变电站消防水池基坑抗隆起稳定强度折减分析*

姚晓芳

（中国电建集团福建省电力勘测设计院有限公司，福建 福州 350003）

根据消防要求，各种电压等级的变电站站内都需要设置一定容积的消防水池，这些水池往往是站内开挖深度最大的构筑物，其基坑挖深可能超过5m，属于深基坑范畴[1-2]。变电站内的消防水池容积大小不等，但其平面尺寸的长宽比多为2～3，同时挖深与挖宽相仿，基坑的二维和三维尺寸效应明显[3]。

现有基坑单元的设计都采用半无限体假设，在坑底抗隆起稳定计算时，无法考虑基坑开挖宽度的影响，其计算模型、计算结果均与实际的开挖模型不相符，存在一定的误差[4-5]。王洪新[6]也对现有计算方法存在的一些问题进行了改进，并提出了能够考虑二维或三维尺寸效应的坑底抗隆起稳定计算方法。但这些方法仍多采用极限平衡的假设，无法考虑土体各向异性的影响，工程应用存在一定的局限性。另一方面，软土地区支挡式基坑支护的板桩插入深度多由坑底抗隆起稳定的要求控制。对于二维、三维尺寸效应明显的变电站消防水池基坑而言，不考虑其空间效应，存在因计算模型不正确而导致计算结果错误的风险。

在分析变电站消防水池基坑几何模型和力学模型的基础上，文章以某220kV变电站消防水池的工程地质条件和基坑空间需求为背景，采用Plaxis软件研究了消防水池基坑的尺寸效应对坑底抗隆起安全的影响规律，并将之与半无限体假设方法计算的安全系数进行对比，为工程支护方案的优化设计提供依据，也为类似工程的建设提供参考。

1 工程概况

变电站消防水池基坑的大小根据电压等级、站区内建设方案的不同而有所不同，以国网公司通用设计A2-6方案的220kV户内变电站为例，消防水池的内净空尺寸约为12.4m（长）×16m（宽）×4m（高）；而采用水泵房、消防水池一体化的220kV的变电站，其水池的内净空尺寸可达到23m（长）×7m（宽）×4.55m（高）。为了更好地利用变电站围墙内的地面空间，消防水池常常采用全地下结构，此时水池的基坑开挖深度将超过5m，故基坑的安全等级一般都不低于二级，在软土地层中则其变形控制的要求更高。福建省某220kV变电站的消防水池基坑拟采用拉森钢板桩支护，开挖的内净空几何尺寸为27.2m（长）×11.6m（宽）×6m（深），吸水槽区域局部加深至7m。

根据工程详勘结果，消防水池基坑各代表性土层的分布及其物理力学指标详见表1，以地下水位深度-1m计算。

表1 代表性地层的土体物理力学参数

2 消防水池基坑的尺寸效应

根据水池的施工需求，基坑开挖后内部尺寸的比例为4.53∶1.93∶1（长∶宽∶深）。长宽比、宽深比接近2，考虑板桩插入比的影响，采用Prandtl地基承载力模式或圆弧滑动模式计算基坑的抗隆起稳定，其模型中基坑开挖内侧的被动区存在相互重叠的情况（见图1），不符合现有规程规范关于计算模型的假定。

图1 圆弧滑动稳定形成的尺寸效应分析（15m桩长）（单位：mm）

根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120—2012）的规定，采用圆弧滑动法计算基坑绕坑内最下道支撑破坏的稳定时，其圆弧中心位于最下道内支撑与板桩的交界处，而由于圆弧滑动面绕过板桩底部，则圆弧的半径为板桩最下道支撑至坑底的距离，加上板桩的入土深度，此时两侧基坑同时发生圆弧滑动产生的被动区重叠的情况，需满足下式的规定：

