土石坝段地基沉降及处理方案研究

(抚顺县水务局，辽宁 抚顺 113006)

土石坝段地基沉降及处理方案研究

郭俊涛

(抚顺县水务局，辽宁 抚顺 113006)

本文以辽宁抚顺地区的大伙房水库土石坝地基的沉降问题为研究对象，分别采用e-p曲线法、转化公式法以及有限元模型分析法，对在施工中的建筑物进行沉降量计算。计算的结果表明：转化公式法依据相关的线性弹性理论进行分析计算，其方法简便快捷，准确性高，在对地基沉降问题的一些估算中提供了足够的数据支撑和方法应用。

土石坝；地基沉降；分析模型

土石坝是一种有着悠久历史的具有防水功能的堤坝，它的材料主要是土石料及混合料等[1]。如今，在我国的众多水库中，土石坝占大多数，主要由于自身存在一些优势，如所用的材料采集比较方便，构筑堤坝技术较成熟；结构简单，适应能力强等。在构筑堤坝之前，必须考虑的一个问题是地基沉降，这是由于建筑物会将一些重力施加给地基，使地基所受到的应力发生变化，导致地基产生不同程度的剪切、竖向、横向的变形，引起一些沉降等。对于该类地基沉降问题的处理，从结构方面来说，主要考虑以下几点：变形、液化、溶蚀与渗漏、强度及稳定性等。近些年来，国内外对地基沉降及处理问题进行了大量的研究，国外主要以计算为主，且对计算理论的研究颇多，目前，主要有以下几种方法：实测参数法、经典算法以及采用测定的沉降曲线以应用统计的方法来推导出最终的沉降量等[2]。国内众多专家结合国际上一些工程实践及理论，对沉降的计算主要采用实用工程计算法和模型构筑的有限元分析法等。

1 大伙房水库土石坝段地质概述

大伙房水库位于抚顺地区，最大蓄水面积可达113km2，水库正常蓄水位85.00m，防洪水位83.00m，死水位81.00m，设计洪水位94.38m，校核洪水位99.47m，水库最大库容13.92亿m3。大伙房水库是一座具有发电、防洪、灌溉、鱼类养殖等综合功能的大型水利水电工程。表1为大伙房水库的水位以及土石坝段建筑物的运行方式。

表1大伙房水库的水位以及土石坝段建筑物的运行方式

项 目特征水位/m水库容量/109m3底孔/(m3/s)溢流坝/(m3/s)防洪水位83 000 912——正常蓄水位85 001 803——死水位81 000 351——10年一遇洪水位89 001 762——50年一遇洪水位93 605 320——100年一遇洪水位95 108 100——校核洪水位99 4713 92014324 82439 1设计洪水位94 389 42012410 72425 9

2 试验及方法

2.1 地基沉降计算原理及理论

地基沉降计算公式为：

S(t)=Sd+Ss(t)+Sc(t)

式中S(t)——在时间t内的地基总沉降量；

Sd——瞬时的沉降量；

Ss(t)——在时间t内地基的次固结沉降量；

Sc(t)——在时间t内的地基排水固结沉降量。

其中，瞬时沉降量的计算通常考虑的有三种方法：归一化法、受力途径法、线弹性理论及其修正算法。次固结沉降量的计算一般可以忽略，不作为重点[3]。固结沉降量通常采用线弹性固结理论来计算，根据地基中任意一点的应变和有效应力两者之间的关系建立方程进行求解。

若只涉及地基的一次受力变形，则固结变形附加的受力公式为

pzf=(pcz-Fc)+pzt

式中pzf——地基中土体受到点的应力；

pcz——竖向上受到的自身重力；

Fc——早期受到的固结应力；

pzt——地基中土体受到点的竖向应力[4]。

经过多次的推导及变形，固结沉降的最终公式为

S=

该公式为非线性的，其求解过程较为复杂，需要借助于e-p曲线进行求解。计算中，总体步骤为：由总和分层法理论，把整体分割为若干分层，计算出每一分层的地基沉降量，然后再次相加，即为地基的最终沉降量。

2.2 地基沉降的有限元分析模型建立

有限元法是一种结构离散化的方法，可以把比较复杂的结构问题分割为几个较简单的部分集合单元，从而建立起一个个方程组进行求解分析。其优点主要有：原理简单明了、应用范围较广、线性及非线性问题皆可进行求解，并且，整体采用矩阵式方程，计算简单。有限元分析的基本原理包括变分原理和加权余量原理，其中，变分原理主要包括最小余能原理、最小势能原理及虚位移原理等。有限元分析一般分为预处理、计算分析和后处理三个步骤，即先使其结构进行离散化，然后建立场变量模型及求单元体系数，再建立平衡方程，最后对方程进行求解。ANSYS是一种分析软件，可以对各种力场、结构、静态力学等进行模拟，有着很高的准确性及精密度。其分析过程主要为：预处理，也就是建立有限元模型，有从顶而下和自底而上两种方式；计算分析，也就是对有限元模型进行分析，先调节有关条件，再对平衡方程组进行微积分求解；后处理，也就是针对前述的数据、模型进行分析，得出结果。

