高地震区土基上水电站厂房基底应力分析及处理措施

李龙仲

（湖南省水利水电勘测设计研究总院 湖南长沙 410007）

随着前期国家西部大开发和西电东送战略的实施，位于西部高地震烈度区的水电工程已大量建设。目前高地震区水电站建设不少，但9度区电站厂房抗震分析研究成果较少，且土基上电站厂房变形控制要求高，地震区计算难度较大，基础处理复杂。鉴此，本文结合新疆某水电站厂房整体结构和特殊地质条件，采用有限元法，研究了厂房高地震区土基情况下基础静动位移和基底应力变化规律，根据成果对基础采取了固结灌浆处理措施。其研究方法和研究成果对此类工程设计具有一定的参考价值。

一、理论分析与方法

采用有限元法计算结构的动力响应，计算厂房整体结构自振特性时忽略阻尼，结构无阻尼自由振动方程[1]为：

求结构地震反应时采用振型分解反应谱法，先求结构的若干个低阶振型和周期。在大型水工复杂结构的振动分析中，一般只取前低频5～20个振型可满足精度要求，并根据求得的周期并利用设计反应谱求出结构各振型的最大绝对加速度、最大相对速度和最大相对位移[1]。

计算地震作用效应时，由各阶振型的地震作用效用按平方和方根法组合，根据NB35047-2015要求，对于钢筋砼构件的抗震设计，当采用动力法计算地震作用效应时，地震作用效应折减系数ξ可取0.35。

二、材料参数和计算模型

新疆西部某水电站装机容量50MW，最大引用流量为128.4m3/s，年发电量1.69亿KW·h，为三等中型水电工程。厂房布位于坝下游山前洪积台地上，基础均位于上更新统冲洪积层块石、碎石夹土之上，该土层厚约25m，结构致密，承载能力较高。针对该厂房基础地质情况，建立了地基厂房整体三维模型。为了能较精确计算厂房静动工况下基础沉降变形和地基的影响，在厂房开挖地基上做了现场原位岩体力学实验，最大等效弹性模量为1.19GPa，最小为0.55GPa。厂房砼结构采用线弹性材料，基础在厂房开挖后原基础上做现场岩体力学实验，测出其等效变形模量和静弹性模量，采用非线性摩尔库伦本构。通过有限元法对厂房整体沉降、不均匀沉降、基地应力等内容进行研究分析。

厂房的受力荷载根据规范采用。吊车梁通过ADINA的约束方程实现与整体结构的连接[2]。厂房与基础的整体模型一共27589个节点，20656个单元，基础底部计算到基岩，周边采用程序提供的弹簧阻尼单元来模拟粘弹性边界，以减小土体周边散射波对厂房结构的影响。

三、静力计算分析及基础处理措施

针对现场岩体力学实验等效弹性模结果，分别计算最大和最小等效地基弹模条件下厂房基底受力情况：等效地基弹模为0.55GPa时，厂房底部最大沉降为0.88cm，厂房底部不均匀沉降0.31cm，机组轴线不均匀沉降0.33m，厂房基础底面最大压应力419.21KPa；等效地基弹模为1.19GPa时，厂房底部最大沉降为0.42cm，厂房底部不均匀沉降0.17cm，机组轴线不均匀沉降0.19mm，厂房基础底面最大压应力412.26KPa。

正常运行工况下厂房整体变形趋势为向下游倾斜，最大沉降量在0.88cm以内，不均匀沉降在0.31cm以内，机组不均匀沉降量在0.33mm以内，厂房基底平均压应力在305kPa左右，基底最大压应力在419.21kPa，位移云图见图1。

图1 静力计算时厂房结构竖向位移

主厂房在设计过程中设两个基岩位移监测断面，每个监测断面上、下游基础部位分别布置1支基岩变形计，共布设4支基岩变形计。图2表示2013年6月17日取得基准值以来，截至正常运行期间的前期现场观测数据。其实际变形规律与有限元变形基本相符，M1和M3位于排水廊道靠近山体，因处于临空面，这两只基岩变位计呈现张拉趋势；M2和M4位于发电机组尾水管岩石中，总体来讲测值很小。主厂房已经进入运营阶段一段时间，变形呈稳定趋势，无异常突变情况。

图2 厂房基岩变位计变形过程线图（mm）

因处于高地震区，虽地基承载能力满足要求，但不同等效弹性模量下，厂房基础变形差异较大，且厂房不均匀沉降对机组运行的影响不可忽略，为提高地基的整体性和地震工况下基础的稳定性，现场对厂基进行固结灌浆处理。孔距1.5m，各孔孔深8m，分段灌浆，固结灌浆前后的采用对穿声波对比检测，灌浆各项指标满足设计要求。

四、动力分析

结构的自振频率和振型是结构本身的固有属性，一般情况下电站厂房结构的前几阶自振频率和振型起控制作用[3]。模态分析显示机组段整体的基频为5.122Hz，周期为0.195s，通过模态参与系数可以看出厂房基频振型主要是X（横流向）振动。

在谱分析过程中，考虑地基固结灌浆处理效用，地基等效弹模取平均值0.87GPa，地基动弹模Ed按照工程经验选取现场实测静弹模的1.5倍[4]。本厂房动力计算只考虑水平向地震作用，厂房结构受力最终地震响应成果为静动力叠加的综合成果。横流向地震时，动静叠加后最大沉降0.97cm，最大不均匀沉降0.34cm，机组最大不均匀沉降为0.33mm；顺流向地震时，动静叠加后最大沉降0.97cm，最大不均匀沉降0.37cm，机组最大不均匀沉降为0.44mm；地震工况下基底最大压应力均小于450KPa。

五、结束语

本文以9地震度区实际工程为背景，采用三维有限元法研究了高地震区土质地基固结灌浆等基础处理措施下的水电站厂房基础应力应变规律，研究主要结论及建议如下：

1.土质地质条件下可以根据现场岩体力学实验，测出近似土体变形模量和等效弹性模量，采用非线性本构模型，采用有限元法分析电站厂房位移和应力等变形规律。

2.静力计算结果表明厂房基础最大沉降量和不均匀沉降较小，虽基底应力满足承载力要求，但设计过程中采用固结灌浆方法来增加地基均质性和整体性。监测数据表明厂房基础沉降与变形规律均与计算基本相符，长期的基岩变形监测表明地基处理是有效的。

3.动力计算中，厂房结构和基础的水平向地震作用效应均在控制范围内，结合长期的监测结果，说明基础固结灌浆处理对提高土质基础的抗震性起到了较好的作用。