ATS水電站廠房地基三維有限元計算分析

孫 紅 麗(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，烏魯木齊 830000)

1 工程概況

電站裝機4×175=700 MW，額定水頭176 m，單機引用流量111.40 m3/s，廠區(qū)由主廠房、副廠房、戶內(nèi)開關(guān)站、尾水建筑物、永久進廠交通等組成。主、副廠房呈上下游平行排列布置，副廠房位于主廠房上游側(cè)，尾水建筑物銜接尾水出口與天然河道。

主機間部分基礎(chǔ)為砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)砂巖，局部夾砂巖，其中，砂質(zhì)泥巖具有弱～強膨脹性；尾水閘墩基礎(chǔ)位于結(jié)構(gòu)密實的沖積砂卵礫石層上。

2 計算緣由

本電站廠房邊坡高度達百米，為高陡邊坡，廠址所在部位階地較為狹窄，為降低人工開挖邊坡高度、減少高邊坡開挖方，經(jīng)多次優(yōu)化布置，將主機間基礎(chǔ)布置于巖基上，尾水閘墩基礎(chǔ)布置于砂卵礫石層上。廠房位于不同介質(zhì)之上，采用傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)方法進行地基承載力計算時，不能考慮因為底部介質(zhì)力學(xué)性質(zhì)不同而產(chǎn)生的對地基承載力計算的影響，因此采用三維有限元方法進行廠房地基承載力的計算，并視計算結(jié)果進行相應(yīng)的基礎(chǔ)處理。

3 地基承載力三維有限元計算

根據(jù)地質(zhì)勘察資料、設(shè)計資料，建立三維有限元網(wǎng)格模型。模型模擬了廠房排架柱、水下墻、風(fēng)罩、機墩、下部大體積結(jié)構(gòu)、尾水閘墩等結(jié)構(gòu)，以及建筑物下部的地質(zhì)構(gòu)造。整體模型共劃分三維有限單元約10.52萬個，節(jié)點約12.05萬個。結(jié)構(gòu)和巖體全部采用8節(jié)點6面體實體單元模擬。模型見圖1，圖2。

圖1 廠房及地基整體模型Fig.1 Workshop and the whole model of foundation

圖2 地基模型Fig.2 Foundation model

三維有限元計算所采用的地質(zhì)參數(shù)見表1。

表1 計算所采用的地質(zhì)參數(shù)值Tab.1 Calculate the geological parameter values

經(jīng)計算，地基最大位移為16.79 mm，發(fā)生部位為q2地層(砂卵礫石層)；地基極端最大應(yīng)力為2.675 MPa，發(fā)生部位為巖基地層，但為個別點極端應(yīng)力，不具有代表性，但是很多部位應(yīng)力超過0.7 MPa，見圖3、圖4。

圖3 不設(shè)樁基的情況下地基位移圖 (單位：m)Fig.3 Without pile foundation under the condition of displacement diagram

圖4 沒有樁基的情況下地基應(yīng)力 (單位:Pa)Fig.4 Without pile foundation under the condition of ground stress

從計算結(jié)果的對比來分析：當(dāng)廠房底部最大位移為16.79 mm，并且超過1/3的部位大于0.7 MPa，滿足不了地基承載力的要求。經(jīng)分析，其原因是廠房基礎(chǔ)底部承載力依據(jù)抗壓剛度分配法原則，剛度大的承載區(qū)域承擔(dān)大部分荷載，剛度小的承載區(qū)域承擔(dān)小部分荷載，從表1可以看出，巖石地基介質(zhì)與砂礫石地基介質(zhì)的彈性模量存在數(shù)量級上的差別，當(dāng)承受荷載時，尾水閘墩底部變形較大，而巖石變形較小，因此承受了較多的荷載，這樣導(dǎo)致巖基地層出現(xiàn)大面積的應(yīng)力集中現(xiàn)象，超過了泥巖地基本身0.7 MPa的承載力極限，滿足不了地基承載力的要求。

因此需要對砂礫石地基進行地基處理，以提高地基承載能力。結(jié)合工程布置及地質(zhì)條件，在尾水閘墩底部采用樁基，并對設(shè)樁基情況下的廠房進行三維有限元地基承載力計算。

4 設(shè)樁基的地基承載力三維有限元計算

本電站廠房地基的薄弱環(huán)節(jié)為尾水閘墩下部的砂礫石地基，在此區(qū)域設(shè)樁基4排，樁基為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，直徑1.0 m，間排距3.0 m，每一根樁穿過砂礫石層，伸入基巖深度1.5 m。廠房及樁基模型見圖5，地基位移及應(yīng)力計算結(jié)果見圖6、圖7。

圖5 廠房及樁基模型Fig.5 plant and the model of the pile foundation

圖6 設(shè)樁基的情況下地基位移圖 (單位:m)Fig.6 A pile foundation under the condition of displacement diagram

從有限元計算結(jié)構(gòu)云圖可以看出，當(dāng)廠房底部不良地質(zhì)區(qū)域設(shè)樁基礎(chǔ)時，地基最大位移為3.921 mm；

圖7 設(shè)樁基的情況下地基應(yīng)力 (單位：Pa)Fig.7 With pile foundation under the condition of ground stress

地基極端最大應(yīng)力為0.994 MPa，發(fā)生部位為巖基地層，但為個別點極端應(yīng)力，可以理解為應(yīng)力集中現(xiàn)象，不具有代表性，大部分應(yīng)力為0.5～0.6 MPa，滿足地基承載力的要求。

廠房底部設(shè)樁基礎(chǔ)時，廠房尾水平臺的壓力通過剛度大的樁基礎(chǔ)傳遞至底部，地基的承載能力變得均勻，減少了應(yīng)力集中區(qū)域，使地基在承載力和變形方面都得到滿足，因而樁基礎(chǔ)的設(shè)置是有必要的。

5 結(jié) 語

廠房底部樁基礎(chǔ)的有限元計算，彌補了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)力學(xué)方法的計算不足，結(jié)構(gòu)力學(xué)法在計算建筑物地基應(yīng)力時，不能反映底部介質(zhì)抗壓剛度不均勻?qū)Φ鼗鶓?yīng)力的影響。地基應(yīng)力依據(jù)抗壓剛度分配原則，剛度大的區(qū)域承擔(dān)大部分荷載，剛度小的區(qū)域承擔(dān)小部分荷載，這可能會導(dǎo)致剛度稍大區(qū)域出現(xiàn)面積較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，超過了地基本身的極限承載能力。本工程進行了無樁基及有樁基情況下的地基應(yīng)力和變形對比計算，論證了在地質(zhì)條件不良情況下設(shè)置樁基的必要性，這也為今后類似工程當(dāng)?shù)鼗休d力不能滿足時提供了一種地基處理的方法，積累了相關(guān)的工程經(jīng)驗。

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