尚義敏，劉會武，羅 林，張秋霞

（1.湖北省電力勘測設(shè)計(jì)院，湖北 武漢430024；2.中國建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都610052；3.中國地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院，湖北 武漢430074）

伴隨著經(jīng)濟(jì)的平穩(wěn)快速增長，我國基礎(chǔ)建設(shè)需求不斷增高，電網(wǎng)覆蓋面積也在不斷擴(kuò)大，而電網(wǎng)建設(shè)工程不可避免地會穿越不良工程地質(zhì)條件區(qū)域。由于湖北地區(qū)碳酸鹽巖地層出露較多，加之處于亞熱帶濕潤氣候區(qū)，使得巖溶地質(zhì)地貌遍布全省，因此在沿線電網(wǎng)建設(shè)及變電站選址過程中，會穿越幾乎所有的巖溶地質(zhì)和地貌，如溶蝕塌陷、漏斗、巖溶殘丘、峰叢峰林、溶蝕洼地、巖溶峽谷以及各種形態(tài)的石林、天窗、溶洞等。在巖溶地區(qū)進(jìn)行電網(wǎng)建設(shè)時(shí)會出現(xiàn)大量工程地質(zhì)問題，尤其是在大型變電站地基的主要受力范圍內(nèi)，由于上部建筑物附加荷載的作用，巖溶地基常常引起地基承載力不足、不均勻沉降、地基滑動和塌陷等地基變形破壞問題，從而可能導(dǎo)致空洞坍塌，引起其上建筑物發(fā)生塌陷、下沉、開裂或垮塌等破壞，將對電力運(yùn)輸和生產(chǎn)建設(shè)產(chǎn)生極為不利的影響［1—4］，因此必須對擬建的變電站地基進(jìn)行穩(wěn)定性評價(jià)。

1 工程概況

擬建的黃石冶鋼220kV變電站工程位于黃石市西塞山區(qū)冶鋼動力分公司制氧車間6 000m3制氧機(jī)組主廠房地段。該變電站本期建設(shè)規(guī)模為主變2×180MVA，終期為3×180MVA，建筑規(guī)模約為80m×50m，位于黃石市正東方向約10km。該地段屬黃荊山北麓坡地地貌，后經(jīng)人工整平為建筑用地，現(xiàn)地面為混凝土地面，地勢較平坦，總體地勢南高北低，場址區(qū)地面自然標(biāo)高為27.98～28.82m（黃海高程），自然標(biāo)高差為0.84m，設(shè)計(jì)整平標(biāo)高為28.40m。該地區(qū)氣候?qū)賮啛釒嘏撅L(fēng)氣候，雨量豐富，四季氣候分明，降雨量主要集中在7～9月份，大量地表水流入地下，為巖溶發(fā)育提供了充足的水源，從而保持了地下水對巖類的溶蝕作用。

場區(qū)內(nèi)巖溶屬亞熱帶巖溶，從形態(tài)上可將該地區(qū)巖溶地貌分為巖溶洼地及溶水洞、溶洞、石芽及溶溝、坡立谷和巖溶丘陵五大類［5—6］，主要發(fā)育在場區(qū)的東北部以及中部區(qū)域，呈帶狀分布。場區(qū)內(nèi)溶洞眾多，各個(gè)溶洞發(fā)育狀況不一，充填情況也不盡相同，有充填、半充填以及未充填溶洞，變電站區(qū)域內(nèi)所有地質(zhì)剖面上的溶洞數(shù)量為12個(gè)。

2 黃石冶鋼變電站場址巖溶塌陷敏感性分析

本文采用鉆探和物探兩種探測方法對黃石冶鋼變電站區(qū)域地下巖溶發(fā)育特征進(jìn)行調(diào)查?？辈煦@孔布置點(diǎn)詳見圖1。

圖1 勘察鉆孔布置點(diǎn)以及剖面分布平面示意圖Fig.1 Points of investigational holes and schematic profile diagram

從勘察的結(jié)果來看，場地地下巖溶大致分為兩類：一類為水平發(fā)育溶洞，另一類為垂直發(fā)育溶洞。這兩類溶洞的洞隙埋深均為5～10m，溶洞高度一般為0.5～10m，寬度一般為0.3～15m，洞長從幾米到幾十米不等；兩類溶洞的發(fā)育由區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和區(qū)域地層巖性所控制，呈帶狀分布，其中以水平發(fā)育溶洞為主，最大的溶洞水平方向達(dá)30m，垂直方向也有近10m；溶洞發(fā)育有集中現(xiàn)象，其形狀主要為圓形和橢圓形，少數(shù)為不規(guī)則形狀，水平方向發(fā)育的溶洞上覆土層厚度在1.5～20m之間，多數(shù)呈未充填狀。

