云南吊江岩水电站地下地基沉降变形应力计算分析

秦乙洪，辛 欣，李悠然，邓 源

(三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002)

云南吊江岩水电站地下地基沉降变形应力计算分析

秦乙洪，辛 欣，李悠然，邓 源

(三峡大学 水利与环境学院，湖北 宜昌 443002)

云南省硕多岗河吊江岩水电站地理环境复杂，地质条件恶劣，在修建挡水建筑物之前需对其地基进行加固处理，以满足建筑物对地基的要求。本文针对该地基实际情况，采用有限元软件SIGMA/W对地下地基沉降进行变形分析和地基应力计算，对比相关规范手册，效验是否满足规范要求，为其地基处理方式的选择提供合理依据，可供实际工程参考。

地基处理；地基沉降变形分析；应力计算

建筑物地下地基沉降是严重威胁和影响到其使用和安全的因素[1-2]。过大的沉降，特别是不均匀沉降，会使建筑物发生倾斜、开裂以致不能正常使用[3]。在已有的对地基沉降的计算理论中，学者丁洲祥、朱合华通过算例分析，主要研究了几何刚度效应对荷载—沉降曲线的影响，并对比分析了小同率型大变形分析中的几何刚度效应问题[4]；郑俊杰、马强采用数值模拟对复合地基附加应力的扩散模式进行了研究，对规范及相关文献给出的地基沉降计算方法进行了讨论，分析了承载板刚度、载荷大小、桩体刚度对应力扩散模式及扩散角的影响[5]；余永强、贾立术通过探讨地基土自重应力对地基土体变形模量影响，采用原始积分法计算地基土的附加应力，将自重应力作用后的变形模量用于地基土附加应力作用时的沉降计算中，提出了利用分层总和法计算地基沉降的简化计算方法[6]。

本文采用有限元软件SIGMA/W对吊江岩水电站进行模型建立，对不同土层深度沉降计算和通过规范手册进行对比分析，提出了不满足规范地基层的处理方法[7]，其结果可为下一步的地基处理方式的选择提供参考，具有借鉴意义。

1 工程概况

云南硕多岗河吊江岩水电站是在金沙江上建筑规划的第四个梯级水电站，建设地点位于香格里拉县虎跳镇，修建地点周围地理环境复杂，整个混凝土闸坝坐落在冲积层上。修建的混凝土闸坝地层从上到下分为5层，即混合土卵石1层，广泛分布于两岸边坡及坡脚处，主要成分为灰岩、板岩，其余为粉土和黏土，厚度大于150 m；粉土质砂层，碎石混合土分布较少，成分为板岩，其余为粉土及砂，稍湿，结构松散，厚度大约为20～70 m；混合土卵石2层，该层混合土卵石呈中密状态，漂石含量较少，卵石含量较多，砾石含量约20%～30%，其余为砂，成分以玄武岩及少量的板岩、灰岩为主，厚度大约为30～50 m；强风化板岩层，黏粒含量和砾石含量较少，砂含量较多，粉粒含量约22.0%，呈可塑状态，厚度大约为80～150 m；弱风化板岩层，卵石含量占大部分，砾石含量约20%～30%，其余为砂，其成分以玄武岩及少量的板岩、灰岩为主。

2 岩(土)体物理力学参数

表1和表2是根据《水利水电工程地质勘探规范》(GB 50287—2006)得出。

表1 坝基各岩石(体)的物理力学参数建议值

表2 坝址土体物理力学参数建议值表

3 地基沉降的计算和分析

3.1 边界条件及参数的选取与确定

计算区域：左边距离上游坝趾15 m，右边距离下游坝趾27 m，地面距离弱风化板岩底部29.5 m，其中上游坝趾距离纵坐标轴20 m，下游坝趾距离纵坐标轴53 m，弱风化板岩底部与横坐标轴重合。

有限元SIGMA/W分析是基于SEEP/W计算基础上对地基沉降变形进行分析，分析情况为上游有水。计算时将地基分为五个分区，由地面从上至下依次分别为：混合土卵石1层，粉土质砂层，混合土卵石2层，强风化板岩层，弱风化板岩层。为了研究上游的水和大坝自重对地基沉降的影响，此处将大坝的浇注材料混凝土也作为一种材料。具体材料对应的参数如下表3。

表3 地基材料分区及其对应参数

3.2 上游有水时有限元SIGMA/W分析

上游有水时边界条件：上游水头压力22.5 m，下游假设水头压力为0 m，大坝左侧、右侧、底部边界X和Y方向位移均为0。此时除了大坝自重还有水压力的作用，地基出现明显沉降，沉降情况如图1和图2。

从图1和图2可以看出：各个地层都会有沉降，由沉降细部图2知最大沉降量发生在混合土卵石1层，为35 cm。图2中数值为负是因为下游无水而且限制了边界不让其发生位移导致在上游水的作用下使得地面隆起。

图1 上游有水时地基沉降图

图2 上游有水时地基沉降细部图

图3 有水时地基沉降曲线选点图

图4 有水时地基沉降曲线图

从图3和图4可以看出：沉降量最明显的地层是混合土卵石1层，沉降曲线图选取最靠近大坝底的点为研究对象，从曲线图4中可以知道最大沉降量约为22 cm，根据《水闸设计规范》(SL 265-2001)天然土质地基上水闸地基最大沉降量不宜超过15 cm，显然在上游有水时该地基不满足沉降要求。

