傳力洞在大壩破碎帶基礎(chǔ)中的應(yīng)用研究

王振中，張漢儒，汪甲鎔（大理禹光工程監(jiān)理咨詢(xún)有限公司，云南 大理671000）

傳力洞在大壩破碎帶基礎(chǔ)中的應(yīng)用研究

王振中，張漢儒，汪甲鎔（大理禹光工程監(jiān)理咨詢(xún)有限公司，云南 大理671000）

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，促進(jìn)了各項(xiàng)大型水利工程的修建，在大壩的安全運(yùn)行過(guò)程中，大壩破碎帶的基礎(chǔ)起著不可替代的作用。有鑒于此，本文通過(guò)對(duì)傳力洞在大壩破碎帶基礎(chǔ)中的應(yīng)用分析，提出相關(guān)的觀(guān)點(diǎn)和看法，從而促進(jìn)工程中的傳力洞問(wèn)題解決。

傳力洞；大壩破碎帶；基礎(chǔ)；應(yīng)用

大壩的近壩基礎(chǔ)和壩肩上通常會(huì)存有數(shù)米厚的不規(guī)則界面，當(dāng)大壩遭受到長(zhǎng)時(shí)間壓力的作用將出現(xiàn)較大偏移，這將使大壩無(wú)法完成正常作業(yè)。當(dāng)壩肩遭受作用力之后，還將依照不規(guī)則界面屈服喪失穩(wěn)定性，想要解決以上問(wèn)題，便需要對(duì)大壩基礎(chǔ)做深部處理。地下開(kāi)挖同時(shí)加以建造傳力結(jié)構(gòu)是深部處理的一般方式，傳力結(jié)構(gòu)能夠使壩肩作用力避免大壩基礎(chǔ)的不規(guī)則界面以及破碎帶，保障大壩穩(wěn)定性。目前，學(xué)者在關(guān)于傳力洞在大壩破碎帶基礎(chǔ)處理之中的運(yùn)用存在爭(zhēng)議，工程界一般使用經(jīng)驗(yàn)法確定傳力洞的截面大小，不能夠達(dá)到理想結(jié)果，傳力洞截面假如過(guò)小便會(huì)使壩尖不夠穩(wěn)定，過(guò)大便會(huì)造成經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)而且留有安全問(wèn)題。本文便是以破碎帶基礎(chǔ)深部處理作為出發(fā)點(diǎn)，利用理論求解與數(shù)值模擬，明確傳力洞在大壩破碎帶基礎(chǔ)問(wèn)題中是否有效，而且依據(jù)等效分析獲得傳力洞截面大小的確定公式，為以后確定傳力洞大小提供依據(jù)。

1 傳力洞的概述

1.1 作用

拱壩建造地點(diǎn)須避免地質(zhì)條件較差的地方，但現(xiàn)有的樞紐布置與勘探技術(shù)具有一定的限制性，所選地方一般都會(huì)遇到斷層、破碎帶、節(jié)理以及其他地質(zhì)缺陷。在拱壩基礎(chǔ)尤其是壩肩基礎(chǔ)存有較大面積軟弱帶，并且存在各種工的載荷影響下，壩肩基礎(chǔ)無(wú)法承受拱端傳來(lái)的推力，便將出現(xiàn)較大偏移。輕則引起大壩開(kāi)裂，不能正常使用，嚴(yán)重的將導(dǎo)致壩肩失穩(wěn)，甚至潰壩。

