软土地基变电站沉降监测与预测分析

陈庆伟，杨臻，谢丹，张学凯，赵勇

(1.国网山东省电力公司经济技术研究院，山东 济南 250021；2.中国电力科学研究院有限公司，北京 100192；3.国网山东省电力公司，山东 济南 250001)

变电站作为电网中转化和输送电能的重要场所，是整个电网系统的核心和纽带，对于电力系统的安全稳定运行至关重要。随着我国经济社会的快速发展，土地资源日益紧缺，为了保证高集中性电力负荷区域的正常供电，变电站有时被迫需要建设在滨海软土地基上[1-2]。软土地基含水量大、压缩性高、承载力通常较低[3-4]，再加上温度、降雨以及变电站的环境荷载等作用，容易使变电站产生较大的沉降变形和不均匀沉降，威胁站内设备的安全稳定运行[5]。加强变电站工程的沉降变形监测6-7]，既是不断提升变电站工程质量和管理水平的要求，也是确保电网能够安全稳定运行的基本要求和重要保障[8-11]。

目前已有相关学者对特殊地质条件下变电站地基沉降变形的原因及处理方案等进行了研究。刘宇平等[12]对山区复杂场地某110 kV变电站的地基沉降原因及处理措施进行剖析；贾继灏等[13]对500 kV变电站设备基础的沉降观测方法进行了探讨；姚自勇等[14]分析了110 kV变电站软土地基的加固方案；张均锋等[15]研究了110 kV变电站粉土层地基的沉降变形原因及地基处理技术。但总体而言，很少有相关学者通过实地监测对滨海软土地基变电站的沉降变形规律进行深入分析，也少见有相关的沉降变形预测方法。

本文以某滨海软土地区220 kV变电站工程为背景，对变电站建筑的地基沉降进行实地监测，分析变电站软土地基的沉降变形规律。基于沉降观测数据，利用三维地质工程有限元软件ZSOIL.PC，建立地基土体和变电站建筑的三维整体有限元模型，对施工过程中和施工结束后地基基础的沉降变形进行数值模拟，预测分析沉降发展趋势和最终的沉降量，探讨地基沉降的变形特征，为下一步的电气设备安装提供决策参考，也为后续变电站软土地基工程设计提供借鉴。

1 工程概况

1.1 工程规模

该变电站场地位于山东滨州市以北约82 km，地处套尔河入海口附近，站内主要建(构)筑物为2座配电装置楼和3台主变压器基础，其中：220 kV配电装置楼布置在站区南侧，地上二层；110 kV配电装置楼布置在站区北侧，地下一层(电缆夹层)，地上二层；主变压器布置在站区中间，周边设置环形消防道路；先施工220 kV配电装置楼，后施工110 kV配电装置楼。

1.2 工程地质条件

依据地质勘察结果，结合搜集到的区域地质资料以及邻近已有建筑工程经验综合分析，场地地貌成因类型为海陆交互沉积平原，地貌类型为滨海滩涂。站址区地形平坦，地面高程1.25～1.42 m，原为养虾池，常年位于水面以下。场地地层为第四系全新统人工填土(Q4s)和全新统海陆交互沉积层(Q4mc)，岩性为淤泥质黏土、粉土、粉细砂等。典型静力触探结果见表1。

