傳力洞在大壩破碎帶基礎中的應用

朱 瑜,費 悅

(葛洲壩集團三峽分公司向家壩施工局，四川 宜賓 644612)

0 引 言

大壩的近壩基礎和壩肩上常有數(shù)米厚的不連續(xù)界面存在，大壩受到持久力后在此發(fā)生較大的位錯，致使其失去正常的工作能力[1].壩肩收到作用力后，還會沿著這些不連續(xù)界面屈服失去穩(wěn)定性，為此必須對這些大壩基礎進行深部處理.地下開挖并設置傳力結構是深部處理的常用方法，傳力結構使壩肩作用力避開大壩基礎的不連續(xù)界面和破碎帶，從而保證大壩安全穩(wěn)定[2].目前，學者們對傳力洞在大壩破碎帶基礎處理中的作用仍有分歧，工程界常用經(jīng)驗法確定傳力洞的截面尺寸，很難達到預期效果.傳力截面積過小會影響壩尖的穩(wěn)定，過大會影響經(jīng)濟性并留下安全隱患.本文從大壩破碎帶基礎深部處理出發(fā)，通過理論求解和數(shù)值模擬，確定了傳力洞在大壩破碎帶基礎問題中的有效性，并通過有等效分析法得到了傳力洞截面尺寸的計算公式，為今后工程中傳力洞截面積的確定提供了參考.

1 大壩破碎帶基礎深部處理

當大壩基礎存在數(shù)米厚的不連續(xù)界面時，大壩受到持久力后在此發(fā)生較大的位錯，致使其失去正常的工作能力.這時，破碎帶表面處理很難達到要求，因此需要進行深部處理.參考國內(nèi)外相關文獻，深部處理方法主要有以下幾種：斷層縱向置、換垂直向傳力處理、采用抗剪切洞塞、地下置換體塞、橫向傳力結構、加大地面處理深度等.大壩的地基十分復雜，每個工程應視地質特點區(qū)別對待，其基礎深部處理必須經(jīng)過嚴格的論證設計和精心的施工，才能達到預期的效果.過去工程師們往往以經(jīng)驗確定傳力洞的參數(shù)，現(xiàn)在則必須用有限元法分析其彈塑性、用數(shù)值模擬分析其力學特點，還要做力學性能試驗和三維流場分析.

并非對于所有破碎帶表面都要進行深部處理，只是在其他方法不能滿足剪切變位保持正常值或者大壩斷層大面積屈服下才需要深部處理.對于膠結性很好的斷層，只需灌漿處理和應力加固即可，無需深部處理.深部處理是一個精密的過程，必須邊開挖邊澆筑并采取合理的爆破技術，不能只顧進度，不顧安全生產(chǎn).

2 傳力洞參數(shù)確定

傳力洞可以替代大壩基礎中的破碎帶承擔推力，并能將這部分推力傳至破碎帶后邊的巖石，這樣就可以避免拱端有較大的變形.為了保證傳力洞能穿過大壩基礎中的破碎帶并能作用到新鮮的基巖，傳力洞必須滿足一定的參數(shù)要求.傳力洞的主要參數(shù)包括軸線方向和截面尺寸.

2.1 傳力洞的軸線方向

當作用于傳力洞的推力方向與其軸線方向相同時，傳力洞的抗壓強度達到最大，抗拉強度達到最小.因此，確定一個合理的傳力洞軸線方向十分重要.對大壩拱端進行受力分析，其受力情況如圖1所示,圖中：V為徑向剪切力；T為橫向推力；F為壓力[3].

圖1 大壩拱端受力分析

傳力洞的軸線方向應與上述三個力的合力方向相同，設其合力與水平面的夾角為θ[3].經(jīng)推導：

(1)

但是在實際工況中，由于不同工況下受力不同，導致θ的大小和方向也不相同.但是，傳力洞的軸線方向一經(jīng)確定就不能隨著不同工況變動，所以設計傳力洞的軸線方向時要考慮到所有的工況.工程實際中，常以剪切力最小時的θ作為傳力洞的方向.施工難度也是影響傳力洞方向的一個重要因素，若傳力洞的坡度太大并且較長時，施工時的排渣排水就會非常困難.

