土石壩段地基沉降及處理方案研究

(撫順縣水務(wù)局，遼寧 撫順 113006)

土石壩段地基沉降及處理方案研究

郭俊濤

(撫順縣水務(wù)局，遼寧 撫順 113006)

本文以遼寧撫順地區(qū)的大伙房水庫(kù)土石壩地基的沉降問(wèn)題為研究對(duì)象，分別采用e-p曲線法、轉(zhuǎn)化公式法以及有限元模型分析法，對(duì)在施工中的建筑物進(jìn)行沉降量計(jì)算。計(jì)算的結(jié)果表明：轉(zhuǎn)化公式法依據(jù)相關(guān)的線性彈性理論進(jìn)行分析計(jì)算，其方法簡(jiǎn)便快捷，準(zhǔn)確性高，在對(duì)地基沉降問(wèn)題的一些估算中提供了足夠的數(shù)據(jù)支撐和方法應(yīng)用。

土石壩；地基沉降；分析模型

土石壩是一種有著悠久歷史的具有防水功能的堤壩，它的材料主要是土石料及混合料等[1]。如今，在我國(guó)的眾多水庫(kù)中，土石壩占大多數(shù)，主要由于自身存在一些優(yōu)勢(shì)，如所用的材料采集比較方便，構(gòu)筑堤壩技術(shù)較成熟；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)能力強(qiáng)等。在構(gòu)筑堤壩之前，必須考慮的一個(gè)問(wèn)題是地基沉降，這是由于建筑物會(huì)將一些重力施加給地基，使地基所受到的應(yīng)力發(fā)生變化，導(dǎo)致地基產(chǎn)生不同程度的剪切、豎向、橫向的變形，引起一些沉降等。對(duì)于該類地基沉降問(wèn)題的處理，從結(jié)構(gòu)方面來(lái)說(shuō)，主要考慮以下幾點(diǎn)：變形、液化、溶蝕與滲漏、強(qiáng)度及穩(wěn)定性等。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)地基沉降及處理問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究，國(guó)外主要以計(jì)算為主，且對(duì)計(jì)算理論的研究頗多，目前，主要有以下幾種方法：實(shí)測(cè)參數(shù)法、經(jīng)典算法以及采用測(cè)定的沉降曲線以應(yīng)用統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)推導(dǎo)出最終的沉降量等[2]。國(guó)內(nèi)眾多專家結(jié)合國(guó)際上一些工程實(shí)踐及理論，對(duì)沉降的計(jì)算主要采用實(shí)用工程計(jì)算法和模型構(gòu)筑的有限元分析法等。

1 大伙房水庫(kù)土石壩段地質(zhì)概述

大伙房水庫(kù)位于撫順地區(qū)，最大蓄水面積可達(dá)113km2，水庫(kù)正常蓄水位85.00m，防洪水位83.00m，死水位81.00m，設(shè)計(jì)洪水位94.38m，校核洪水位99.47m，水庫(kù)最大庫(kù)容13.92億m3。大伙房水庫(kù)是一座具有發(fā)電、防洪、灌溉、魚類養(yǎng)殖等綜合功能的大型水利水電工程。表1為大伙房水庫(kù)的水位以及土石壩段建筑物的運(yùn)行方式。

表1大伙房水庫(kù)的水位以及土石壩段建筑物的運(yùn)行方式

項(xiàng) 目特征水位/m水庫(kù)容量/109m3底孔/(m3/s)溢流壩/(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設(shè)計(jì)洪水位94 389 42012410 72425 9

2 試驗(yàn)及方法

2.1 地基沉降計(jì)算原理及理論

地基沉降計(jì)算公式為：

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

式中S(t)——在時(shí)間t內(nèi)的地基總沉降量；

Sd——瞬時(shí)的沉降量；

Ss(t)——在時(shí)間t內(nèi)地基的次固結(jié)沉降量；

Sc(t)——在時(shí)間t內(nèi)的地基排水固結(jié)沉降量。

其中，瞬時(shí)沉降量的計(jì)算通?？紤]的有三種方法：歸一化法、受力途徑法、線彈性理論及其修正算法。次固結(jié)沉降量的計(jì)算一般可以忽略，不作為重點(diǎn)[3]。固結(jié)沉降量通常采用線彈性固結(jié)理論來(lái)計(jì)算，根據(jù)地基中任意一點(diǎn)的應(yīng)變和有效應(yīng)力兩者之間的關(guān)系建立方程進(jìn)行求解。

