沙湾电站异常振动与地基变形关联性分析

胡士克

（西南交通大学交通安全技术研究院， 四川 成都 610000）

0 前言

沙湾电站位于四川省凉山州木里县境内，自2012年发电以来，主厂房、GIS楼等相关设备一直反映出有异常振动和噪声现象，当机组以满负荷运行时，振动更加明显。振动是一个不可忽视的问题，电站机组常常会诱发的结构振动，导致结构破损以至于影响电站正常运行[1]虽然我国多数水电站都有长期的监测研究，但就其振动问题的复杂性而言，找到完整的解决方法还存在着一定的困难[2-3]。国内水电站振动防治研究中，大多采用电站异常振动点监测和有限元软件分析振动特性两种方法来进行结构分析[4]。

为探究沙湾电站的异常振动与地基不均匀沉降的关联性，利用ABAQUS有限元软件和具有强大的几何建模和网格划分功能[5]的MIDAS GTS技术对电站振动产生的原因、传递路径和规律展开数值分析，为类似工程提供借鉴。

1 环境条件

沙湾电站厂房位于凉山州木里河干流上，处于木里河右岸的I级后缘缓坡地带，其中拔河高11～20m，河水面高程2312.6m，阶地面较为平缓，地面高程2324～2329m；阶地后缘为平缓的台阶状地形，覆盖层厚33.75～43.78m，厂房枢纽建筑物由主厂房、副厂房及GIS楼、尾水渠组成。 厂区地层情况如图1、表1所示。

2 数值建模分析

根据对区域地质条件的分析和以往振动监测数据的研究，推断出厂区山体的自重应力、渗流作用可能会对厂区基坑产生较大影响，在这种环境应力下，基坑和基础围岩的受力和状态都会发生改变。为深入了解电站异常振动与电站地基基础的关联性，一方面利用MIDAS技术对厂区范围进行应力、渗流场进行模拟；另一方面机组运行时自重荷载较大，在自身地基存在粉土层的情况下，高频振动会对粉土层产生液化的风险，利用ABAQUS对其中振动明显的三号机组剖面进行振动特征及规律分析。

2.1 建模方案

为了建立符合现场实际情况的仿真三维模型和重点区域的剖面模型，首先利用GIS系统获取沙湾电站海拔坐标信息，再利用MIDAS NX中地图图形编辑器模块对等高线图进行曲面化，并在MIDAS GTS中进行应力、应变及渗流计算。

全尺寸模型主要考虑岩石重力荷载作用下及渗流应力过程，包括河道、对面山体以及上游方向山体对电站基础、基坑及结构的影响。模型通过导入10米精度的STRM数据获得厂址区域地貌基本地形图。模型重点研究区域为电站所依靠的山体，山体采用各向同性均一化物理参数模型（忽略山体构造几何参数）。考虑到实际情况，底部设置X、Y、Z向平动约束及绕X、Y、Z轴转动约束，基岩四周采取Y、Z向平动约束及绕X、Y、Z轴转动约束，顶部无约束，自重方向为Z轴方向，整个模型可以在模型基础四周侧向约束内发生竖向自由沉降。

2.2 在重力场、渗流场作用下的变形特征

为了确切获得受山体自重重力荷载作用及山体渗流影响厂区的应力状态，在厂基与山体相交的截面上通过MIDAS GTX NX切割工具获得厂基位置X、Y、Z切面最大主应力应力状态。

考虑环境应力的基坑模型x、y、z向位移计算结果如图2所示。x方向位移主要集中于厂房机组附近，这是由于山体自重应力（基坑产生沿x轴正方向的推力）与基坑受到厂房发电机组自重荷载共同作用所导致，由于尾水平台附近基础支撑小于两侧挡水围堰，且两侧围堰桩基处理具有一定约束，通过模型模拟很好地体现出了该作用对基坑所造成的变形。

电站紧邻河道岸边，基坑y向变形模拟也呈现出不均匀的斜向河道下游的分布规律，产生这种现象的原因是尾水平台两侧围堰桩基础处理深度不一致，使得基坑y向位移收到山体推力，自重荷载及抗变形能力差异性的共同影响，导致y向变形多集中在机组基坑与尾水平台交界的位置附近。模拟基坑沿着z轴向位移的云图中可以看出，尾水位置z轴沉降最小，厂房基坑位置沉降最大，其次为GIS楼位置，这与实际电站运行监测数据结果一致，沙湾电站最大基坑变形位置集中于厂房底部，受外部应力综合作用影响，呈现3号机组附近位移总矢量和较大的趋势，由于该处地基存在动力敏感型粉土软弱夹层，也是此区域易发生沉降变形的主要影响因素。

图2 基坑沿x、y、z轴向位移

2.3 地基对电站振动的影响

图3（a）可以看出，左侧竖向位移较大且沿深度变化明显，同时在尾水结构下的区域由于软弱夹层的存在导致了较大变形。同时以推测基岩界限为界，上部整体存在向右侧位移的趋势。

图3（b）为3号机组典型剖面地层及桩体应力分布模拟结果，各个地层由于力学性质的差异导致受力状态上出现了明显的分层情况，尤其是发电机组下部红色高亮区域，该部分区域位于地基粉土层中。电站“2295.11（桩顶）以上粉土层全部挖除并换填”，旋喷挤密桩2295.11高程以下仍存在部分桩体位于尚未挖除的粉土层中，该区域与图3（c）所示应力集中位置相符。桩基工程应用中也常常会出现在荷载作用下桩土耦合振动的问题，由此可推断，桩顶标高以下未挖除的的粉土层，在震动荷载作用下孔隙水压力超压也是引起不均匀沉降，并导致发电机组主轴偏心和震动加剧的主要原因之一。

图3 下覆地层水平向位移云图

3 结论

（1）在不考虑区域构造应力的条件下，后部山体由于自重应力产生的重力变形及渗流作用形成的渗流力，对厂区基坑产生了较大的影响，其明显特征为山体存在向河道内侧挤出的趋势。

（2）利用ABAQUS软件模拟可知，由于厂房基坑上发电设备自重荷载较大且发电机组运行过程中存在高频动荷载，在动、静荷载共同作用下，厂房基坑呈现出沿Z轴、X轴沉降较大的规律。

（3）从模拟结果来看，发电机组产生的振动经支座传至厂房结构及下部基础时，引起处于同一筏板基础的GIS楼产生振动，该振动会导致下覆粉土层发生液化，加上山体自重作用将加剧振动荷载的作用效果，可导致整个厂房建筑振动逐渐剧烈。

（4）异常振动变形的发展路径主要表现为：在山体自重应力与旋喷桩强度部分失效的综合作用下导致厂房不均匀沉降，以致发电机组初始偏心，而后初始偏心导致的发电机组振动超过了基坑振动稳定校核极限，诱发了基础中的粉土层液化、力学性质减弱。在这个过程中，初始偏心产生的不均匀沉降导致了进一步变形，从而使得振动愈发剧烈，振动由厂房发电机组支座传递至厂房混凝土基础，再由混凝土基础传递至地基中，向四周扩散。