某水电站厂房基础沉降及其应力的有限元分析

景 浩

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司 陕西省西安市)

某水电站厂房基础沉降及其应力的有限元分析

景 浩

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司 陕西省西安市)

水电站的主要建筑物厂房，在其基础建设过程中往往需要保证有着相对稳定的基础，以免发生沉降以及不均匀沉降，导致某些结构发生破坏或影响工程的正常运行。文章主要结合Auto_Bank水工二维有限元计算软件，对厂房基础沉降和应力进行分析，帮助确定了厂房地基基础处理方案。

水电站厂房 基础沉降 应力 有限元

现阶段，水电站厂房的基础建设作为一项重要的工作，和水电站的建成安全稳定运作有着直接性的关联。而水电站厂房基础沉降的计算，主要是对厂房地基基础合理的处理方案确定，更是关键所在。对于如何做好水电站厂房基础沉降的计算始终是设计行业领域关注的焦点之一，因此本文提出了一种二维有限元的计算方法，对于水电站厂房基础沉降的计算有着一定的现实意义。

一、工程概况

西北某一水电站，为长引水式开发，校核洪水位高程为2655.02m，库容为98.5万平方米，正常蓄水位高程为2653.2m。引水闸门设在河流右岸，整个引水洞长度为1631.85m，厂房位置布置在乡政府的上游河道右岸，电站总装机容量110MW，年的平均发电量为4.9652亿kW·h。

二、水电站厂房厂区的枢纽布置

对于发电厂房枢纽区的布置而言，往往需要深入的了解枢纽区左岸和右岸周围的地质情况。根据电站可研阶段的地质报告，本电站工程区出露基岩岩性为二云母片岩，河床覆盖层的基础厚度大于59.74m，有着较为复杂的地质结构。结合物质的组成，主要有第一层漂卵砾石层粉土，第二层为细砂层，第三层为漂卵砾石层。但是每层有着不均一的结构，并有着较高的局部含砂量，在破碎带透镜体的均匀分布中，往往有着较小的卵石和砾石存在。

厂房枢纽总体布置上呈一字型布置，厂房轴线是顺河流的方向。主要建筑物包括主机间、安装间、副厂房和GIS楼。副厂房布置在安装间的上游布置，GIS楼布置于主机间的上游侧，整个厂区建筑，实际上是与河流的平行的布置格局。在安装间的下游侧布置有进厂道路。在厂前的车场布置时，主要结合厂区周边的边坡，采用C20混凝土防洪墙将厂区周围防护起来。主厂房的长度为42.15m，安装间的长度是27.30m，按照规范设计要求，为了避免不均匀沉降，在主厂房和安装间之间设立永久沉降缝。安装间采用上下两层的布置格局，其中下层的高程为2208.00m，主要布置有油罐室和空压机室，上层为水机和机电安装场，主要作为机组安装、检修、维护的场地。安装间的基础属于开挖部分，采用了C20三级配混凝土进行回填处理。

三、水电站厂房基础沉降和基础计算

通过结合Auto_Bank水工结构有限元软件的分析过程，厂房基础沉降在应用二维有限元分析，计算参数如表1所示。

表1 水电站厂房基础沉降和应力的一种计算参数分析

对于土体破坏区域判断公式的存在，结合摩尔-库伦破坏准则，对土体极限平衡状态进行推导，关于平衡状态的应力，如式（1）所示。

土体单元在极限平衡状态中的大主应力用f1δ表示，最小应力用f3δ表示，对于土体单元内摩擦角用φ表示，土体粘聚力用c表示。

对于第三层-1粉土细砂层在处理过程，对于第一种方案而言，主要是结合高压旋喷进行处理。对于上部的结构而言，主要是做好扩大的基础，实现的加宽处理。处理过程如图1所示。

图1 水电站厂房有限元计算单元基础处理前的划分

没有经过基础沉降计算的成果，如图2所示。

图2 没有经过基础沉降计算的成果示意图

没有经过处理的最大应力和破坏去的成果图，如图3所示。

图3 没有经过处理的最大应力和破坏去的成果图

基础处理之前，厂房沉降相对较大，同时在第二层的结构上，塑性破坏较大，基础承载能力相对较差，难以满足于基础需求。通过处理之后，水电站厂房基础处理后有限单元计算的单元划分图，如图4所示。

图4 水电站厂房基础处理后有限单元计算的单元划分图

水电站厂房基础处理后基础沉降的计算成果，如图5所示。

图5 水电站厂房基础处理后基础沉降的计算成果

水电站厂房基础处理之后最大应力和破坏区成果图如图6所示。

图6 水电站厂房基础处理之后最大主应力和破坏区域成果图

结合以上水电站厂房基础未处理基础沉降的计算成果和水电站厂房基础处理之后基础沉降的计算成果进行对比分析，在厂房的沉降研究过程，厂房沉降处于缩小阶段，厂房的第二层而言，基础中往往没有塑性破坏，实际的基础层沉降量处于减少的状态，改善基础应力情况的同时，其承载能力和相关的要求逐渐满足。

通过将水电站厂房的主厂房逐渐加宽8m，在基础沉降计算成果的计算过程，如图7所示。

图7 水电站厂房主厂房加宽8m之后的基础沉降计算结果

水电站厂房主厂房加宽8m之后最大主应力和破坏区域的成果结构图如图8所示。

水电站厂房主厂房基础加宽8m之后，在厂房基础沉降的计算中，其中沉降仅仅为20cm，而第二层的基础，出现塑性破坏，但是和基础未处理之前进行比较，基础沉降相对较小，同时塑性破坏相对较小。而基础下的基础承载能力难以对相关的要求有效满足。在厂房基础进一步扩大可行性的分析过程，通过将水电站厂房的主厂房逐渐加宽，加宽12m，在水电站厂房主厂房加宽12m之后的基础沉降计算结果，结果示意图如图9所示。

图9 水电站厂房主厂房加宽12m之后的基础沉降计算结果图

水电站厂房主厂房基础加宽12m之后最大主应力和破坏区域的成果结构图，如图10所示，

图10 水电站厂房主厂房加宽12m之后最大主应力和破坏区域的成果结构图

对于厂房基础的不断扩大过程，厂房沉降的距离为19.0cm，在厂房基础下的第二层基础破坏分析过程中，塑性破坏出现。基础处理过程，注重基础沉降量的综合分析，但是对于基础承载能力而言，难以和满足的需求满足。

结语：

本文通过对某水电站厂房基础沉降和应力的二维有限元的应用分析，在厂房地基的处理过程中，需要对厂区进行合理的规划布置，并在厂房基础扩大的设计时，尽可能的结合旋喷桩的处理方案，减少水电站厂房基础沉降和应力，进而能确保实现水电站的稳定建设和投入使用。

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