若只涉及地基的一次受力變形，則固結(jié)變形附加的受力公式為

pzf=(pcz-Fc)+pzt

式中pzf——地基中土體受到點(diǎn)的應(yīng)力；

pcz——豎向上受到的自身重力；

Fc——早期受到的固結(jié)應(yīng)力；

pzt——地基中土體受到點(diǎn)的豎向應(yīng)力[4]。

經(jīng)過(guò)多次的推導(dǎo)及變形，固結(jié)沉降的最終公式為

S=

該公式為非線性的，其求解過(guò)程較為復(fù)雜，需要借助于e-p曲線進(jìn)行求解。計(jì)算中，總體步驟為：由總和分層法理論，把整體分割為若干分層，計(jì)算出每一分層的地基沉降量，然后再次相加，即為地基的最終沉降量。

2.2 地基沉降的有限元分析模型建立

有限元法是一種結(jié)構(gòu)離散化的方法，可以把比較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)問(wèn)題分割為幾個(gè)較簡(jiǎn)單的部分集合單元，從而建立起一個(gè)個(gè)方程組進(jìn)行求解分析。其優(yōu)點(diǎn)主要有：原理簡(jiǎn)單明了、應(yīng)用范圍較廣、線性及非線性問(wèn)題皆可進(jìn)行求解，并且，整體采用矩陣式方程，計(jì)算簡(jiǎn)單。有限元分析的基本原理包括變分原理和加權(quán)余量原理，其中，變分原理主要包括最小余能原理、最小勢(shì)能原理及虛位移原理等。有限元分析一般分為預(yù)處理、計(jì)算分析和后處理三個(gè)步驟，即先使其結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化，然后建立場(chǎng)變量模型及求單元體系數(shù)，再建立平衡方程，最后對(duì)方程進(jìn)行求解。ANSYS是一種分析軟件，可以對(duì)各種力場(chǎng)、結(jié)構(gòu)、靜態(tài)力學(xué)等進(jìn)行模擬，有著很高的準(zhǔn)確性及精密度。其分析過(guò)程主要為：預(yù)處理，也就是建立有限元模型，有從頂而下和自底而上兩種方式；計(jì)算分析，也就是對(duì)有限元模型進(jìn)行分析，先調(diào)節(jié)有關(guān)條件，再對(duì)平衡方程組進(jìn)行微積分求解；后處理，也就是針對(duì)前述的數(shù)據(jù)、模型進(jìn)行分析，得出結(jié)果。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 有限元模型法

根據(jù)對(duì)前邊的大伙房水庫(kù)的相關(guān)介紹可知，其土石壩段線比較長(zhǎng)，有著不同性質(zhì)的地基土體。于是針對(duì)不同的地質(zhì)條件進(jìn)行特征建立有限元分析模型，根據(jù)所用材料的非線性特征，利用有限元分析的三維法以及獲取的有關(guān)物理結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)地基土體的分布規(guī)律、沉降值及特征進(jìn)行總結(jié)分析。首先進(jìn)行預(yù)處理，建立模型，因?yàn)榇蠡锓克畮?kù)中的土石壩有三個(gè)壩段，要選擇特征性壩段分析其特有的地質(zhì)狀況。經(jīng)初步分析，選定0+800～1+200的Ⅱ級(jí)階作為特征壩段建立模型。然后選擇材料的結(jié)構(gòu)模型，通常采用德盧科-普拉格的DP模型進(jìn)行分析，它不僅可以減小計(jì)算中的難度，而且計(jì)算的準(zhǔn)確度和精度也能得到滿足。最后進(jìn)行模型的離散化處理，利用ANSYS軟件進(jìn)行整體劃分，以四面體單元為基準(zhǔn)進(jìn)行劃分，最終共分為32761個(gè)部分單元，再進(jìn)行加載及后處理分析，采用ANSYS軟件的后處理部分，將位移線和Z軸云圖進(jìn)行處理。