傳力洞是一種行之有效的拱壩基礎(chǔ)深部特殊處理的方式，在拱壩工程之中也愈來(lái)愈常見(jiàn)，傳力洞能夠起到一定作用的原因是它代替了拱壩基礎(chǔ)中柔弱破碎帶，承受了破碎帶中的拱端推力，同時(shí)也發(fā)揮著混泥土結(jié)構(gòu)彈性模量大的特點(diǎn)，能夠使拱端推力傳至軟弱破碎帶后的完整基巖。因?yàn)榛炷羵髁Χ唇Y(jié)構(gòu)剛度較大，當(dāng)拱端推力作用下所產(chǎn)生的形變較小，因此能夠減小拱端變形量，保障大壩的正常運(yùn)行，為確保傳力洞正常運(yùn)行，傳力洞的需要依照規(guī)定的結(jié)構(gòu)建造，包含長(zhǎng)度以及截面大小的規(guī)定。確保傳力洞穿過(guò)近壩斷層破碎帶以及能夠影響的范圍，洞底端可以影響至新鮮基巖，所以傳力洞的長(zhǎng)度常規(guī)情況下依照近壩斷層的厚度進(jìn)行確定。

1.2 設(shè)計(jì)思路

在使用傳力洞處理拱壩基礎(chǔ)時(shí)，當(dāng)明確了傳力洞的挖掘方向之后，就需模擬出適合的大小，包含它的截面大小于長(zhǎng)度，傳力洞的截面形狀大都為圓形與城門(mén)形狀，具體選擇方式依照建造難度進(jìn)行選取，其長(zhǎng)度最低需要穿過(guò)軟弱破碎帶，而且需要進(jìn)入一定深度的能夠使用的巖體，傳力洞的方向常規(guī)情況下和拱端推力的方向一致，在實(shí)際建筑里，依照現(xiàn)存的地質(zhì)資料，能夠明確軟弱破碎帶的厚度，所以傳力洞的長(zhǎng)度也基本能夠確定，所以，傳力洞的長(zhǎng)度便能夠當(dāng)作已知條件。

設(shè)計(jì)傳力洞是將拱端推力傳向軟弱破碎帶后的巖體，所以傳力洞不可以出現(xiàn)較大的形變，否則便不能夠起到傳力的目的，但是其剛度同樣不能夠較大，否則將致使壩體出現(xiàn)較大應(yīng)力，理想的傳力洞達(dá)到的形變量須和拱壩的拱端偏移量相一致，就是指在測(cè)出的壩肩巖體形變模量下，得到拱壩所有工況下的拱端偏移量，須和相同工況下傳力洞因受到拱端推力所產(chǎn)生的形變量相一致，這時(shí)傳力洞便能夠起到理想作用。

在確定的工況拱端推力的影響下，假如基巖變形模量為已知條件，這時(shí)拱端的偏移量也容易得到，這時(shí)能夠使傳力洞在拱端推力的影響下所產(chǎn)生的形變量和同種情況得到的拱端偏移量相一致，然后依照已知條件，便能夠得到傳力洞截面大小。

1.3 施工要求

傳力洞開(kāi)挖一般是在基礎(chǔ)巖石比較破碎，成洞條件比較差的情況下進(jìn)行的。因此開(kāi)挖前洞口宜設(shè)置適量的鎖口錨桿，開(kāi)挖進(jìn)洞后，洞口一定范圍應(yīng)首先作好襯砌支護(hù)，并進(jìn)行回填和固結(jié)灌漿，以防洞口塌陷。

傳力洞的開(kāi)挖需要把握爆破用量多少，能夠使用小范圍的開(kāi)挖作為導(dǎo)洞，然后以此作為基點(diǎn)使用爆破方式開(kāi)挖。采取“短進(jìn)尺、弱爆破、加密炮孔數(shù)、縮小間距”的措施。

關(guān)于長(zhǎng)度較長(zhǎng)的傳力洞，為預(yù)防溫度應(yīng)力對(duì)于傳力洞的毀壞，需要每隔相應(yīng)長(zhǎng)度留有伸縮縫，在傳力洞混凝土收縮完畢后，再進(jìn)行對(duì)伸縮縫實(shí)施接縫灌漿。

