拱壩基礎(chǔ)處理中的傳力洞設(shè)計(jì)

吳黨中，劉國華

(浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江杭州 310058)

對于合適的壩址條件，拱壩是一種即經(jīng)濟(jì)又安全的壩型.相對于同一壩址處相同高度的其他壩型，拱壩一般工程量節(jié)省，而超載能力更強(qiáng).雖然拱壩對建壩基礎(chǔ)的要求較高，但綜合基礎(chǔ)處理后的工程造價(jià)，往往仍然低于其他比較壩型.目前，全世界200m以上的大壩，有一半以上采用拱壩壩型[1]，目前我國正在籌建或正在建設(shè)中的超高拱壩有拉西瓦(250m)、錦屏一級(305m)、構(gòu)皮灘(220m)、小灣(292m)和溪洛渡(278m).

隨著我國筑壩技術(shù)的不斷發(fā)展，拱壩基礎(chǔ)處理的手段也日趨先進(jìn)[2-6].常用的拱壩基礎(chǔ)處理措施有混凝土置換、固結(jié)灌漿、基礎(chǔ)墊座[7]、重力墩、推力墩以及傳力洞等.前3種處理措施一般用于淺層不良地基處理，重力墩和推力墩的設(shè)置部位有一定的局限性(一般布置在壩頂附近高程位置)，而傳力洞作為一種深層不良地質(zhì)處理措施，其應(yīng)用比較靈活，可布置在壩肩任何部位.

傳力洞作為處理拱壩壩肩基礎(chǔ)的有效方式，在越來越多的拱壩工程中得到應(yīng)用.國內(nèi)外成功應(yīng)用傳力洞處理拱壩壩肩基礎(chǔ)問題最具代表性的工程有龍羊峽重力拱壩、李家峽雙曲拱壩以及前南斯拉夫的母拉丁其壩等[8].

相對于傳力洞實(shí)際應(yīng)用的日趨廣泛，傳力洞的理論研究明顯滯后.國內(nèi)外文獻(xiàn)對傳力洞的論述雖有不少，但大都集中在分析傳力洞處理后的效果，而對于設(shè)計(jì)過程中如何確定一個(gè)最佳的傳力洞方案研究不多.迄今為止，傳力洞的設(shè)計(jì)一般以經(jīng)驗(yàn)為主，或先試定一個(gè)方案，再配合有限元等手段進(jìn)行分析驗(yàn)證.這種設(shè)計(jì)方法很難達(dá)到最佳的處理效果，同時(shí)過程繁瑣，費(fèi)時(shí)費(fèi)力.有鑒于此，對傳力洞進(jìn)行理論研究是非常必要的.本文主要就傳力洞的設(shè)計(jì)方案確定展開論述，并利用最小勢能原理[9]，導(dǎo)出傳力洞洞徑確定的解析方法.

1 傳力洞設(shè)計(jì)方法研究

1.1 傳力洞設(shè)計(jì)的基本思路

當(dāng)傳力洞用來處理拱壩基礎(chǔ)時(shí)，在確定傳力洞的掘進(jìn)方向后，必須首先擬定一個(gè)合適的尺寸，包括其截面形狀及長度.傳力洞的截面形狀一般有圓形和城門洞形，視施工難度而定.其長度應(yīng)至少穿過軟弱破碎帶，并進(jìn)入一定深度的可利用巖體，傳力洞的方向一般與拱端推力方向接近.實(shí)際工程中，根據(jù)已有的地質(zhì)資料，可以確定軟弱破碎帶的厚度，因此傳力洞的長度可以確定(一般以進(jìn)入可利用巖體2～3m為宜)，所以，傳力洞的設(shè)計(jì)長度可作為已知條件處理.

傳力洞的作用是將拱端推力傳向軟弱破碎帶之后的完好巖體，故其本身不能產(chǎn)生過大的壓縮變形，否則起不到傳力的效果;但其剛度也不能太大，否則有可能導(dǎo)致壩體產(chǎn)生過大應(yīng)力[10].合適的傳力洞預(yù)期壓縮變形量應(yīng)該與拱壩的拱端位移相當(dāng)，即在給定的壩肩巖體變形模量[11](經(jīng)傳力洞處理后的預(yù)期巖體變形模量)下，求出拱壩各種工況下的拱端位移，應(yīng)該與同工況下傳力洞受拱端推力所產(chǎn)生的壓縮變形大致相同，傳力洞才能達(dá)到最佳的傳力效果.

