傳力洞在大壩破碎帶基礎(chǔ)中的應(yīng)用研究

汪甲鎔

大理禹光工程監(jiān)理咨詢有限公司

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，想要解決以上問題，便需要對(duì)大壩基礎(chǔ)做深部處理。地下開挖同時(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，傳力洞截面假如過小便會(huì)使壩尖不夠穩(wěn)定，過大便會(huì)造成經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)而且留有安全問題。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)無法承受拱端傳來的推力，便將出現(xiàn)較大偏移。輕則引起大壩開裂，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愈常見，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。因此開挖前洞口宜設(shè)置適量的鎖口錨桿，開挖進(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。

傳力洞的開挖需要把握爆破用量多少，能夠使用小范圍的開挖作為導(dǎo)洞，然后以此作為基點(diǎn)使用爆破方式開挖。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?，巖體質(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至3米。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多年經(jīng)驗(yàn)明確傳力洞的參數(shù)，而現(xiàn)在則需要通過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)性優(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)，其中包含軸線方向與截面大小這兩項(xiàng)因素。

3.1 傳力洞的軸線方向

在傳動(dòng)力承受的推力方向和其軸線方向相一致時(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)力軸線方向起到至關(guān)重要的作用。

傳力洞的軸線方向應(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，傳力洞軸線方向確定下來便不可以隨意改變，所以設(shè)計(jì)傳力洞的軸線方向時(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大同時(shí)傳力洞的長(zhǎng)度過長(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)傳力洞被用來解決大范圍的軟弱破碎帶地質(zhì)問題時(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)，不宜過大，也不應(yīng)過小.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

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)，通過對(duì)傳力洞截面的計(jì)算，得到相關(guān)結(jié)論。

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