為了使傳力洞能夠發(fā)揮傳力作用，便要確保傳力洞和四周巖體接觸良好，因?yàn)閭髁Χ此ㄔ斓牡匦未蠖紴檐浫跗扑閹В瑤r體質(zhì)量較差，所以需要在灌漿工作上認(rèn)真仔細(xì)，固結(jié)孔的縱、橫之間的距離大都是2～3m。還需要保障傳力洞所填充的混凝土嚴(yán)密，也要做好接觸灌漿工作，接觸灌漿大都是傳力洞頂拱120°之內(nèi)。

2 大壩破碎帶基礎(chǔ)深部處理

若是大壩基礎(chǔ)中發(fā)生數(shù)米厚的不規(guī)則界面，大壩遭受較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的力之后發(fā)生較大偏移，導(dǎo)致其丟失正常運(yùn)行的能力，這種情況系，破碎表面的處理便不能夠達(dá)到需求，所以需要深部處理，依據(jù)國(guó)外資料，深部處理方式大致為以下幾種：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(jié)構(gòu)、加大地面處理深度等.大壩的地基十分復(fù)雜，每個(gè)工程應(yīng)視地質(zhì)特點(diǎn)區(qū)別對(duì)待，其基礎(chǔ)深部處理必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的論證設(shè)計(jì)和用心的建造，才可以達(dá)到理想目的，以往工程師一般通過(guò)多年經(jīng)驗(yàn)明確傳力洞的參數(shù)，而現(xiàn)在則需要通過(guò)有限元法明確其彈塑性，使用數(shù)值模擬解析其力學(xué)方面的特點(diǎn)，同也要完成力學(xué)性能檢驗(yàn)以及三維流場(chǎng)解析。

并非對(duì)于所有破碎帶表面都要進(jìn)行深部處理，只是在其他方法不能滿(mǎn)足剪切變位保持正常值或者大壩斷層大面積屈服下才使用深部處理，關(guān)于膠結(jié)性?xún)?yōu)越的斷層，進(jìn)行一般的灌漿與應(yīng)力加固便能夠解決問(wèn)題，深部處理較為麻煩，需要挖掘與澆筑同時(shí)進(jìn)行，而且需要使用爆破工藝，不能夠一味追求工程建造而忽略安全問(wèn)題。

3 傳力洞相關(guān)參數(shù)確定

傳力洞可以替代大壩基礎(chǔ)中的破碎帶承擔(dān)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產(chǎn)生較大形變，為了確保傳力洞可以穿過(guò)破碎帶而且能夠達(dá)到新鮮基巖，傳力洞需要符合一定的參數(shù)，其中包含軸線(xiàn)方向與截面大小這兩項(xiàng)因素。

3.1 傳力洞的軸線(xiàn)方向

在傳動(dòng)力承受的推力方向和其軸線(xiàn)方向相一致時(shí)，此時(shí)的傳動(dòng)力達(dá)到理想狀態(tài)，所以規(guī)定合適的傳動(dòng)力軸線(xiàn)方向起到至關(guān)重要的作用。

傳力洞的軸線(xiàn)方向應(yīng)與上述三個(gè)力的合力方向相同，設(shè)其合力與水平面的夾角為θ，經(jīng)推導(dǎo)：

實(shí)際的建造中，因?yàn)椴煌墓r承受的力也存有差異，便使θ的數(shù)值與方向也同樣存在差異，但是，傳力洞軸線(xiàn)方向確定下來(lái)便不可以隨意改變，所以設(shè)計(jì)傳力洞的軸線(xiàn)方向時(shí)要考慮到所有的工況.工程實(shí)際中，常以剪切力的最小的θ用以傳力洞的方向。實(shí)際建造的困難程度同樣能夠影響傳力洞的方向，假使傳力洞的角度過(guò)大同時(shí)傳力洞的長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)，建造時(shí)產(chǎn)生的廢水廢渣都難以排放。