在給定工況拱端推力作用下，若基巖變形模量已知，拱壩的拱端位移不難求出，此時(shí)可令傳力洞在相應(yīng)拱端推力作用下的壓縮變形量(預(yù)期壓縮變形量)與該工況下求出的拱端位移值相等，再根據(jù)已知的傳力洞長度，應(yīng)可反推出傳力洞截面尺寸.

1.2 傳力洞方向的確定

傳力洞塞體的材料一般為混凝土，為發(fā)揮混凝土材料抗壓強(qiáng)度大而抗拉強(qiáng)度小的特性，總是希望作用于傳力洞頂?shù)暮狭Ψ较虮M量與傳力洞的軸線方向一致，因此傳力洞設(shè)計(jì)中擬定一個(gè)合適的傳力洞軸線方向非常重要.圖1為拱壩拱端受力示意圖.

對傳力洞有影響的力主要為沿拱圈切向推力T、沿徑向剪力V和沿豎向壓力F.也就是說，傳力洞設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量使軸線方向與上述3個(gè)力的合力方向一致.當(dāng)然，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，拱壩的計(jì)算工況往往不止一種，而各種工況下的荷載是不一樣的，由此導(dǎo)致了合力在不同工況下的作用方向是不同的.顯然傳力洞的方向不可能隨著設(shè)計(jì)工況的不同而相應(yīng)變化，因此在擬定傳力洞的方向時(shí)需要兼顧到各種設(shè)計(jì)工況.考慮到混凝土的材料特性，一般應(yīng)以在各種工況下傳力洞所受到的剪應(yīng)力最小為傳力洞方向的擬定原則.

圖1 拱壩拱端受力示意圖Fig.1 Forces acting on dam abutment

圖2 傳力洞等效受力示意圖Fig.2 Equivalent forces acting on concrete plug

1.3 傳力洞截面尺寸的確定

工程中傳力洞的截面尺寸均較大，受力后一般是在混凝土的彈性范圍內(nèi)工作，可以將其看作均質(zhì)的彈性桿件.洞身周圍巖體對傳力洞的約束可以簡化為沿整個(gè)洞長分布的線性彈簧，其等效剛度系數(shù)設(shè)為k1;洞底巖石對傳力洞的約束也可簡化為等效剛度為k2的集中彈簧，如圖2所示.

當(dāng)洞頂端受到沿洞身方向的拱端推力時(shí)，假定洞頂位移為S.則由傳力洞和周邊巖體所組成的系統(tǒng)勢能為

式中:u——任意截面的位移;Pt——傳力洞洞頂?shù)淖饔昧?E，A——傳力洞的彈性模量和截面面積;k1——洞周單位長度巖體的等效剛度系數(shù)，kPa;k2——洞底端巖體的等效剛度系數(shù)，用kN/m表示;ub，ut——傳力洞底部和頂部的位移，其中ut=S;l——傳力洞的長度.式(1)右邊第一項(xiàng)為傳力洞洞體彈性應(yīng)變能，第二項(xiàng)為洞側(cè)巖體剪切應(yīng)變能，第三項(xiàng)為洞底巖體壓縮應(yīng)變能，第四項(xiàng)為荷載勢能.對于k1，k2的取值，文獻(xiàn)[12]建議k1=2πG/ln(rm/r0)，k2=4Gr0/η(1-νs)，其中rm=2.5l(1-νs)，G，νs分別為巖體的剪切模量和泊松比，η為傳力洞入巖深度影響系數(shù)，r0為傳力洞半徑.

根據(jù)最小勢能原理，式(1)對u(x)的變分為零.

對式(1)取變分并分部積分:

由u(x)的任意性，可得傳力洞任意截面位移控制方程和邊界條件如下:

聯(lián)立式(4)～(6)并解微分方程得

式中N(x)為傳力洞任意截面的軸力，在傳力洞頂端(x=0)，有u(0)=S，N(0)=-EAbhS，負(fù)號表示為壓力.由此可得傳力洞頂端推力P與洞頂位移S的關(guān)系為

式(9)說明此時(shí)P與S成正比，即P-S曲線表現(xiàn)為斜率等于EAbh的直線.以此，根據(jù)預(yù)期的傳力洞頂端壓力及位移，可求出傳力洞的截面面積.