3.2 e-p曲線分層總和法

根據(jù)地基土體中的相關(guān)試驗(yàn)物性參數(shù)，對(duì)分析軟件擬合的e-p曲線進(jìn)行分層總和法計(jì)算。出壩基±1為Ⅰ級(jí)階地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。出壩基±2為Ⅱ級(jí)階地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。出壩基±3為Ⅱ級(jí)階地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。出心墻土平均天然含水率23.7%，平均天然干密度1.45g/cm3。

圖1 孔隙比與壓力(e-p)關(guān)系曲線(一)

圖2 孔隙比與壓力(e-p)關(guān)系曲線(二)

圖3 孔隙比與壓力(e-p)關(guān)系曲線(三)

圖4 孔隙比與壓力(e-p)關(guān)系曲線(飽和狀態(tài)下的心墻土)

圖5 非飽和狀態(tài)下心墻土料的e-p曲線

從圖1～圖5可以看出，選取的Ⅱ級(jí)階地?cái)嗝?，?jì)算的沉降結(jié)果為：該水庫(kù)大壩建成后的總沉降量為1.15m，大壩的高度為22.1m，并且，在非飽和的狀態(tài)下，該壩體壩基為0.84m，沉降 0.20m。

3.3 轉(zhuǎn)化公式法

對(duì)選取的1+100斷面固定不變，以心墻部分為主要對(duì)象進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 1+100 斷面沉降計(jì)算結(jié)果

3.4 三種不同方法的結(jié)論分析

具體的分析結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 大伙房水庫(kù)地基沉降結(jié)果

有限元模型分析法的優(yōu)勢(shì)是可以真實(shí)地模擬地基沉降問(wèn)題，能夠利用建立的模型去計(jì)算非線性問(wèn)題，得出的結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性，從表3中可以看出，采用有限元法得出的最大地基沉降量為1.10m；e-p曲線法是一種較為傳統(tǒng)的計(jì)算分析法，能夠?qū)Φ鼗馏w結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)進(jìn)行簡(jiǎn)便的表征和考察，其所得到的結(jié)果準(zhǔn)確性較高，利用該方法，可知表3中的結(jié)果為1.06m；對(duì)于轉(zhuǎn)化公式法而言，需要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)不多，計(jì)算簡(jiǎn)便快捷，可以在計(jì)算公式中加入地基土體的非線性特征，從表3中可以看出，采用轉(zhuǎn)化法得出的最大地基沉降量為1.05m。通過(guò)以上分析可知，采用三種方法得出的結(jié)果誤差較小，可供地基沉降計(jì)算采用。

4 結(jié) 論

本文以遼寧撫順地區(qū)的大伙房水庫(kù)土石壩地基的沉降問(wèn)題為研究對(duì)象，分別采用e-p曲線法、轉(zhuǎn)化公式法以及有限元模型分析法，對(duì)在施工中的建筑物進(jìn)行沉降量計(jì)算，計(jì)算的結(jié)果分別為1.06m、1.05m和1.10m。綜合分析其計(jì)算結(jié)果可知，沒(méi)有太大偏差，均在可接受控制的范圍內(nèi)，由此得出以下結(jié)論：轉(zhuǎn)化公式法依據(jù)相關(guān)的線性彈性理論進(jìn)行分析計(jì)算，其方法簡(jiǎn)便快捷，在對(duì)地基沉降問(wèn)題的一些估算中提供了足夠的數(shù)據(jù)支撐和方法應(yīng)用。

[1] 叢日軍.基于ANSYS的土石壩地基沉降數(shù)值模擬[J].中國(guó)水能及電氣化,2017(6):49-52.

[2] 孟凡雷,蘇佩珍.基于GeoStudio的土石壩動(dòng)力安全復(fù)核[J].水電能源科學(xué),2010(10):59-61.

[3] 李自強(qiáng).有限元二次開發(fā)的山區(qū)軟土區(qū)地基沉降量計(jì)算方法[J].云南水力發(fā)電，2016(6):65-69.

[4] 華靜,楊華舒.土石壩滲流計(jì)算中的有限元應(yīng)用研究[J].中國(guó)水能及電氣化,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