某水電站廠房基礎沉降及其應力的有限元分析

景 浩

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司 陜西省西安市)

某水電站廠房基礎沉降及其應力的有限元分析

景 浩

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司 陜西省西安市)

水電站的主要建筑物廠房，在其基礎建設過程中往往需要保證有著相對穩定的基礎，以免發生沉降以及不均勻沉降，導致某些結構發生破壞或影響工程的正常運行。文章主要結合Auto_Bank水工二維有限元計算軟件，對廠房基礎沉降和應力進行分析，幫助確定了廠房地基基礎處理方案。

水電站廠房 基礎沉降 應力 有限元

現階段，水電站廠房的基礎建設作為一項重要的工作，和水電站的建成安全穩定運作有著直接性的關聯。而水電站廠房基礎沉降的計算，主要是對廠房地基基礎合理的處理方案確定，更是關鍵所在。對于如何做好水電站廠房基礎沉降的計算始終是設計行業領域關注的焦點之一，因此本文提出了一種二維有限元的計算方法，對于水電站廠房基礎沉降的計算有著一定的現實意義。

一、工程概況

西北某一水電站，為長引水式開發，校核洪水位高程為2655.02m，庫容為98.5萬平方米，正常蓄水位高程為2653.2m。引水閘門設在河流右岸，整個引水洞長度為1631.85m，廠房位置布置在鄉政府的上游河道右岸，電站總裝機容量110MW，年的平均發電量為4.9652億kW·h。

二、水電站廠房廠區的樞紐布置

對于發電廠房樞紐區的布置而言，往往需要深入的了解樞紐區左岸和右岸周圍的地質情況。根據電站可研階段的地質報告，本電站工程區出露基巖巖性為二云母片巖，河床覆蓋層的基礎厚度大于59.74m，有著較為復雜的地質結構。結合物質的組成，主要有第一層漂卵礫石層粉土，第二層為細砂層，第三層為漂卵礫石層。但是每層有著不均一的結構，并有著較高的局部含砂量，在破碎帶透鏡體的均勻分布中，往往有著較小的卵石和礫石存在。

廠房樞紐總體布置上呈一字型布置，廠房軸線是順河流的方向。主要建筑物包括主機間、安裝間、副廠房和GIS樓。副廠房布置在安裝間的上游布置，GIS樓布置于主機間的上游側，整個廠區建筑，實際上是與河流的平行的布置格局。在安裝間的下游側布置有進廠道路。在廠前的車場布置時，主要結合廠區周邊的邊坡，采用C20混凝土防洪墻將廠區周圍防護起來。主廠房的長度為42.15m，安裝間的長度是27.30m，按照規范設計要求，為了避免不均勻沉降，在主廠房和安裝間之間設立永久沉降縫。安裝間采用上下兩層的布置格局，其中下層的高程為2208.00m，主要布置有油罐室和空壓機室，上層為水機和機電安裝場，主要作為機組安裝、檢修、維護的場地。安裝間的基礎屬于開挖部分，采用了C20三級配混凝土進行回填處理。

三、水電站廠房基礎沉降和基礎計算

通過結合Auto_Bank水工結構有限元軟件的分析過程，廠房基礎沉降在應用二維有限元分析，計算參數如表1所示。

表1 水電站廠房基礎沉降和應力的一種計算參數分析

對于土體破壞區域判斷公式的存在，結合摩爾-庫倫破壞準則，對土體極限平衡狀態進行推導，關于平衡狀態的應力，如式（1）所示。

土體單元在極限平衡狀態中的大主應力用f1δ表示，最小應力用f3δ表示，對于土體單元內摩擦角用φ表示，土體粘聚力用c表示。

對于第三層-1粉土細砂層在處理過程，對于第一種方案而言，主要是結合高壓旋噴進行處理。對于上部的結構而言，主要是做好擴大的基礎，實現的加寬處理。處理過程如圖1所示。

圖1 水電站廠房有限元計算單元基礎處理前的劃分

沒有經過基礎沉降計算的成果，如圖2所示。

圖2 沒有經過基礎沉降計算的成果示意圖

沒有經過處理的最大應力和破壞去的成果圖，如圖3所示。

圖3 沒有經過處理的最大應力和破壞去的成果圖

基礎處理之前，廠房沉降相對較大，同時在第二層的結構上，塑性破壞較大，基礎承載能力相對較差，難以滿足于基礎需求。通過處理之后，水電站廠房基礎處理后有限單元計算的單元劃分圖，如圖4所示。

圖4 水電站廠房基礎處理后有限單元計算的單元劃分圖

水電站廠房基礎處理后基礎沉降的計算成果，如圖5所示。

圖5 水電站廠房基礎處理后基礎沉降的計算成果

水電站廠房基礎處理之后最大應力和破壞區成果圖如圖6所示。

圖6 水電站廠房基礎處理之后最大主應力和破壞區域成果圖

結合以上水電站廠房基礎未處理基礎沉降的計算成果和水電站廠房基礎處理之后基礎沉降的計算成果進行對比分析，在廠房的沉降研究過程，廠房沉降處于縮小階段，廠房的第二層而言，基礎中往往沒有塑性破壞，實際的基礎層沉降量處于減少的狀態，改善基礎應力情況的同時，其承載能力和相關的要求逐漸滿足。

通過將水電站廠房的主廠房逐漸加寬8m，在基礎沉降計算成果的計算過程，如圖7所示。

圖7 水電站廠房主廠房加寬8m之后的基礎沉降計算結果

水電站廠房主廠房加寬8m之后最大主應力和破壞區域的成果結構圖如圖8所示。

水電站廠房主廠房基礎加寬8m之后，在廠房基礎沉降的計算中，其中沉降僅僅為20cm，而第二層的基礎，出現塑性破壞，但是和基礎未處理之前進行比較，基礎沉降相對較小，同時塑性破壞相對較小。而基礎下的基礎承載能力難以對相關的要求有效滿足。在廠房基礎進一步擴大可行性的分析過程，通過將水電站廠房的主廠房逐漸加寬，加寬12m，在水電站廠房主廠房加寬12m之后的基礎沉降計算結果，結果示意圖如圖9所示。

圖9 水電站廠房主廠房加寬12m之后的基礎沉降計算結果圖

水電站廠房主廠房基礎加寬12m之后最大主應力和破壞區域的成果結構圖，如圖10所示，

圖10 水電站廠房主廠房加寬12m之后最大主應力和破壞區域的成果結構圖

對于廠房基礎的不斷擴大過程，廠房沉降的距離為19.0cm，在廠房基礎下的第二層基礎破壞分析過程中，塑性破壞出現。基礎處理過程，注重基礎沉降量的綜合分析，但是對于基礎承載能力而言，難以和滿足的需求滿足。

結語：

本文通過對某水電站廠房基礎沉降和應力的二維有限元的應用分析，在廠房地基的處理過程中，需要對廠區進行合理的規劃布置，并在廠房基礎擴大的設計時，盡可能的結合旋噴樁的處理方案，減少水電站廠房基礎沉降和應力，進而能確保實現水電站的穩定建設和投入使用。

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