2 實(shí)例分析

本文所選工程實(shí)例為云南省梁河縣葫蘆口水電站大壩，該工程大壩分部工程目前已施工完成.大壩左壩肩大范圍軟弱破碎帶采用了傳力洞的處理方案，傳力洞截面擬定過程采用了本文公式(9)，取得了良好的效果.

2.1 工程概況及壩址地質(zhì)情況描述

葫蘆口電站作為南底河梯級開發(fā)的一期工程，水庫總庫容432萬m3，調(diào)節(jié)庫容為148萬m3，裝機(jī)容量為2×10MW，多年平均發(fā)電量10927萬kW?h.大壩為拋物線型混凝土雙曲拱壩，最大壩高38m.拱壩壩頂高程1016.00m，拱冠梁頂厚3.00m;壩底高程978.00m，拱冠梁底厚8.24m，拱壩拱冠梁厚高比為0.23.壩頂中心線弧長(含推力墩)110.00m，弧高比2.88.

工程區(qū)受大盈江區(qū)域性斷裂(F15)影響，壩址區(qū)次級小斷裂較發(fā)育，根據(jù)地質(zhì)勘察資料共發(fā)現(xiàn)24條.對除F2以外的斷層可以采用常規(guī)方法進(jìn)行處理，F(xiàn)2斷層描述如下:產(chǎn)狀NE40°～50°，SE∠65°～84°，由F2-1，F(xiàn)2-2，F(xiàn)2-3，F(xiàn)2-44條小斷層及其間影響帶組成，在巖體卸荷區(qū)內(nèi)產(chǎn)狀略有變化，傾角變緩.拱槽底位于高程993.00～1001.00m，槽底強(qiáng)風(fēng)化，巖石破碎，風(fēng)化加劇，呈囊狀風(fēng)化(即原編號F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4斷層).F2-1:產(chǎn)狀NE40°，SE∠65°，破碎帶由斷層泥、糜棱巖、壓碎巖組成，寬10～20cm，泥厚2～5cm;F2-2:產(chǎn)狀NE40°，SE∠65°，破碎帶由斷層泥、糜棱巖、壓碎巖組成，寬20～30cm，泥厚5～8cm;F2-3:產(chǎn)狀NE40°，SE∠65°，破碎帶由斷層泥、糜棱巖、壓碎巖組成，寬10～20 cm，泥厚1～3 cm;F2-4:產(chǎn)狀NE50°，SE∠65°～80°，破碎帶由斷層泥、糜棱巖、壓碎巖組成，寬30～50cm，泥厚8～15cm.F2-1～F2-4之間為斷層影響帶，節(jié)理發(fā)育，巖石破碎呈碎塊狀，風(fēng)化加劇.槽底大部為強(qiáng)風(fēng)化，沿節(jié)理面充填鐵錳質(zhì)及少量次生泥薄膜.壩址工程地質(zhì)剖面圖見圖3.

為了保證大壩的安全運(yùn)行，設(shè)計(jì)針對斷層破碎帶F2進(jìn)行了專門處理.具體是在993.00m高程設(shè)置一層穿過F2的傳力洞，將拱端傳來的荷載通過傳力洞傳到斷層破碎帶以內(nèi)的新鮮巖體.根據(jù)拱壩各種工況下的計(jì)算結(jié)果(考慮了傳力洞的預(yù)期作用)，求出作用于傳力洞上合力的方向?yàn)?向下游方向與壩軸夾角為36°，沿洞軸線方向傳力洞底坡為1∶4.傳力洞平面布置如圖4所示.

圖3 壩址工程地質(zhì)剖面(單位:高程m，其他cm)Fig.3 Geological section of dam site (unit:m for elevation，and cm for others)

圖4 993.00m高程截面?zhèn)髁Χ摧S線方向(單位:cm)Fig.4 Axial direction of concrete plug of section at elevation of 993.00m(unit:cm)

2.2 針對斷層F2的傳力洞設(shè)計(jì)

根據(jù)開挖揭露以后的地質(zhì)情況分析，F(xiàn)2斷層破碎帶巖體強(qiáng)度很低，基巖變形模量只能達(dá)到0.8～1.0GPa，如不進(jìn)行認(rèn)真處理將可能發(fā)生較大的壓縮變形或蠕變變形，進(jìn)而導(dǎo)致壩肩失穩(wěn).由平垌資料可知，F(xiàn)2斷層破碎帶厚度為15～18m，其內(nèi)側(cè)為較為完整的新鮮基巖，其變形模量可達(dá)10GPa以上.

