黄石冶钢变电站岩溶地基稳定性分析

2014-11-08尚义敏刘会武张秋霞

安全与环境工程 2014年4期

尚义敏，刘会武，罗林，张秋霞

（1.湖北省电力勘测设计院，湖北武汉430024；2.中国建筑西南勘察设计研究院有限公司，四川成都610052；3.中国地质大学工程学院，湖北武汉430074）

伴随着经济的平稳快速增长，我国基础建设需求不断增高，电网覆盖面积也在不断扩大，而电网建设工程不可避免地会穿越不良工程地质条件区域。由于湖北地区碳酸盐岩地层出露较多，加之处于亚热带湿润气候区，使得岩溶地质地貌遍布全省，因此在沿线电网建设及变电站选址过程中，会穿越几乎所有的岩溶地质和地貌，如溶蚀塌陷、漏斗、岩溶残丘、峰丛峰林、溶蚀洼地、岩溶峡谷以及各种形态的石林、天窗、溶洞等。在岩溶地区进行电网建设时会出现大量工程地质问题，尤其是在大型变电站地基的主要受力范围内，由于上部建筑物附加荷载的作用，岩溶地基常常引起地基承载力不足、不均匀沉降、地基滑动和塌陷等地基变形破坏问题，从而可能导致空洞坍塌，引起其上建筑物发生塌陷、下沉、开裂或垮塌等破坏，将对电力运输和生产建设产生极为不利的影响［1—4］，因此必须对拟建的变电站地基进行稳定性评价。

1 工程概况

拟建的黄石冶钢220kV变电站工程位于黄石市西塞山区冶钢动力分公司制氧车间6 000m3制氧机组主厂房地段。该变电站本期建设规模为主变2×180MVA，终期为3×180MVA，建筑规模约为80m×50m，位于黄石市正东方向约10km。该地段属黄荆山北麓坡地地貌，后经人工整平为建筑用地，现地面为混凝土地面，地势较平坦，总体地势南高北低，场址区地面自然标高为27.98～28.82m（黄海高程），自然标高差为0.84m，设计整平标高为28.40m。该地区气候属亚热带温暖季风气候，雨量丰富，四季气候分明，降雨量主要集中在7～9月份，大量地表水流入地下，为岩溶发育提供了充足的水源，从而保持了地下水对岩类的溶蚀作用。

场区内岩溶属亚热带岩溶，从形态上可将该地区岩溶地貌分为岩溶洼地及溶水洞、溶洞、石芽及溶沟、坡立谷和岩溶丘陵五大类［5—6］，主要发育在场区的东北部以及中部区域，呈带状分布。场区内溶洞众多，各个溶洞发育状况不一，充填情况也不尽相同，有充填、半充填以及未充填溶洞，变电站区域内所有地质剖面上的溶洞数量为12个。

2 黄石冶钢变电站场址岩溶塌陷敏感性分析

本文采用钻探和物探两种探测方法对黄石冶钢变电站区域地下岩溶发育特征进行调查。勘察钻孔布置点详见图1。

图1 勘察钻孔布置点以及剖面分布平面示意图Fig.1 Points of investigational holes and schematic profile diagram

从勘察的结果来看，场地地下岩溶大致分为两类：一类为水平发育溶洞，另一类为垂直发育溶洞。这两类溶洞的洞隙埋深均为5～10m，溶洞高度一般为0.5～10m，宽度一般为0.3～15m，洞长从几米到几十米不等；两类溶洞的发育由区域地质构造和区域地层岩性所控制，呈带状分布，其中以水平发育溶洞为主，最大的溶洞水平方向达30m，垂直方向也有近10m；溶洞发育有集中现象，其形状主要为圆形和椭圆形，少数为不规则形状，水平方向发育的溶洞上覆土层厚度在1.5～20m之间，多数呈未充填状。

目前，对于岩溶塌陷敏感性分析的方法大致有两种，即单因素分析法和多因素分析法。单因素分析法所假设的前提具有一定的局限性，因为在实际中单因素变化时，其余的因素也会同时发生变化，这就要求要考虑多因素同时变化的综合作用。因此，本文综合考虑多种岩溶塌陷的影响因素，并结合现有的区域勘察资料，根据《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011），对黄石冶钢变电站场址岩溶塌陷敏感性进行了分析，最后确定影响岩溶地基稳定性的主要控制因素为：溶洞顶板厚跨比、溶洞大小、上覆土层性质、溶洞充填情况、溶洞上覆土层厚度。

3 黄石冶钢变电站岩溶地基稳定性评价

目前岩溶地基稳定性评价方法经历了由定性到半定量再到定量的过程［7—8］，运用的主要方法为：综合分析法、经验比拟法、顶板厚跨比法、估算顶板安全厚度法、试验测试法、稳定系数法、普式压力拱理论分析法、坍塌平衡法、有限元数值分析法等［9—11］。