表1 静力触探结果Tab.1 Static force penetration results

现将拟建站址区地层特征由新到老、自上而下描述如下：

①层——淤泥质黏土，灰、灰黑色，饱和，软塑—流塑状态，土质不均匀，层理明显，夹薄层粉土及粉细砂，局部混贝壳碎屑。

②层——粉土，灰黄、灰、深灰、灰黑等色，稍湿—很湿，稍密状态为主，局部呈中密状态，土质不均匀，层理明显，夹粘性土、砂土薄层，局部混大量贝壳碎屑。

③层——淤泥质黏土，灰、灰黑色，饱和，软塑—流塑状态，土质不均匀，层理明显，夹砂质粉土及粉细砂，局部混贝壳碎屑。

④层——粉细砂，灰、黄灰色，饱和，松散状态，土质不均匀，层理明显，夹薄层粉土及粉细砂，混大量贝壳碎屑，局部贝壳碎屑呈层状分布。

⑤层——粉细砂，灰、黄灰色，饱和，中密—密实，土质均匀。

1.3 地基处理情况

依据地质情况以及变电站建筑的使用环境、设备运行情况及受荷特点，本工程采用水泥土搅拌法中的深层搅拌法进行地基处理，桩径500 mm，桩间距1.2 m，施工和质量检验严格按照JGJ 79—2012《建筑地基处理技术规范》和DL/T 5024—2005《电力工程地基处理技术规程》的要求进行。搅拌桩固化剂选用强度等级为42.5级的普通硅酸盐水泥，水泥掺入量为55～65 kg/m，同时按水泥掺入量的6%～8%(质量分数)掺入混凝土抗硫酸盐类侵蚀防腐剂。处理后110 kV配电装置楼及220 kV配电装置楼的复合地基承载力特征值fspk≥150 kPa。主变压器及防火墙、避雷针、水泵房、消防水池、户外避雷器、围墙等复合地基承载力特征值fspk≥120 kPa。单桩承载力特征值Ra≥123 kN，搅拌桩身水泥土立方体抗压强度标准值fcu≥2.5 MPa。场地土方平整土的压实系数为0.95。

2 沉降监测

2.1 监测方案

现场的沉降观测采用几何水准测量方法进行，其精度依据GB 50026—2007《工程测量规范》和DL/T 5445—2010《电力工程施工测量技术规范》的规定采用二等水准测量。测量使用日本产TOPCON DL501自动安平精密电子水准仪配以TOPCON BIS20条形码铟钢水准尺。根据规范规定，并兼顾楼体结构特点，沉降监测点主要选择在建筑物的四周、重要的承重部位及沉降缝、后浇带两侧，沉降监测点(N1—N8、S1—S8)的布置如图1所示。基础施工完成后，分别对220 kV配电装置楼和110 kV配电装置楼进行148 d和101 d的沉降监测。

图1 沉降监测点布置示意图Fig.1 Schematic diagram of settlement monitoring point layout

2.2 监测结果

将220 kV配电装置楼的单期沉降数据进行汇总，得到累计沉降量，如图2所示。从图2可以看出，随着施工的进行，上部荷载不断增加，地基沉降量也不断增大，各监测点的沉降量随观测时间的增加而迅速增大，沉降曲线下降明显，到观测截止时尚未出现减小的趋势。其中，监测点S1、S4、S5、S8的走势相近，而监测点S2、S3、S6、S7的走势相近。结合图1可以看出，220 kV配电装置楼左右两侧的沉降量小于中间的沉降量。

将监测点S1、S8的平均值作为左侧沉降量，将监测点S4、S5的平均值作为右侧沉降量，将监测点S2、S3、S6、S7的平均值作为中心沉降量，计算结果如图3所示。由图3可见，220 kV配电装置楼的左侧、中部、右侧存在明显的不均匀沉降。

图2 220 kV配电装置楼累计沉降量Fig.2 Accumulated settlement volumes of 220 kV distribution unit building

图3 220 kV配电装置楼左、中、右平均沉降量Fig.3 Average settlement volumes of left, middle and right sides of 220 kV distribution unit building

取图3中的3个平均沉降量，计算左侧与中部的差异沉降、中部与右侧的差异沉降以及左侧与右侧的差异沉降，计算结果如图4所示。可以看出，左右两侧差异沉降非常小，接近于0；而左中差异沉降、右中差异沉降相对较大，且两者基本一致，并在约120 d后趋于收敛。

图4 220 kV配电装置楼差异沉降量Fig.4 Differential settlement volumes of 220 kV distribution unit building

变电站的配电装置楼属于工业与民用建筑中的框架结构，本工程场地地基属于高压缩性土，依据GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》中表5.3.4的相关要求，其相邻柱基之间的沉降差应小于0.003L(L为相邻柱基的中心距离)，表2为各监测点之间的差异沉降值(监测148 d)。可以看出，各个测点间的差异沉降量都在允许范围之内，说明220 kV配电装置楼的沉降是安全的。

表2 各测点差异沉降量汇总Tab.2 Summary of differential settlement volume at each measuring point

图5为110 kV配电装置楼的累计沉降量，可以看出，各监测点的沉降量随时间增加持续增大，观测101 d后，现场沉降仍有显著的增长趋势。总体而言，在同样的观测天数下，相较于220 kV配电装置楼的沉降量小，这主要是由于110 kV配电装置楼上部荷载小于220 kV配电装置楼上部荷载。计算110 kV配电装置楼8个测点总沉降量的最大值、最小值以及平均值，并计算最大沉降量与最小沉降量的差值作为差异沉降量，计算结果如图6所示。由图6可见，约75 d后差异沉降量趋于稳定。计算各监测点之间的实测最大差异沉降量为4.11 mm，远小于允许差异沉降量(32 mm)，说明110 kV配电装置楼的差异沉降是安全的。