為防止拱端推力作用下該斷層帶發(fā)生較大的壓縮變形或蠕變變形，進(jìn)而對壩體應(yīng)力和壩肩穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響，在左壩肩993.00m高程位置設(shè)置一個(gè)傳力洞，將拱端推力傳至基巖深部.傳力洞的洞軸線方向，根據(jù)拱端荷載情況并考慮施工因素確定.傳力洞的長度為穿過F2斷層破碎帶2～3m，傳力洞回填混凝土強(qiáng)度采用C20.

根據(jù)地質(zhì)勘探情況，F(xiàn)2斷層破碎帶厚度15～18m，因此初定傳力洞長度為20m，新鮮巖體的變形模量按10GPa考慮.推薦地質(zhì)參數(shù)為:左壩肩傳力洞周邊基巖(考慮傳力洞的作用，高程范圍990.50～995.50m)綜合變形模量取8.0GPa，左壩肩其余基巖綜合變形模量取0.8GPa，右壩肩基巖綜合變形模量取4.0GPa，河床段基巖綜合變形模量取2.5GPa，混凝土/強(qiáng)風(fēng)化巖石抗剪斷參數(shù)f′=0.5，c′=0.15MPa.

根據(jù)以上地質(zhì)參數(shù)，考慮左壩肩50%的拱端推力由傳力洞承擔(dān)，計(jì)算得作用于傳力洞頂端的推力約為55MN，由此計(jì)算得相應(yīng)傳力洞高程拱端位移為3.31mm.

a.求等效剛度系數(shù)k1，k2.根據(jù)地質(zhì)報(bào)告提供的有關(guān)參數(shù)，破碎帶范圍內(nèi)巖體的剪切模量約為0.3GPa，傳力洞長度按 20 m計(jì)，代入 k1的表達(dá)式，則可得傳力洞側(cè)壁巖體的等效剛度系數(shù) k1=1.884/;又根據(jù)地質(zhì)報(bào)告可知，巖體的泊松比νs=0.25，剪切模量G=4.0GPa，傳力洞入巖深度影響系數(shù)η取為0.9，代入k2的表達(dá)式，則可求得傳力洞洞底總體的等效剛度系數(shù)k2=23.7r0GPa.

b.求傳力洞半徑.如前所述，在預(yù)期的基巖變形模量下，計(jì)算得出作用于傳力洞頂端的推力約為55MN，相應(yīng)傳力洞高程拱端位移為3.31mm.因此令傳力洞頂預(yù)期壓縮量為3.31mm，將此作為已知條件，代入式(9)中，可以求出傳力洞半徑r0=2.36m.

本工程在實(shí)際施工中，考慮施工誤差及適量的安全儲備，最終傳力洞的半徑選用了2.5m.葫蘆口電站水庫大壩到目前為止已經(jīng)運(yùn)行3年有余，通過安裝在傳力洞附近的基巖變形儀觀測數(shù)據(jù)可知，傳力洞附近壩肩最大位移3.1mm，這與傳力洞頂預(yù)期壓縮量相差不大.由此可知，本文提出的傳力洞設(shè)計(jì)方法是合理的.

3 結(jié) 語

傳力洞在拱壩軟弱破碎帶基礎(chǔ)的處理中已被廣泛應(yīng)用，然而針對傳力洞設(shè)計(jì)方法的研究卻不多見.本文提出了傳力洞的預(yù)期壓縮變形量與拱壩的拱端位移量相一致的設(shè)計(jì)原則;將圍巖影響簡化成抗力作用，并利用最小勢能原理，導(dǎo)出了求解傳力洞截面尺寸的公式.成果應(yīng)用于葫蘆口拱壩傳力洞設(shè)計(jì)，取得了較為滿意的結(jié)果，對類似工程具有借鑒意義.

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