刚性荷载下地下水位对泵站地基沉降影响分析

张 静

(江苏省淮沭新河管理处，江苏 淮安 223000)

泵站是支撑水利工程得以持续、稳定运行的不可缺少因素，在保证工程引水调度效率与质量方面，具有极其重要的作用和影响。然而，由于部分泵站修建于软土地基之上，长年的地下水位变化会导致泵站发生不均匀沉降，导致泵站设备发生损坏，严重威胁泵站的安全运行，因此研究地下水位对泵站地基的沉降影响具有重要意义[4-5]。

王利[6]分析了排涝泵站设计过程中防渗排水应解决泵站前池和进水池的抗浮稳定和主泵房基底扬压力，以及地基处理应考虑建筑物的整体稳定、承载力和沉降变形等问题；李海道[7]以某混流式排涝泵站厂房为软土地基为例，通过对比设计及施工后沉降观测成果，总结了大型立式混流泵厂房地基基础设计经验；朱丽娜[8]研究了新河口泵站承压水渗流特点分析及新站地基处理对策；王顺邦[9]针对广州小虎岛集输泵站基础下沉的原因进行了分析，提出采用单管高压旋喷桩及高压注浆法进行加固形成复合地基；程晓鸣等[10]设计采用砂垫层排水减压沟的工程措施，对泵站前池基础进行处理，研究了地基排水降压效果。

本文为探讨地下水位变化对地基沉降的影响，以江苏省某泵站工程为例，先采用标准贯入试验(CPT)和室内试验对土体参数进行分析，之后采用PLAXIS 3D有限元方法研究了不同地下水位下，地基的沉降规律并提出了加固措施，研究结果可为相关工程提供参考。

1 工程概况

本次泵站工程位于江苏省，地处冷暖气流过渡地带，气候多变，加之滨临湖区，地势低洼，洪、涝、旱、渍等自然灾害较为频繁，时常出现区域性暴雨和大暴雨，雨量大，强度高。境内2段梅雨量在500～800mm，最近1年出现的行洪流量达1020m3/s，冲毁桥梁23座、涵洞34处，水利设施经济损失超过100万元，受灾人口数十万人。因此急需修建以及补修水利工程相关设施，有序引洪、防洪，保证下游以及周边民众生命财产安全。

2 地基土性质标定

本次为准确获取岩土体参数，结合现场实验和室内试验对参数进行标定。现场试验采用标准贯入试验(CPT)，在地基30m深度处分别选取3个不同的钻孔位置，然后用膨润土液体清洁孔壁，最后使锤子并自由下落钻穿45cm厚的土层，计算每15cm段中的落锤数据。根据现场测试结果，地基共分为6层，第1层为粘土(地面标高0m)，呈棕黄色，硬到软塑状态；第2层为淤泥质土(地面标高-2m)，呈黑灰色，液态；第3层为粘土(地面标高-6m)，呈白灰色，硬塑态；第4层为含泥粘土(地面标高-16m)，呈棕色混合黑色，半坚硬状态；第5层为沙土(地面标高-22m)，呈棕色混合黑色，半坚硬状态；第6层为粘土(地面标高-28m)，棕灰色，中等硬度。

为测试粘土的物理力学性质，本文还进行了室内抗剪、抗压和塑性试验等测试，以获得土体的内摩擦角和粘聚力。土体参数见表1。

表1 土体力学参数

3 数值模型

本次采用PLAXIS 3D对泵站地基进行建模分析，由于模型具有对称性，因此采用1/2模型建模。模型尺寸为长75.0m、宽75.0m、高30m，地下水深度为-0.6m，建筑物长18m，建筑物宽18m，底部与地下水为线相切。模型重力加速度为9.8m/s2，水的容重为10kN/m3，土体参数全部采用现场实测参数，地下水位的位置变化分别为1.5、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0、8.0、9.0、10.0、12.0、15.0、20.0m。材料破坏的本构模型采用莫尔-库仑模型，网格生成采用全自动网格生成程序，其中几何体被划分为体积单元和刚体结构单元。网格生成充分考虑几何实体在几何模型中的位置，以便在有限元网格中考虑层、荷载和结构的准确位置，如图1所示。

图1 数值模型

4 数值计算结果

如图2所示，给出了不同地下水位下，建筑物地基沉降结果。由于篇幅原因，只给出了地下水位为-0.6、-1.5、-2.0、-3.0、-4.0、-5.0m时的地基沉降结果。根据计算结果，当地下水位深度为-0.6m时，模型的最大位移分别为0.11m；当地下水位深度为-1.5～-3.0m时，模型的最大位移相差较小，约为0.09m；当地下水位深度为-4～-12m时，模型的最大位移约为0.10m；当地下水位深度为-15～-20m时，模型的最大位移约为0.11m。因此可以得出，对于本次地基工程，地下水位对泵站地基的沉降有明显影响，最大可到11mm，发生在建筑物底部，离建筑物越远，地基沉降越小。因此有必要对地基进行加固处理。

图2 不同地下水位下地基沉降结果

目前常用的地基加固方法有土或灰土挤密桩法、深层搅拌法、换填法、高压喷射注浆法、高压喷射注浆法、预压法、砂石桩法等。砂石桩法用振动或冲击方法在软弱地基中成孔后，将砂石挤压入土中，形成大直径的密实的砂石桩，是处理软弱地基的一种常用的方法；土或灰土桩挤密法是处理地下水位以上的湿陷性黄土、素填土和杂填土等的一种地基加固方法，利用锤击或冲击、爆破等方法将钢管打入土中侧向挤密成孔，将管拨出后，在桩孔中分层回填土或灰土夯实而成，填夯的桩与桩间挤密土同组成复合地基，以承受上部荷载；深层搅拌法是利用水泥或水泥砂浆、石灰作为固化剂，通过特制的搅拌机械，在地基深处就地将软土和固化剂强制搅拌，固化剂和软土之间会产生一系列物理化学反应，使软土硬结成具有一定强度的地基，从而提高地基承载力。由于本工程地基沉降偏小，且地基土性质较好，建议采用土或灰土桩挤密法处理地下水位以上的土体，从而防止建筑物因为地下水变化而出现过大沉降。

5 结论

地下水位变化对地基沉降的影响十分显著，是土体出现裂缝和破坏的主要因素之一，严重威胁修建在软土地基上的水利工程安全运行。本文结合工程实际，基于数值理论探讨了不同地下水位下，地基的沉降规律并提出加固措施。研究结果表明，地下水位对泵站地基的沉降有明显影响，本例工程沉降最大可到11mm，发生在建筑物底部，离建筑物越远，地基沉降越小。因此在软土地基上修建水工建筑物必须严格对地基进行加固处理。建议如果工程地基沉降偏小，且地基土性质较好，采用土或灰土桩挤密法处理水位以上土体，能够对地基沉降有较好控制效果。