仙女堡水电站空洞地基对闸室影响分析

2012-11-17欧耀文欧慧娟李昌友

采矿技术 2012年2期

关键词：顺河变位闸室

胡伟，欧耀文，欧慧娟，李昌友

（1.浙江华东工程咨询有限公司，浙江杭州 310014；2.中南大学土木工程学院，湖南长沙410075；3.湖南省株洲市水利水电勘测设计院，湖南株洲市 410067）

仙女堡水电站空洞地基对闸室影响分析

胡伟1，欧耀文2，欧慧娟3，李昌友2

（1.浙江华东工程咨询有限公司，浙江杭州 310014；2.中南大学土木工程学院，湖南长沙410075；3.湖南省株洲市水利水电勘测设计院，湖南株洲市 410067）

为了对仙女堡水电站地基进行加固，利用ANSYS建立了三维非线性有限元模型，共计离散单元31852个，节点数33344个。计算结果表明：仙女堡水电站35m厚的深厚覆盖层以及因淘金扰动而形成的“空洞”，其分布范围较广的右侧地基上的上部结构变位、应力均较左侧大；其次通过模拟正常蓄水位下4种不同“空洞”的埋深，发现“空洞”埋深对横河向变位及应力影响较小，顺河向及铅直向变位随“空洞”埋深增加而降低。

仙女堡；桩基；空洞；应力；应变

1 仙女堡水电站工程概况

仙女堡水电站位于涪江干流，是涪江干流木瓜墩－铁笼堡段梯级开发的第3个梯级电站，为闸坝引水式开发中型Ⅲ等工程，主要建筑物等级为3级，次要建筑物等级为4级。混凝土闸坝由泄洪冲沙闸、左右侧重力式挡水坝、下游护坦等构成，坝顶全长113.43m。其中泄洪冲沙闸长90m，左、右侧挡水坝段长分别为8.69m和14.74m。坝顶高程1121.20m，最大坝高18.2m。泄洪冲沙闸布置在河床中部的原主河道上，由5孔泄洪冲沙闸（21m×11m）组成，左、右侧均采用混凝土重力坝与侧坡相接。具体枢纽布置见图1。

图1 仙女堡电站枢纽布置

2 桩基加固的可行性分析

目前工程中在处理深厚覆盖层地基时主要从提高地基土的强度、减少地基土体的变形与防止渗流可能引起的破坏三方面着手［1－3］。常用的软弱地基处理方式有：置换拌入法（高压喷射注浆法、垫层法、振冲置换法），排水固结法（堆桩预压法、排水井堆载预压法），振密挤密法（强锤夯实法、强夯法、振冲剂密法），反压法、加筋法（土工聚合物、加筋土），桩基法等，其中振冲置换法、强夯法、振冲挤密法、桩基法适用于深厚地基加固。

桩基础既可以承受竖向荷载又可以承受水平向荷载［4］，它的主要功能是通过承台将上部荷载均匀分布到群桩基础上，最后通过桩基将荷载传递到地下较深处的密实土层以满足承载力和降低沉降的要求［5－6］。适用于以下情况：

（1）当荷载较大，地基上部土层软弱，采用浅基础或进行地基处理在技术上和经济上不合理时［7］；

（2）在地震区域内建筑，持力层范围内有可液化土层，需将建筑物支撑于不液化土层时［8］；

（3）建筑物承受较大的水平荷载时；

（4）在流动水域中，水流冲刷较深，危及一般基础稳定时；

（5）施工水位或地下水位较高，采用其他深基础不便施工时。

仙女堡水电站闸址区出露的地层主要为前震旦系碧口群上部岩组（AnZbk3）绢云英千枚岩和第四系全新统松散堆积物。据钻孔及开挖揭示，河床覆盖层厚20～35m，主要为第四系全新统冲洪积层（al－plQ4），为漂卵砾石夹砾砂层，由上而下分别为砾砂层～漂卵砾石层。综上所述，在技术和经济上，桩基础处理完全符合仙女堡水电站的要求。

3 地基空洞埋深对闸室变位和应力的影响

仙女堡水电站经过淘金扰动后的地基，因级配不良，易形成弹模较低的软弱带，产生一定数量和规模的“空洞”。“空洞”会增大闸室的沉降和沉降差，过大的沉降将引起闸室建筑物顶部高程不够，影响建筑物的正常运行；过大的沉降差会引起闸室的倾斜、裂缝导致建筑物的破坏。而不同埋深的“空洞”对于闸室的变位、应力影响必定也不同。本文利用ANSYS软件建立三维非线性有限元模型，通过改变地基中相应“空洞”单元的弹塑性指标模拟闸室地基中不同位置的“空洞”，然后对不同工况下的变位、应力进行分析，总结不同的“空洞”埋深对闸室变位及应力水平的影响。