由以上实地沉降监测结果可知，2个配电装置楼均存在一定的沉降变形及沉降差异，累积沉降量及差异沉降量均在规范要求的限值之内。产生沉降的主要原因是：尽管整个软土场地经过地基处理后承载力已有较大增长，但地基土体仍未完全固结完毕，在上部结构引起的附加应力作用下仍会进一步固结，从而引起沉降。配电装置楼差异沉降的产生主要有2个方面原因：一方面是2个配电装置楼整体长度较大，站区场地高出周边场地，含水量变化大且不均匀，地基土性质差异较大，整个地基不同位置土体的承载力有一定差异，尽管本工程采用水泥土搅拌法进行了地基处理，但是处理效果仍不够理想，加固后地基土体的强度不够均匀，总体而言，配电装置楼两侧的加固效果比中间部分的加固效果好，因而相应的地基承载力也相对较高；另一方面是上部建筑自重在建筑中部地基中引起的附加应力相较于两侧要大。这2个方面原因使得2个配电装置楼中间部位的沉降大于两侧沉降。

图5 110 kV配电装置楼累计沉降量Fig.5 Accumulated settlement volumes of 110 kV distribution unit building

图6 110 kV配电装置楼差异沉降量Fig.6 Differential settlement volumes of 110 kV distribution unit building

3 地基沉降数值模拟

基于站内建筑物的沉降观测数据，在场地岩土工程勘察报告的基础上，借助三维地质建模技术，建立基于场地钻孔数据和工程地质剖面等信息的三维地质模型，对地基沉降进行模拟，预测分析沉降发展趋势和最终的沉降值，为是否进行电气设备的安装提供参考。本文采用瑞士联邦理工学院开发的真三维岩土工程有限元软件ZSOIL.PC进行数值分析。

3.1 地层空间分布模拟

地层空间分布的准确性是岩土数值分析准确性的基础[16-17]，一般而言，地层的空间分布是不均匀的，土层在空间上存在厚度变化和尖灭等现象，目前一般是根据工程师的经验和按线性插值进行钻孔之间地层厚度的划分[18]。本文地层空间分布模拟采用ZSOIL.PC的三维地质钻孔空间插值技术进行非线性模拟，通过输入钻孔的数据(坐标、地层厚度等)自动运算生成，如图7、图8所示。

图7 钻孔布置Fig.7 Borehole layout

图8 根据钻孔生成的地层空间分布Fig.8 Strata spatial distribution generated by borehole

3.2 三维整体有限元模型

结合工程概况和建(构)筑物的布置情况，建立软土地基与变电站建筑的整体三维有限元模型，如图9所示。选取计算模型尺寸为121.5 m×87.8 m×34.65 m，经试算，该尺寸可避免有限元边界效应

的影响。针对变电站内的建筑部件，采用梁单元模拟梁、柱体系，壳单元模拟楼板，实体单元模拟基础；楼板上荷载采用均布荷载模拟，填充墙采用均布荷载替代。模型节点数为63 788，六面体实体单元数为53 764，壳(one layer shell)单元数为6 172，梁(beam)单元数为3 087，渗透(seepage)面单元数为1 764。模型的边界条件为：土层顶部自由，土层四周限制法向位移，底边固定，四周为透水边界，底部为不透水边界。

图9 三维有限元整体模型Fig.9 3D finite element model

3.3 计算参数

本构模型以及相关计算参数是有限元分析的关键。在变电站建筑自重引起的附加应力作用下，地基土体随时间增长发生一定的沉降，但从实际监测结果来看，远未达到地基的失效破坏状态(大变形状态)。因此，本文采用Benz提出的小应变硬化土模型(HS-Small Strain)[19-21]模拟土体在静荷载下的应力应变行为。小应变硬化土模型可以模拟随应力增加土体不可恢复的塑性剪切变形和体积变形，进而描述出土体的沉降变形。根据标准固结实验和三轴剪切实验结果，得到各土层物理力学性质计算参数见表3。

表3 各土层计算参数Tab.3 Calculation parameters of each soil layer

针对上述计算模型和材料参数，采用ZSOIL.PC软件对该工程的地基沉降进行基于比奥固结理论的流-固耦合分析。分析分4个工况进行：工况0，初始地应力平衡，位移清零；工况1，分层回填、施工搅拌桩并施工基础；工况2，施工220 kV配电装置楼；工况3，施工110 kV配电装置楼。工况0与工况1是利用数值方法开展沉降计算的基础，后文将对工况2(148 d)与工况3(101 d)的有限元计算结果和实地监测结果进行对比分析。