目前，對于巖溶塌陷敏感性分析的方法大致有兩種，即單因素分析法和多因素分析法。單因素分析法所假設(shè)的前提具有一定的局限性，因?yàn)樵趯?shí)際中單因素變化時(shí)，其余的因素也會同時(shí)發(fā)生變化，這就要求要考慮多因素同時(shí)變化的綜合作用。因此，本文綜合考慮多種巖溶塌陷的影響因素，并結(jié)合現(xiàn)有的區(qū)域勘察資料，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007—2011），對黃石冶鋼變電站場址巖溶塌陷敏感性進(jìn)行了分析，最后確定影響巖溶地基穩(wěn)定性的主要控制因素為：溶洞頂板厚跨比、溶洞大小、上覆土層性質(zhì)、溶洞充填情況、溶洞上覆土層厚度。

3 黃石冶鋼變電站巖溶地基穩(wěn)定性評價(jià)

目前巖溶地基穩(wěn)定性評價(jià)方法經(jīng)歷了由定性到半定量再到定量的過程［7—8］，運(yùn)用的主要方法為：綜合分析法、經(jīng)驗(yàn)比擬法、頂板厚跨比法、估算頂板安全厚度法、試驗(yàn)測試法、穩(wěn)定系數(shù)法、普式壓力拱理論分析法、坍塌平衡法、有限元數(shù)值分析法等［9—11］。

本文在場址巖溶塌陷敏感性分析結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用FLAC3D與Ansys相結(jié)合的方法對該區(qū)域巖溶剖面進(jìn)行數(shù)值模擬，即首先利用Ansys進(jìn)行前處理，對剖面網(wǎng)格進(jìn)行剖分，然后再利用FLAC3D進(jìn)行后處理，對剖面進(jìn)行數(shù)值模擬運(yùn)算及可視化分析，將各個(gè)剖面逐一進(jìn)行數(shù)值模擬，從而得出穩(wěn)定性評價(jià)結(jié)果［12—13］。

3.1 穩(wěn)定性評價(jià)過程

本文使用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算主要分為兩個(gè)步驟，即初始應(yīng)力場加載和均布荷載加載。進(jìn)行第一步求解時(shí)假設(shè)自重應(yīng)力場為初始應(yīng)力場，在邊界條件的約束下求解使得網(wǎng)格達(dá)到平衡狀態(tài)；第二步是在初始應(yīng)力計(jì)算結(jié)果下進(jìn)行施加荷載計(jì)算。本文截取立體模型內(nèi)部溶洞最多、最密集的1－1’剖面（見圖2）進(jìn)行穩(wěn)定性分析、位移分析、應(yīng)力分析，具體步驟如下：

（1）根據(jù)彈塑性力學(xué)有效邊界原理，對剖面采取40m×220m的模型，將溶洞簡化為3.3m×30.2m和2.9m×30.2m，這樣可以保證邊界效應(yīng)可以忽略，從而利用Ansys進(jìn)行網(wǎng)格剖分前處理，再利用接口軟件“Ansys to FLAC3D”得到1－1’剖面的簡化模型（見圖3），該模型簡化為薄板，網(wǎng)格數(shù)量約為20 000。

圖2 1－1’剖面示意圖Fig.2 1－1’profile schematic diagram

圖3 1－1’剖面的簡化模型Fig.3 Simplified model of 1－1’profiles

（2）在FLAC3D下通過Fix命令固定邊界，運(yùn)用彈性本構(gòu)模型，讓其自動收斂，通過監(jiān)測最大不平衡力的大小來判定模型運(yùn)算的合理性。圖4為初始最大不平衡力監(jiān)測曲線，由圖4可知，模型初始運(yùn)算收斂，計(jì)算合理，從而得出初始應(yīng)力場。

（3）對初始位移場進(jìn)行清零，保留初始應(yīng)力場，即得到近似大地的構(gòu)造應(yīng)力場。

（4）對溶洞上覆土層施加豎直向下的1.35×105Pa的荷載，運(yùn)算得出施加荷載后溶洞的最大不平衡力監(jiān)測圖、z向位移云圖和塑性變形分布圖，見圖5至圖7。