本文在场址岩溶塌陷敏感性分析结果的基础上，采用FLAC3D与Ansys相结合的方法对该区域岩溶剖面进行数值模拟，即首先利用Ansys进行前处理，对剖面网格进行剖分，然后再利用FLAC3D进行后处理，对剖面进行数值模拟运算及可视化分析，将各个剖面逐一进行数值模拟，从而得出稳定性评价结果［12—13］。

3.1 稳定性评价过程

本文使用FLAC3D进行数值模拟计算主要分为两个步骤，即初始应力场加载和均布荷载加载。进行第一步求解时假设自重应力场为初始应力场，在边界条件的约束下求解使得网格达到平衡状态；第二步是在初始应力计算结果下进行施加荷载计算。本文截取立体模型内部溶洞最多、最密集的1－1’剖面（见图2）进行稳定性分析、位移分析、应力分析，具体步骤如下：

（1）根据弹塑性力学有效边界原理，对剖面采取40m×220m的模型，将溶洞简化为3.3m×30.2m和2.9m×30.2m，这样可以保证边界效应可以忽略，从而利用Ansys进行网格剖分前处理，再利用接口软件“Ansys to FLAC3D”得到1－1’剖面的简化模型（见图3），该模型简化为薄板，网格数量约为20 000。

图2 1－1’剖面示意图Fig.2 1－1’profile schematic diagram

图3 1－1’剖面的简化模型Fig.3 Simplified model of 1－1’profiles

（2）在FLAC3D下通过Fix命令固定边界，运用弹性本构模型，让其自动收敛，通过监测最大不平衡力的大小来判定模型运算的合理性。图4为初始最大不平衡力监测曲线，由图4可知，模型初始运算收敛，计算合理，从而得出初始应力场。

（3）对初始位移场进行清零，保留初始应力场，即得到近似大地的构造应力场。

（4）对溶洞上覆土层施加竖直向下的1.35×105Pa的荷载，运算得出施加荷载后溶洞的最大不平衡力监测图、z向位移云图和塑性变形分布图，见图5至图7。

图4 初始最大不平衡力监测Fig.4 Monitoring of the initial maximum unbalance stress

图5 施加荷载后最大不平衡力监测Fig.5 Monitoring of the maximum unbalance stress with load

图6 施加荷载后z向位移云图Fig.6 Displacement of z direction with load

图7 施加荷载后溶洞附近塑性变形分布图Fig.7 Plastic deformation near caves with load

图5显示施加荷载后模型运算结果合理；由图6可以看出，溶洞顶板位移明显大于其余处，这符合力学理论；根据FLAC3D溶洞分析原理，将顶板塑性区贯通的溶洞视为不稳定溶洞，由图7所示塑性区说明该剖面的两个溶洞均不稳定，从而根据剖面图可得该剖面上钻孔点201和202稳定，203和204不稳定。

3.2 稳定性评价结果分析

对于一个钻孔而言，它所受的力均来自其周围区域合力的影响，合力的大小、方向决定了钻孔点的稳定性状态、变形形状。对于一个面或是区域而言，可根据其周围结点的运动状态而求得它本身的稳定性现状［15—18］。因此，根据上述稳定性评价过程，可对每个钻孔点进行数值模拟计算。由于每个钻孔点会相应的得到两个稳定性分析结果，从提高岩溶地基安全稳定性的角度出发，可运用最大隶属原则得出最终结果；再利用每个钻孔点所确定的稳定性评价结果，通过数值模拟得出场址各个剖面的稳定性现状，从而得到该场区岩溶地基稳定性评价结果，见图8。由图8可知：该岩溶地基场址最大不稳定区域分布于研究区东部，最大不稳定危险区域在东北部；西部区域以稳定性岩溶地基为主，最大稳定区域为西南部。

图8 研究区岩溶地基的稳定性分布图Fig.8 Stability distribution of the karst foundation

4 结论与建议

（1）通过对黄石冶钢变电站场址岩溶塌陷进行敏感性分析，确定了影响岩溶地基稳定性的主要因素为溶洞顶板厚跨比、溶洞上覆土层厚度、溶洞充填情况、溶洞大小和上覆土层性质。

（2）稳定性评价结果表明：该岩溶地基场址最大不稳定区域分布在研究区东部，最大不稳定危险区域在东北部；西部区域以稳定性岩溶地基为主，最大稳定区域在西南部。

（3）根据岩溶地基的稳定性评价结果，建议对不稳定区域浅埋深、接近地表的溶洞进行换填垫层法，增加地基的抗压能力，并合理确定垫层的厚度和宽度；对不稳定区域较大的溶洞进行高压喷射注浆法处理，以防止地下水对注浆所形成的冲击作用；在稳定区域对溶洞上覆土层采用换土垫层法处理以及对地基土进行夯实压密；禁止或限制该区域附近抽取地下水，由于该地区与长江水力联系较密切，过量抽取地下水势必会造成岩溶水流速增大，加速地下水的流动，对溶洞的侵蚀作用加大，从而降低岩溶地基的稳定性。

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