式中：B为基坑开挖宽度或长度，m；H为钢板桩的总长度，m；h为基坑最下道内支撑至地面的距离，m。

该水池基坑采用单道内支撑，支撑距离地面为3m，当采用12m长的钢板桩支护，基坑开挖宽度≥18m时就不存在被动区重叠的问题；当采用15m长的钢板桩支护，基坑开挖宽度≥24m时就不存在被动区重叠的问题。该工程的基坑开挖长度为23m，宽度为11.6m，故在钢板桩长度＜15m时，可只考虑开挖宽度的影响而不需要考虑长度方向的影响，即可认为只有二维尺寸效应而没有三维尺寸效应。当采用18m的钢板桩支护，则需要考虑三维尺寸效应的影响。

3 基坑单元设计

采用极限平衡法等计算方法对基坑单元的内力、插入深度和稳定性进行验算，基坑及其支护的几何参数和支护参数如下：（1）考虑钢板桩厚度以及消防水池底板下方的垫层厚度后，基坑开挖的几何净尺寸为宽12m、挖深6m。（2）钢板桩采用FSP-IV型，钢板桩长度从12m开始，采用15m、18m进行分析。考虑到规程计算方案中采用了坑底加固措施，故针对不同长度的钢板桩桩长又在基坑底部设置了被动区加固，加固的方式为旋喷桩格栅布置加固，加固厚度为4m，计算工况共6种。（3）内支撑采用H400mm×400mm×13mm×21mm的H型钢，纵向支撑间距为4m。

板桩长度为15m的基坑单元计算结果见图2，圆弧滑动型的坑底抗隆起稳定安全系数为1.48≤1.90，不满足二级基坑的安全要求。

图2 圆弧滑动稳定验算（15m桩长）

将钢板桩加长至18m，其坑底抗隆起稳定安全系数为1.69，仍然不满足规程规范规定的安全要求，故需要采用地基处理的方法对基坑底被动区进行加固，该工程消防水池的最终设计方案如下：（1）支护采用12m长的FSP-IV型钢板桩；（2）自上而下设置1道型钢内支撑，方便基坑内浇筑水池结构时的施工和换撑；（3）消防水池基坑内侧采用4m长的高压旋喷桩进行格栅式加固，加固后被动区的土体重度提高至21kN/m3，水泥土的计算黏聚力为200kPa，内摩擦角为30°。

4 基于强度折减法的抗隆起稳定分析

4.1 二维尺寸效应对比分析

采用plaxis 2D软件对基坑在不同长度钢板桩支护下的安全系数进行分析，假设不同条件下内支撑位置不变，都位于地表以下3m处。模拟施工的主要支护参数如下：（1）基坑内净尺寸为宽12m、挖深6m；（2）内支撑采用H400mm×400mm×13mm×21mm的H型钢，纵向间距为4m；（3）钢板桩采用FSP-IV型，桩长度分别采用12m、15m、18m进行分析，考虑到规程计算方案中采用了坑底加固措施，针对不同支护桩长又在坑底部设置了被动区加固的计算工况，故总的计算工况共6种；（4）计算时分开挖工况和安全分析工况。

以15m板桩长、坑底未加固的工况为例，其安全系数达到了2.05，基坑破坏时的最大位移发生在基坑内底部，破坏时位移云图见图3。

图3 考虑二维尺寸效应破坏时的位移云图（15m桩长）

基坑开挖至底部，基坑内底部土体总的隆起值为204.6mm；从破坏时的位移云图来看，消防水池基坑显示出了明显的双侧圆弧滑动，被动区重叠的现象，这与上文尺寸效应分析的结论是一致的。

为了便于与现有规程的算法进行对比，将上述模型的基坑内侧无限延伸，其在强度折减极限状态下的位移云图见图4，此时安全系数为2.057，而基坑开挖至底部产生的最大变形值位于圆弧破坏面的外周，变形值达到了201.7mm，与考虑基坑开挖宽度影响的强度折减法分析结果相当。