3.2 傳力洞截面尺寸擬定的基本原則

當(dāng)傳力洞被用來(lái)解決大范圍的軟弱破碎帶地質(zhì)問(wèn)題時(shí)，必須首先擬定一個(gè)合適的尺寸，包括其截面形狀及長(zhǎng)度。傳力洞的截面造型大致為圓形與城門(mén)洞形兩種造型，依據(jù)建造的實(shí)際情況選擇合適的造型，其長(zhǎng)度最少需要通過(guò)軟弱破碎帶，而且能夠進(jìn)入一定深度的能夠使用的巖體之中，傳力洞的方向需要和拱端推力的方向相一致。實(shí)際的建造之中，依照了解到的工程資料，大都能夠明確軟弱破碎帶的厚度，所以傳力洞的長(zhǎng)度便能夠得到，因此，得到傳力洞的大小便是指得到傳力洞截面大小。

傳力洞的用途便是指將拱端作用力傳向軟弱破碎帶之后的良好巖體，所以它的本身不可以出現(xiàn)太大的形變，否則便不能夠起到傳力的目的，但是其剛度同樣不可以過(guò)大，否則也將致使壩體出現(xiàn)太大的應(yīng)力。理想狀態(tài)下的傳力洞形變量需要和拱端偏移量相一致。便是指在給出的壩肩巖體形變模量下，得到拱壩在全部工況下所出現(xiàn)的拱端偏移量，需要和相同工況下傳力洞因承受拱端推力出現(xiàn)的形變量相一致，這時(shí)傳力洞才可以達(dá)到理想狀態(tài)。

3.3 傳力洞合適截面尺寸的理論值

正如前文所講，傳力若要起到一定用途，便需要產(chǎn)生的形變量和拱端的偏移量相一致，在給出的基巖形變模量下，拱端的偏移量便能可以算出，這時(shí)只需算出傳力洞在特定拱端推力影響下所產(chǎn)生的形變量，再和算出的拱端偏移量一同比較，依照給出的傳力洞長(zhǎng)度，便能夠得到傳力洞截面大小的理論值。

3.4 傳力洞的截面尺寸

確定傳力洞的截面大小十分關(guān)鍵，一般使用的截面造型為圓形與馬蹄形。傳力洞的剛度大小應(yīng)適當(dāng)，不宜過(guò)大，也不應(yīng)過(guò)小。傳力洞的形變量須和拱端偏移量的大小相一致，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(zhǎng)度就可以求出其截面尺寸。傳力洞截面尺寸的計(jì)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。

在現(xiàn)實(shí)的建造，傳力洞的長(zhǎng)度l、截面半徑ro，材料、周邊的地質(zhì)情形都能夠改變傳力洞的形變量，現(xiàn)階段，國(guó)際上關(guān)于壓縮量的探究屈指可數(shù)，以下將使用彈簧模型計(jì)算傳力洞壓縮量的計(jì)算方式，傳力洞可看做是均質(zhì)的彈性長(zhǎng)桿，設(shè)其剛度系數(shù)為k1。

式中：G——傳力洞側(cè)壁的剪切模量；λ——影響因子。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著經(jīng)濟(jì)和科技的發(fā)展，水壩工程中的傳力洞得到了廣泛的應(yīng)用，但是關(guān)于傳力洞理論方面的研究卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。本文從大壩破碎帶基礎(chǔ)深部處理出發(fā)，通過(guò)對(duì)傳力洞截面的計(jì)算，得到相關(guān)結(jié)論。

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TV223

A

2095-2066（2016）22-0120-02

2016-7-26

王振中（1983-），男，漢族，工程師，專(zhuān)科，主要從事水利水電工程工作。

張漢儒（1965-），男，白族，高級(jí)工程師，本科，主要從事工程地質(zhì)與水文地質(zhì)專(zhuān)業(yè)技術(shù)工作。

汪甲鎔（1985-），男，漢族，助理工程師，大專(zhuān)，主要從事水利水電工程工作。