3.4 预测与实测结果对比

沉降量随时间变化曲线的数值分析结果与实际监测结果的对比如图10、图11所示。

图10 110 kV配电装置楼实测数据与预测数据对比Fig.10 Comparisons between measured data and predicted data of 110kV building

图11 220 kV配电装置楼实测数据与预测数据对比Fig.11 Comparisons between measured data and predicted data of 220 kV distribution unit building

可以看出，2个变电站的预测值与实测值整体趋势吻合良好，各个监测点的沉降均随时间增长持续增大。对于图10所示的110 kV配电装置楼，在沉降观测初始阶段，预测结果相对高于实测结果，这可能与变电站周围施工环境影响有关，变电站两端道路荷载以及加固施工的不均匀性等可能导致实测值相对较低，然而这些影响因素在数值模拟时均无法考虑。针对2座配电装置楼，将其在监测完毕时(220 kV与110 kV分别为148 d和101 d)沉降量的实地监测结果与预测结果进行对比，预测相对误差

(1)

式中：Sp为累积沉降预测值；Sa为累积沉降实测值。经计算后发现，2座配电装置楼沉降的预测相对误差ω均在15%之内。预测结果与实测结果吻合程度良好，能够为后续工程的地基沉降预测提供一定的参考。

从监测数据和数值分析数据发展规律看，随着时间增长，变电站地基沉降速率不断减小，但直到300 d后，沉降仍未达到稳定，为此，延长沉降监测时间至900 d，提取沉降较大的配电装置楼中部测点的监测与预测数据，如图12所示。

图12 建筑物中部典型测点沉降预测值Fig.12 Predicted settlement values of the middle measuring point of the building

可以看出，约在700 d后，变电站地基的沉降才最终趋于稳定，其中110 kV配电装置楼最终最大沉降量约为22.4 mm，220 kV配电装置楼最终最大沉降量约为40.7 mm。虽然本工程的沉降量和差异沉降量均在规范允许范围内，沉降是安全的，但是由于建筑物内的电气设备对沉降要求较高，故建议施工单位在进行设备的安装固定时暂不进行密封套件的连接。

220 kV配电装置楼和110 kV配电装置楼施工一周后以及施工结束沉降趋于稳定后的地基基础和结构整体变形云图如图13所示。可以看出，随着施工的进行，上部荷载不断增加，地基沉降量不断增大，且随着时间的发展，沉降趋于稳定后地基及建筑物的整体沉降相较于施工结束后一周的沉降量也有明显增加，这与实测地基沉降的发展规律相符合。另外，2个配电装置楼的沉降量整体均呈中间大、两端小的趋势，这与变电站监测点的实测沉降结果也比较一致。

图13 地基基础和结构整体变形云图Fig.13 Cloud diagram of overall deformation of foundation and structure

4 结论

本文开展了软土地基变电站的实地沉降观测，采用三维地质工程软件ZSOIL.PC对某变电站工程的地基沉降进行了数值模拟，分析了该工程地基沉降变形规律，得到如下主要结论：

a)配电装置楼随上部结构的施工仍存在一定程度的累积沉降，且沉降量随时间增长逐渐增大，但增长率逐渐降低，并在经历一定时间后最终趋于稳定。沉降产生的主要原因是：尽管软土场地经过地基处理后承载力已有较大增长，但施工完成后地基土体仍未完全固结完毕，在上部结构引起的附加应力作用下仍会进一步固结。

b)配电装置楼总体上中间部位的沉降大于两侧沉降。主要原因有2个方面：①2个配电装置楼整体长度较大，地基土性质差异较大，加固处理后地基土体的强度不够均匀，总体而言两侧的加固效果比中间部分的加固效果好，因而相应的地基承载力也相对较高；②上部建筑自重在建筑中部地基中引起的附加应力相较于两侧要大。

c)利用三维地质工程软件ZSOIL.PC建立了软土地基与变电站建筑的整体三维有限元模型，对变电站软土地基沉降开展了有限元计算，累积沉降计算结果与实测数据相对误差在15%之内，验证了有限元分析的合理性。同时计算结果也表明变电站软土地基沉降与上部结构荷载大小、地基土性参数以及临近建筑施工等密切相关。研究成果可为利用数值模拟手段预测变电站软土地基沉降提供参考。