2.2 傳力洞的截面尺寸

傳力洞的作用是將推力傳到大壩基礎破碎帶后面的完整巖石，所以其不能產(chǎn)生較大的壓縮形變，因此確定傳力洞的截面尺寸至關重要.常見的傳力洞截面有圓形和馬蹄型兩種.傳力洞的剛度也應適當，過大的剛度會使大壩應力增大.合適的壓縮形變值應與大壩的拱端位移大致相等，而端位移可根據(jù)巖石的形變量求出，因此只要知道傳力洞的長度就可以求出其截面尺寸.傳力洞截面尺寸的計算方法有：彈簧模型法、有限元法、數(shù)值模擬法等，下邊主要采用彈簧模型法求解傳力洞截面半徑.

在工程實際中，傳力洞的長度l、截面半徑r0、材料、周邊的地質情況均影響著傳力洞的壓縮量.到目前為止，世界上對壓縮量的研究還不多，下面將采用彈簧模型推導傳力洞壓縮量的計算公式.傳力洞可看做是均質的彈性長桿，設其剛度系數(shù)為k1.

式中:G—傳力洞側壁的剪切模量；

λ—影響因子.

巖石給傳力洞的支持力可看作剛度系數(shù)為k2的彈簧，如圖2所示.

式中:Gb—傳力洞底壁的剪切模量；

η—影響因子；

vb—底巖的泊松比；

r0—傳力洞截面半徑.

則其任意截面的壓縮量τ應該滿足：

式中:E—彈性長桿的彈性模量；

A—彈性長桿的截面積.

圖2 傳力洞等效受力分析

確定了傳力洞等效壓縮量的微分方程后，根據(jù)其邊界條件進行求解，得到任意截面的壓縮量為：

(2)

傳力洞洞頂位移S與推力P的關系為：

(3)

(2)、(3)式聯(lián)立即可求出傳力洞截面半徑r0.

3 傳力洞的施工

工程中的傳力洞一般位于大壩破碎帶基礎中，其巖石破碎度較高，成洞條件很差.開挖傳力洞前需要設置鎖口錨桿，開挖后的洞口必須做好支撐防止回填時傳力洞塌陷.采取合理的爆破計算并嚴格控制火藥的劑量，深部處理是一個精密的過程，必須邊開挖邊澆筑并采取合理的爆破技術，不能只顧

進度，不顧安全生產(chǎn).傳力洞的長度一般在幾十米，隔一段長度就應設置伸縮縫，防止溫度應力破壞洞體.傳力洞穿越的都是大壩破碎帶和軟弱帶，因此傳力洞必須與側面巖石和底部巖石保持緊密接觸，并做好固結灌漿.為了保證傳力洞回填的嚴密性，還要做好洞頂120°范圍內(nèi)的接觸灌漿[4-6].

4 結 論

目前，傳力洞已經(jīng)在水壩工程中廣泛應用，但對其進行理論研究的論文還不多見.本文從大壩破碎帶基礎深部處理出發(fā)，確立了傳力洞軸線方向角并建立了傳力洞截面計算的彈簧模型，得到了傳力洞截面尺寸的計算公式，論述了傳力洞施工過程中需要注意的問題.為今后工程中傳力洞截面積的確定提供了參考.

參考文獻：

[1] 吳黨中.拱壩優(yōu)化時基礎變模敏感性及壩肩傳力洞增穩(wěn)效應研究[D].杭州:浙江大學，2012.

[2] 吳黨中.傳力洞在處理拱壩軟弱破碎帶基礎中的應用[D].杭州:浙江大學，2007.

[3] 吳黨中,劉國華.拱壩基礎處理中的傳力洞設計[J].河海大學學報：自然科學版,2010,38(6):711-715.

[4] 董京旭．漫松引水洞出口段漏水通道處理[J].東北水利水電，2008，19(202)：15．

[5] 吳黨中，劉國華．拱壩基礎處理中的傳力洞設計[J].河海大學：自然科學版，2010,38(6):711-715.

[6] 吳黨中.拱壩優(yōu)化時基礎變模敏感性及壩肩傳力洞增穩(wěn)效應研究[D/OL].2012-01-03[2013-01-21].http://www.xueweilunwen.com/doc/1485792.