ATS水电站厂房地基三维有限元计算分析

孙 红 丽(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

1 工程概况

电站装机4×175=700 MW，额定水头176 m，单机引用流量111.40 m3/s，厂区由主厂房、副厂房、户内开关站、尾水建筑物、永久进厂交通等组成。主、副厂房呈上下游平行排列布置，副厂房位于主厂房上游侧，尾水建筑物衔接尾水出口与天然河道。

主机间部分基础为砂质泥岩和泥质砂岩，局部夹砂岩，其中，砂质泥岩具有弱～强膨胀性；尾水闸墩基础位于结构密实的冲积砂卵砾石层上。

2 计算缘由

本电站厂房边坡高度达百米，为高陡边坡，厂址所在部位阶地较为狭窄，为降低人工开挖边坡高度、减少高边坡开挖方，经多次优化布置，将主机间基础布置于岩基上，尾水闸墩基础布置于砂卵砾石层上。厂房位于不同介质之上，采用传统的结构力学方法进行地基承载力计算时，不能考虑因为底部介质力学性质不同而产生的对地基承载力计算的影响，因此采用三维有限元方法进行厂房地基承载力的计算，并视计算结果进行相应的基础处理。

3 地基承载力三维有限元计算

根据地质勘察资料、设计资料，建立三维有限元网格模型。模型模拟了厂房排架柱、水下墙、风罩、机墩、下部大体积结构、尾水闸墩等结构，以及建筑物下部的地质构造。整体模型共划分三维有限单元约10.52万个，节点约12.05万个。结构和岩体全部采用8节点6面体实体单元模拟。模型见图1，图2。

图1 厂房及地基整体模型Fig.1 Workshop and the whole model of foundation

图2 地基模型Fig.2 Foundation model

三维有限元计算所采用的地质参数见表1。

表1 计算所采用的地质参数值Tab.1 Calculate the geological parameter values

经计算，地基最大位移为16.79 mm，发生部位为q2地层(砂卵砾石层)；地基极端最大应力为2.675 MPa，发生部位为岩基地层，但为个别点极端应力，不具有代表性，但是很多部位应力超过0.7 MPa，见图3、图4。

图3 不设桩基的情况下地基位移图 (单位：m)Fig.3 Without pile foundation under the condition of displacement diagram

图4 没有桩基的情况下地基应力 (单位:Pa)Fig.4 Without pile foundation under the condition of ground stress

从计算结果的对比来分析：当厂房底部最大位移为16.79 mm，并且超过1/3的部位大于0.7 MPa，满足不了地基承载力的要求。经分析，其原因是厂房基础底部承载力依据抗压刚度分配法原则，刚度大的承载区域承担大部分荷载，刚度小的承载区域承担小部分荷载，从表1可以看出，岩石地基介质与砂砾石地基介质的弹性模量存在数量级上的差别，当承受荷载时，尾水闸墩底部变形较大，而岩石变形较小，因此承受了较多的荷载，这样导致岩基地层出现大面积的应力集中现象，超过了泥岩地基本身0.7 MPa的承载力极限，满足不了地基承载力的要求。

因此需要对砂砾石地基进行地基处理，以提高地基承载能力。结合工程布置及地质条件，在尾水闸墩底部采用桩基，并对设桩基情况下的厂房进行三维有限元地基承载力计算。

4 设桩基的地基承载力三维有限元计算

本电站厂房地基的薄弱环节为尾水闸墩下部的砂砾石地基，在此区域设桩基4排，桩基为钢筋混凝土结构，直径1.0 m，间排距3.0 m，每一根桩穿过砂砾石层，伸入基岩深度1.5 m。厂房及桩基模型见图5，地基位移及应力计算结果见图6、图7。

图5 厂房及桩基模型Fig.5 plant and the model of the pile foundation

图6 设桩基的情况下地基位移图 (单位:m)Fig.6 A pile foundation under the condition of displacement diagram

从有限元计算结构云图可以看出，当厂房底部不良地质区域设桩基础时，地基最大位移为3.921 mm；

图7 设桩基的情况下地基应力 (单位：Pa)Fig.7 With pile foundation under the condition of ground stress

地基极端最大应力为0.994 MPa，发生部位为岩基地层，但为个别点极端应力，可以理解为应力集中现象，不具有代表性，大部分应力为0.5～0.6 MPa，满足地基承载力的要求。

厂房底部设桩基础时，厂房尾水平台的压力通过刚度大的桩基础传递至底部，地基的承载能力变得均匀，减少了应力集中区域，使地基在承载力和变形方面都得到满足，因而桩基础的设置是有必要的。

5 结 语

厂房底部桩基础的有限元计算，弥补了传统结构力学方法的计算不足，结构力学法在计算建筑物地基应力时，不能反映底部介质抗压刚度不均匀对地基应力的影响。地基应力依据抗压刚度分配原则，刚度大的区域承担大部分荷载，刚度小的区域承担小部分荷载，这可能会导致刚度稍大区域出现面积较大的应力集中现象，超过了地基本身的极限承载能力。本工程进行了无桩基及有桩基情况下的地基应力和变形对比计算，论证了在地质条件不良情况下设置桩基的必要性，这也为今后类似工程当地基承载力不能满足时提供了一种地基处理的方法，积累了相关的工程经验。

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