圖4 初始最大不平衡力監(jiān)測Fig.4 Monitoring of the initial maximum unbalance stress

圖5 施加荷載后最大不平衡力監(jiān)測Fig.5 Monitoring of the maximum unbalance stress with load

圖6 施加荷載后z向位移云圖Fig.6 Displacement of z direction with load

圖7 施加荷載后溶洞附近塑性變形分布圖Fig.7 Plastic deformation near caves with load

圖5顯示施加荷載后模型運(yùn)算結(jié)果合理；由圖6可以看出，溶洞頂板位移明顯大于其余處，這符合力學(xué)理論；根據(jù)FLAC3D溶洞分析原理，將頂板塑性區(qū)貫通的溶洞視為不穩(wěn)定溶洞，由圖7所示塑性區(qū)說明該剖面的兩個(gè)溶洞均不穩(wěn)定，從而根據(jù)剖面圖可得該剖面上鉆孔點(diǎn)201和202穩(wěn)定，203和204不穩(wěn)定。

3.2 穩(wěn)定性評價(jià)結(jié)果分析

對于一個(gè)鉆孔而言，它所受的力均來自其周圍區(qū)域合力的影響，合力的大小、方向決定了鉆孔點(diǎn)的穩(wěn)定性狀態(tài)、變形形狀。對于一個(gè)面或是區(qū)域而言，可根據(jù)其周圍結(jié)點(diǎn)的運(yùn)動狀態(tài)而求得它本身的穩(wěn)定性現(xiàn)狀［15—18］。因此，根據(jù)上述穩(wěn)定性評價(jià)過程，可對每個(gè)鉆孔點(diǎn)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。由于每個(gè)鉆孔點(diǎn)會相應(yīng)的得到兩個(gè)穩(wěn)定性分析結(jié)果，從提高巖溶地基安全穩(wěn)定性的角度出發(fā)，可運(yùn)用最大隸屬原則得出最終結(jié)果；再利用每個(gè)鉆孔點(diǎn)所確定的穩(wěn)定性評價(jià)結(jié)果，通過數(shù)值模擬得出場址各個(gè)剖面的穩(wěn)定性現(xiàn)狀，從而得到該場區(qū)巖溶地基穩(wěn)定性評價(jià)結(jié)果，見圖8。由圖8可知：該巖溶地基場址最大不穩(wěn)定區(qū)域分布于研究區(qū)東部，最大不穩(wěn)定危險(xiǎn)區(qū)域在東北部；西部區(qū)域以穩(wěn)定性巖溶地基為主，最大穩(wěn)定區(qū)域?yàn)槲髂喜俊?/p>

圖8 研究區(qū)巖溶地基的穩(wěn)定性分布圖Fig.8 Stability distribution of the karst foundation

4 結(jié)論與建議

（1）通過對黃石冶鋼變電站場址巖溶塌陷進(jìn)行敏感性分析，確定了影響巖溶地基穩(wěn)定性的主要因素為溶洞頂板厚跨比、溶洞上覆土層厚度、溶洞充填情況、溶洞大小和上覆土層性質(zhì)。

（2）穩(wěn)定性評價(jià)結(jié)果表明：該巖溶地基場址最大不穩(wěn)定區(qū)域分布在研究區(qū)東部，最大不穩(wěn)定危險(xiǎn)區(qū)域在東北部；西部區(qū)域以穩(wěn)定性巖溶地基為主，最大穩(wěn)定區(qū)域在西南部。

（3）根據(jù)巖溶地基的穩(wěn)定性評價(jià)結(jié)果，建議對不穩(wěn)定區(qū)域淺埋深、接近地表的溶洞進(jìn)行換填墊層法，增加地基的抗壓能力，并合理確定墊層的厚度和寬度；對不穩(wěn)定區(qū)域較大的溶洞進(jìn)行高壓噴射注漿法處理，以防止地下水對注漿所形成的沖擊作用；在穩(wěn)定區(qū)域?qū)θ芏瓷细餐翆硬捎脫Q土墊層法處理以及對地基土進(jìn)行夯實(shí)壓密；禁止或限制該區(qū)域附近抽取地下水，由于該地區(qū)與長江水力聯(lián)系較密切，過量抽取地下水勢必會造成巖溶水流速增大，加速地下水的流動，對溶洞的侵蝕作用加大，從而降低巖溶地基的穩(wěn)定性。

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