图5 有水时混合土卵石1层应力曲线选点图

图6 有水时混合土卵石1层应力曲线图

从图5和图6可以看出：有水时混合土卵石1层最大的应力值在320 kPa左右，根据表2中混合土卵石的允许承载力为400～450 kPa，显然该地层满足承载力要求。

图7 有水时粉土质砂层应力曲线选点图

图8 有水时粉土质砂层应力曲线图

从图7和图8可以看出：有水时粉土质砂层最大应力值在340 kPa左右，根据表2中粉土质砂的允许承载力为180～200 kPa，显然不满足承载力要求，为此对该地层要进行处理。

图9 有水时混合土卵石2层应力曲线选点图

图10 有水时混合土卵石2层应力曲线图

从图9和图10可以看出：有水时混合土卵石2层最大的应力值在350 kPa左右，根据表2中混合土卵石的允许承载力为400～450 kPa，显然该地层满足承载力要求。

图11 有水时强风化板岩层应力曲线选点图

图12 有水时强风化板岩层应力曲线图

从图11和图12可以看出：有水时强风化板岩层最大的应力值在420 kPa左右，根据表1有强风化板岩的允许承载力为400～500 kPa，显然该地层满足承载力要求。

从图13和图14可以看出：有水时弱风化板岩层最大的应力值为525 kPa，根据表1中有弱风化板岩的允许承载力为600～800 kPa，显然该地层满足承载力要求。

图13 有水时弱风化板岩层应力曲线选点图

图14 有水时弱风化板岩层应力曲线图

4 处理措施的提出

由于上游有水时地基沉降超出了《水闸设计规范》(SL 265-2001)中规定的15 cm，为此要对地基进行加固处理，下一步需确定处理的具体地层。由以上分析可知：采用有限元软件SIGMA/W分析了上游有水时建筑物地基5层情况，只有粉土质砂层不满足地基承载力要求。

通过分析可知：需要对粉土质砂层的具体情况进行分析。图15、图16为粉土质砂层上部的沉降曲线图，可以看出最大沉降为17 cm左右仍然超出15 cm。图17、图18为粉土质砂层中部的沉降曲线图，明显可以看到最大沉降量为10.5 cm左右，满足要求。为了确保地基稳定安全，需对可能出现地基沉降的地基层进行处理，通过以上分析可知应选定可能出现地基沉降的地基层为粉土质砂层，深度约为10.5 m。

图15 有水时粉土质砂层上部应力曲线选点图

图16 有水时粉土质砂层上部沉降曲线图

针对混合土卵石以及粉土质砂，根据以上分析可拟定出适合本方案地基处理的方法为选用振冲法中加填料的振冲碎石桩法，即用振动、冲击或水冲等方式在软弱地基中成孔后，再将碎石或砂挤压入土孔中，形成大直径的碎石或砂所构成的密实桩体，其中碎石桩桩径1 m，深度12 m，碎石桩布置间距为3 m×3 m。

图17 有水时粉土质砂层中部沉降曲线选点图

图18 有水时粉土质砂层中部沉降曲线图

5 结 论

(1)通过本文分析可知可能出现地基沉降的地基层为粉土质砂层，固需要对其进行加固处理。

(2)文章中若对提出地基沉降的处理措施加以详细补充，会对工程更具有实际参考价值。

(3)为确保地基各个岩层的受力稳定，文章可选取Ansys软件对其结构受力情况进行建模分析，会更具有说服力。

[1] 孟常青.试论软弱地基处理的方法[J].中国科技纵横，2011(15)：2-4.

[2] 彭弟，张坤.地基处理新技术与发展[J].长春工程学院学报，2007(3)：1-3.

[3] 苏新国，吴凌.软土地基处理新方法的研究[J].工程建设与档案，2004(4)：38-40.

[4] 丁洲祥，朱合华.地基沉降大变形有限元分析的几何刚度效应[J].岩土力学，2009(5)：1275-1280.

[5] 郑俊杰，马强.复合地基沉降计算与数值模拟分析[J].华中科技大学学报(自然科学版)，2010(8)：95-98.

[6] 余永强，贾立术.基于变形模量的地基沉降的计算方法[J].河南理工大学学报(自然科学版)，2013(10)：620-624.

[7] 张子明.用初始函数法计算多层地基的位移和应力[J].岩土工程学报，1986(4):15-18.

Stress calculation and analysis of underground foundation’s sedimentary deformation in Diaojiangyan hydropower station of Yunnan Province

QIN Yihong,XIN Xin,LI Youran,DENG Yuan

(CollegeofHydraulicandEnvironmentEngineering,ChinaThreeGorgesUniversity,Yichang443002,China)

The Diaojiangyan hydropower station of Yunnan province has a complex and adverse geographical environment. Its foundation must be reinforced before building the dam in order to meet the demand of foundation bearing capacity. Considering above these, in the paper, the foundation’s sedimentary deformation was analyzed and the stress was calculated by the finite element software SIGMA/W. The conclusions which were compared with the standard values from specifications manual, can not only provide a reasonable basis for foundation treatment but be referred by practical project.

foundation treatment; analysis of foundation`s sedimentary deformation; stress calculation

三峡大学科研创新基金(SDYC2016004)

秦乙洪(1992-)，男，硕士研究生，主要从事水利工程施工与管理方面的研究。

TV741

A

2096-0506(2016)12-0005-06