3 试验结果与分析

3.1 有限元模型法

根据对前边的大伙房水库的相关介绍可知，其土石坝段线比较长，有着不同性质的地基土体。于是针对不同的地质条件进行特征建立有限元分析模型，根据所用材料的非线性特征，利用有限元分析的三维法以及获取的有关物理结构参数，对地基土体的分布规律、沉降值及特征进行总结分析。首先进行预处理，建立模型，因为大伙房水库中的土石坝有三个坝段，要选择特征性坝段分析其特有的地质状况。经初步分析，选定0+800～1+200的Ⅱ级阶作为特征坝段建立模型。然后选择材料的结构模型，通常采用德卢科-普拉格的DP模型进行分析，它不仅可以减小计算中的难度，而且计算的准确度和精度也能得到满足。最后进行模型的离散化处理，利用ANSYS软件进行整体划分，以四面体单元为基准进行划分，最终共分为32761个部分单元，再进行加载及后处理分析，采用ANSYS软件的后处理部分，将位移线和Z轴云图进行处理。

3.2 e-p曲线分层总和法

根据地基土体中的相关试验物性参数，对分析软件拟合的e-p曲线进行分层总和法计算。出坝基±1为Ⅰ级阶地Qla 14低液限黏土，平均天然含水率24.3%，平均天然干密度1.54g/cm3。出坝基±2为Ⅱ级阶地Qalp 3低液限黏土(上)，平均含水率28.6%，平均天然干密度1.49g/cm3。出坝基±3为Ⅱ级阶地Qalq 3低液限黏土(下)，平均天然含水率24.4%，平均天然干密度1.60g/cm3。出心墙土平均天然含水率23.7%，平均天然干密度1.45g/cm3。

图1 孔隙比与压力(e-p)关系曲线(一)

图2 孔隙比与压力(e-p)关系曲线(二)

图3 孔隙比与压力(e-p)关系曲线(三)

图4 孔隙比与压力(e-p)关系曲线(饱和状态下的心墙土)

图5 非饱和状态下心墙土料的e-p曲线

从图1～图5可以看出，选取的Ⅱ级阶地断面，计算的沉降结果为：该水库大坝建成后的总沉降量为1.15m，大坝的高度为22.1m，并且，在非饱和的状态下，该坝体坝基为0.84m，沉降 0.20m。

3.3 转化公式法

对选取的1+100断面固定不变，以心墙部分为主要对象进行计算，结果见表2。

表2 1+100 断面沉降计算结果

3.4 三种不同方法的结论分析

具体的分析结果见表3。

表3 大伙房水库地基沉降结果

有限元模型分析法的优势是可以真实地模拟地基沉降问题，能够利用建立的模型去计算非线性问题，得出的结果具有较高的准确性，从表3中可以看出，采用有限元法得出的最大地基沉降量为1.10m；e-p曲线法是一种较为传统的计算分析法，能够对地基土体结构的物理性质进行简便的表征和考察，其所得到的结果准确性较高，利用该方法，可知表3中的结果为1.06m；对于转化公式法而言，需要的试验数据不多，计算简便快捷，可以在计算公式中加入地基土体的非线性特征，从表3中可以看出，采用转化法得出的最大地基沉降量为1.05m。通过以上分析可知，采用三种方法得出的结果误差较小，可供地基沉降计算采用。

4 结 论

本文以辽宁抚顺地区的大伙房水库土石坝地基的沉降问题为研究对象，分别采用e-p曲线法、转化公式法以及有限元模型分析法，对在施工中的建筑物进行沉降量计算，计算的结果分别为1.06m、1.05m和1.10m。综合分析其计算结果可知，没有太大偏差，均在可接受控制的范围内，由此得出以下结论：转化公式法依据相关的线性弹性理论进行分析计算，其方法简便快捷，在对地基沉降问题的一些估算中提供了足够的数据支撑和方法应用。

[1] 丛日军.基于ANSYS的土石坝地基沉降数值模拟[J].中国水能及电气化,2017(6):49-52.

[2] 孟凡雷,苏佩珍.基于GeoStudio的土石坝动力安全复核[J].水电能源科学,2010(10):59-61.

[3] 李自强.有限元二次开发的山区软土区地基沉降量计算方法[J].云南水力发电，2016(6):65-69.

[4] 华静,杨华舒.土石坝渗流计算中的有限元应用研究[J].中国水能及电气化,2012(7):15-18.

ResearchonEarth-rockDamSectionFoundationSettlementandTreatmentPlan

GUO Juntao

(FushunCountyWaterAffairsBureau,Fushun113006,China)

In the paper, earth-rock dam foundation settlement problem of Dahuofang Reservoir in Liaoning Fushun is adopted as a research object. e-p curve method, transformation formula method and finite element model analysis method are respectively adopted for settlement calculation buildings under construction. The calculation results show that related linear elastic theory is relied for analysis and calculation in the transformation method. The method is simple and convenient with high accuracy. Sufficient data support and method application are provided in some estimations of foundation settlement problem.

earth-rock dam; foundation settlement; analysis model

10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2017.011.012

TV223

B

1673-8241(2017)011-0047-04