3.1 有限元模型

仙女堡3＃拦河闸段净宽21m，闸墩宽3m，闸室全长40.4m，闸底板厚2m，闸墩高16.0m，从闸室上游面和下游面分别往上游和下游延伸2倍闸室长度取地基，约80m，从闸室底板面向下延伸70 m，闸室横向模拟27m。本次数值分析计算右侧地基模拟“空洞”20m×8m×4m（长×宽×高），左侧地基模拟“空洞”20m×4m×4m（长×宽×高）。坐标点取在闸底板对称点上，x轴指向闸室左侧，y轴正方向为逆水流方向，z轴正方向竖直向上。模型x轴方向总长27m，y轴方向总长200m，z轴方向总长88m。本次有限元分析，结构计算模块采用solid45六面体单元，本构模型采用邓肯－张非线性模型，渗流计算模块采用六面体对应solid70单元，离散模型见图2，仙女堡水电站闸室、桩基、防渗墙三维有限元模型见图3。整个模型离散后总计单元数31852个，节点数33344个。

如果患者的记性变差，那么诊治的时候就要考虑是不是血管性的痴呆。如果不采取措施的话，后期病人很有可能还会出现的就是认知的削弱了。越到后面，病人出现更多的其他不良反应，比如会出现幻觉，或者是精神方面出现不正常的现象。治疗颇为疑难。

图2 仙女堡3＃闸有限元模型

图3 仙女堡水电站闸室、桩基、防渗墙三维模型

3.2 不同“空洞”层时闸坝三维有限元分析

对不同桩基长度下的闸坝进行有限元分析时可知，桩基按实际工程浇注至千枚岩与漂卵石接触面较为合理，计算水位采用正常运行水位（上游水位高程为1117.5m，下游水位高程为1111.0m），模拟桩基长度为35m。具体为：工况D1，“空洞”层顶部埋深2m，厚度为4m，位于砂砾石覆盖层；工况D2，“空洞”层顶部埋深6m，厚度为4m，位于漂卵石覆盖层；工况D3，“空洞”层顶部埋深10m，厚度为4 m，位于漂卵石覆盖层；工况D4，“空洞”层顶部埋深14m，厚度为4m，位于漂卵石覆盖层（见图4、图5、图6）。

图4 正常蓄水位＋35m长桩基不同“空洞”埋深横河向变位云图

（1）横河向位移。横河向位移较大值出现在闸墩上游右端。就整个闸室而言，右端变形较左端变形大，上游变形较下游大，且各工况下的变位规律不明显。D1工况下闸室最大位移为52.27mm，D2工况下最大位移为52.75mm，变位大于D1工况，D3工况下最大位移为52.71mm，D4工况下最大位移为51.78mm。

（2）顺河向位移。顺河向位移基本为顺水流方向，所有工况的最大位移均出现在右侧闸墩中游处。D1工况下闸室的最大变位为33.65mm，D2工况下闸室的最大变位为33.21mm，D3工况下闸室的最大变位为31.75mm，D4工况下闸室的最大变位为29.33mm，顺河向位移随着“空洞”埋深的增加而减小。“空洞”埋深越深，顺河向变位越小。

图5 正常蓄水位＋35m长桩基不同“空洞”埋深顺河向变位云图

图6 正常蓄水位＋35m长桩基不同“空洞”埋深铅直向变位云图

（3）铅直向位移。所有工况的铅直向位移较大值均出现在闸墩下游右端。D1工况下闸室的最大变位为63.01mm，D2工况下闸室的最大变位为61.65mm，D3工况下闸室的最大变位为59.39 mm，D4工况下闸室的最大变位为56.92mm。“空洞”埋深越深，铅直向变位越小。

正常蓄水位工况、不同“空洞”埋深、＋35m桩基长度作用下，闸室、防渗墙顺河向与铅直向应力分析如下。

由表1可知“空洞”埋深对闸底板顺河向应力及铅直向应力影响不明显。浇筑桩基后的底板与建基面接触处铅直应力均在地基承载能力范围内。

表1 正常蓄水位＋35m桩基长度不同“空洞”埋深闸底板特征点应力

图7～图10分别显示了正常水位＋35m桩长不同“空洞”埋深工况下防渗墙左、右侧顺河向及铅直向应力沿高程变化情况。结构整体应力水平随着“空洞”埋深的增加而有所降低，但在“空洞”高程处相应结构的应力变化情况较为复杂。防渗墙铅直向压应力在10～30mm高程处随着“空洞”埋深的增加而出现了较为明显的涨幅。右侧结构应力对“空洞”埋深较左侧结构应力敏感。