图4 半无限体模型破坏时的位移云图（15m桩长）

为了对比坑底被动区加固对基坑支护结构安全的影响，采用同样的几何尺寸建立二维有限元模型，并对基坑被动区进行加固，加固厚度为4m，与未加固的计算结果对比来看，坑底被动区加固对基坑最终的破坏模式产生了一定的影响，被动区的破坏形状接近，但主动区的范围变大了，其主要原因在于被动区加固后，抵抗圆弧滑动的抗力增大了，要产生最终的破坏，需要增大主动区的荷载，此时只有增大圆弧滑动面主动区这一唯一途径。

前述12种模型的最大位移量对比和强度折减法分析的安全系数见表2，从不同工况下的安全系数对比可得到以下结果。

表2 不同钢板桩长度的稳定破坏安全系数和基坑开挖最大变形量对比

（1）当采用强度折减法对消防水池基坑的安全系数和最大变形量进行计算分析时，采用考虑宽度影响的模型能够揭示二维尺寸效应下的基坑破坏模式，但得到的计算结果与采用半无限体假设得到的结果并无本质不同。

（2）采用Plaxis 2D计算的结果与《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120—2012）等规程推荐的算法得到的安全系数差异较大，以钢板桩桩长15m、基坑被动区为加固的工况为例，采用《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120—2012）等极限平衡法得到的安全系数为1.48，远不满足1.9的安全系数要求；而有限元强度折减法计算得到的安全系数为2.05，大于1.9，满足安全要求。但需要注意的是，规程中推荐的1.9的安全系数是与极限平衡法对应的，除了安全必须有的系数，还考虑了算法本身的误差因素；而采用有限元方法计算对应的安全系数，目前则没有相应的安全值规定，二者不可混淆。

（3）当基坑被动区没有加固时，采用半无限体假设和考虑基坑二维尺寸效应模型计算得到的结果接近，说明在填土及软土地基条件下，考虑二维尺寸效应对基坑稳定安全系数的影响很小，可不考虑。

（4）当基坑被动区加固后，基坑的安全系数显著提高，这与极限平衡算法的结论是一致的；但此时采用能够考虑宽度影响的模型比半无限体假设的模型得到的安全系数更高，说明在坑底土体物理力学参数提高的情况下，采用考虑宽度影响的基坑模型的算法能够带来一定的经济性。

4.2 三维尺寸效应对比分析

当基坑的钢板桩长度超过18m时，则消防水池基坑在长度方向上也存在着三维尺寸效应，为了对比三维尺寸效应对基坑开挖稳定安全系数的影响大小，采用Plaixis 3D软件模拟分析18m钢板桩支护下基坑的抗隆起稳定安全系数。

从计算结果来看，考虑了三维尺寸效应的基坑，基于强度折减法的安全系数为4.144，最大变形量为130.6mm，与二维尺寸效应的计算结果基本一致。

5 结论

在分析软土地区消防水池基坑二维和三维尺寸效应的基础上，分别采用极限平衡法和有限元强度折减法对坑底抗隆起稳定的安全系数进行计算对比分析，得出以下结论。

（1）采用强度折减法计算得到的安全系数较采用极限平衡法计算得到的结果要高，但由于理论基础的不同，不可采用强度折减法的安全系数代替极限平衡法的计算结果，强度折减法可以作为特殊条件下的稳定性计算的补充。

（2）在以软土地层为主的工程中，是否考虑基坑开挖宽度尺寸效应的影响对坑底抗隆起稳定性的计算结果影响不大，在工程设计时，可采用规程推荐的算法来计算消防水池的坑底抗隆起稳定安全系数。

（3）当坑底存在物理力学指标较好地层，采用旋喷桩、搅拌桩等地基处理方式对坑底被动区进行加固时，考虑宽度的影响，能够提高安全系数的计算值，即此时再采用规程推荐的算法来计算基坑的稳定性，计算结果偏于保守，但偏差也不大。