降

冷却塔总高131.84 m，其中10 m以上为钢筋混凝土双曲线筒体结构，筒顶直径51.834 m，筒底直径88.844 m，下部10 m为钢筋混凝土框支结构，共36对钢筋混凝土圆形截面柱，柱底为钢筋混凝土环形基础，基础宽5 m，基础深3.0 m，基底以下为6 m厚2∶8灰土垫层。

在计算工程地质沉降量前，必须要进行地基土承载力验算和地基土变形验算。由于篇幅所限，这里不加推导的给出对应的计算公式和结果。

3.1 冷却塔地基土承载力验算

根据冷却塔结构计算塔体基础以下2∶8灰土垫层底总荷载为

式中 P——灰土垫层底面总荷载/kPa;

P1、P2、P3——分别为地面10 m 以上塔体、地面至 10 m高度范围支撑柱及灰土垫层底至地面的重量/kPa。

岩土工程勘察结果说明冷却塔灰土垫层下持力层地基土的承载力特征值:fk=170 kPa

由此可知:P=170.4 kPa＜1.1fk=187 kPa

结果表明:现地基土承载力能满足上部结构荷载承载力要求。

3.2 冷却塔地基土变形验算

地基总沉降量包括由上部结构荷载引起的固结沉降量S1和因浸水引起的湿陷沉降量S2两部分。S1可按分层总和求得。

(1)固结沉降量S1计算

①基底压力计算

基底附加压力计算为式中:P为基底平均压力，σc为基底中心点处自重应力，Fk为上部结构总荷载，Gk为基础及其上回填土总重。

按照基底压力模型计算的基底附加压力:P0=P－σc=145.32－54.00=91.32 kPa

②各分层沉降量计算

将环形基底均布荷载近似以36个集中荷载F代替。采用布辛奈斯克解计算各计算点处附加应力，计算点沿集中荷载作用处向下选取。计算点布置见图2。此处取其中一个集中荷载作用下的计算点进行计算，其余集中荷载作用下的计算与此相同。

图2 计算点分布(单位:m)

各分层计算点沉降量计算

③总固结沉降量计算

当计算点处竖向附加应力和自重应力满足σzi＜0.2σci时，可停止计算。固结沉降计算结果见表2。

表2 固结沉降计算

当 Z=7.4 m 时，0.2σc=38.64 kPa＞30.87 kPa，满足计算深度要求，所以可停止计算。计算沉降量S'1=120.89 mm，表中0点计算深度对应高程为－3.0 m。

由沉降计算经验系数［4］ψs=0.788计算该地基土在上部荷载下产生的沉降量 S1=ψSS1'=0.788×120.89=95.26 mm。

(2)浸水湿陷沉降量计算

①原地基土计算自重湿陷量Δzs

根据原勘察报告，自然地面下35 m范围内存在湿陷性，原设计施工的处理深度为15.4 m，还有19.6 m湿陷性土层未处理，遇水浸入会发生自重湿陷性变形沉降。该自重湿陷沉降量按公式计算，计算结果见表3［4］。

表3 自重湿陷沉降量计算

②浸水引起的湿陷沉降量S2

由岩土工程勘查可知冷却塔剩余湿陷沉降量为Δs=103 mm。所以由浸水引起的湿陷沉降量为

(3)总沉降量计算

由前述计算结果可知冷却塔最终的沉降量［5］

计算结果表明:陕西华电蒲城发电有限责任公司的冷却塔沉降，主要由于地表水的渗透而导致湿陷性黄土地基产生湿陷变形，从而引起建筑物基础发生较大量的不均匀沉降。沉降监测的沉降量与工程地质沉降量两者在数量上仅相差3.39%。

4 结论

通过对湿陷性黄土地基上的建构筑物的沉降观测和地质勘察两种方法计算出建筑物的沉降量一致，说明湿陷性黄土地貌上的建构筑物的沉降量主要由于地表水(雨雪水及地下管网渗漏水)的渗透而导致建筑物发生较大量的不均匀沉降。严格排查地表水的渗透点成为解决建筑物沉降关键。且相比而言，沉降观测费用小、测量周期短、高精度等特点降低了工程造价。另外该方法也可适用于城市地面沉降观测、湿陷性黄土地貌无碴铁路轨道的铺设等。

［1］ 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会．GB/T 12897—2006 国家一、二等水准测量规范［S］．北京:中国标准出版社，2006

［2］ 江丹．浙江省杭嘉湖平原地面沉降分析［J］．测绘通报，2008(7):13-15

［3］ 杨林浩．郑西客运专线路基工程沉降观测方案［J］．铁道工程学报，2006(7):10-13

［4］ 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会．GB50025—2004 湿陷性黄土地区建筑规范［S］．北京:中国标准出版社，2004

［5］ 陕西西科建筑加固改造工程有限公司．陕西华电蒲城发电有限责任公司一期主厂区沉降处理技术方案［R］．西安:西科建筑加固改造公司，2011