传力洞在大坝破碎带基础中的应用研究

2016-12-05王振中张汉儒汪甲鎔大理禹光工程监理咨询有限公司云南大理671000

低碳世界 2016年22期

关键词：传力拱坝偏移量

王振中，张汉儒，汪甲鎔（大理禹光工程监理咨询有限公司，云南大理671000）

传力洞在大坝破碎带基础中的应用研究

王振中，张汉儒，汪甲鎔（大理禹光工程监理咨询有限公司，云南大理671000）

经济的发展，促进了各项大型水利工程的修建，在大坝的安全运行过程中，大坝破碎带的基础起着不可替代的作用。有鉴于此，本文通过对传力洞在大坝破碎带基础中的应用分析，提出相关的观点和看法，从而促进工程中的传力洞问题解决。

传力洞；大坝破碎带；基础；应用

大坝的近坝基础和坝肩上通常会存有数米厚的不规则界面，当大坝遭受到长时间压力的作用将出现较大偏移，这将使大坝无法完成正常作业。当坝肩遭受作用力之后，还将依照不规则界面屈服丧失稳定性，想要解决以上问题，便需要对大坝基础做深部处理。地下开挖同时加以建造传力结构是深部处理的一般方式，传力结构能够使坝肩作用力避免大坝基础的不规则界面以及破碎带，保障大坝稳定性。目前，学者在关于传力洞在大坝破碎带基础处理之中的运用存在争议，工程界一般使用经验法确定传力洞的截面大小，不能够达到理想结果，传力洞截面假如过小便会使坝尖不够稳定，过大便会造成经济浪费而且留有安全问题。本文便是以破碎带基础深部处理作为出发点，利用理论求解与数值模拟，明确传力洞在大坝破碎带基础问题中是否有效，而且依据等效分析获得传力洞截面大小的确定公式，为以后确定传力洞大小提供依据。

1 传力洞的概述

1.1 作用

拱坝建造地点须避免地质条件较差的地方，但现有的枢纽布置与勘探技术具有一定的限制性，所选地方一般都会遇到断层、破碎带、节理以及其他地质缺陷。在拱坝基础尤其是坝肩基础存有较大面积软弱带，并且存在各种工的载荷影响下，坝肩基础无法承受拱端传来的推力，便将出现较大偏移。轻则引起大坝开裂，不能正常使用，严重的将导致坝肩失稳，甚至溃坝。

传力洞是一种行之有效的拱坝基础深部特殊处理的方式，在拱坝工程之中也愈来愈常见，传力洞能够起到一定作用的原因是它代替了拱坝基础中柔弱破碎带，承受了破碎带中的拱端推力，同时也发挥着混泥土结构弹性模量大的特点，能够使拱端推力传至软弱破碎带后的完整基岩。因为混凝土传力洞结构刚度较大，当拱端推力作用下所产生的形变较小，因此能够减小拱端变形量，保障大坝的正常运行，为确保传力洞正常运行，传力洞的需要依照规定的结构建造，包含长度以及截面大小的规定。确保传力洞穿过近坝断层破碎带以及能够影响的范围，洞底端可以影响至新鲜基岩，所以传力洞的长度常规情况下依照近坝断层的厚度进行确定。

1.2 设计思路

在使用传力洞处理拱坝基础时，当明确了传力洞的挖掘方向之后，就需模拟出适合的大小，包含它的截面大小于长度，传力洞的截面形状大都为圆形与城门形状，具体选择方式依照建造难度进行选取，其长度最低需要穿过软弱破碎带，而且需要进入一定深度的能够使用的岩体，传力洞的方向常规情况下和拱端推力的方向一致，在实际建筑里，依照现存的地质资料，能够明确软弱破碎带的厚度，所以传力洞的长度也基本能够确定，所以，传力洞的长度便能够当作已知条件。

设计传力洞是将拱端推力传向软弱破碎带后的岩体，所以传力洞不可以出现较大的形变，否则便不能够起到传力的目的，但是其刚度同样不能够较大，否则将致使坝体出现较大应力，理想的传力洞达到的形变量须和拱坝的拱端偏移量相一致，就是指在测出的坝肩岩体形变模量下，得到拱坝所有工况下的拱端偏移量，须和相同工况下传力洞因受到拱端推力所产生的形变量相一致，这时传力洞便能够起到理想作用。

在确定的工况拱端推力的影响下，假如基岩变形模量为已知条件，这时拱端的偏移量也容易得到，这时能够使传力洞在拱端推力的影响下所产生的形变量和同种情况得到的拱端偏移量相一致，然后依照已知条件，便能够得到传力洞截面大小。

1.3 施工要求

传力洞开挖一般是在基础岩石比较破碎，成洞条件比较差的情况下进行的。因此开挖前洞口宜设置适量的锁口锚杆，开挖进洞后，洞口一定范围应首先作好衬砌支护，并进行回填和固结灌浆，以防洞口塌陷。

传力洞的开挖需要把握爆破用量多少，能够使用小范围的开挖作为导洞，然后以此作为基点使用爆破方式开挖。采取“短进尺、弱爆破、加密炮孔数、缩小间距”的措施。

关于长度较长的传力洞，为预防温度应力对于传力洞的毁坏，需要每隔相应长度留有伸缩缝，在传力洞混凝土收缩完毕后，再进行对伸缩缝实施接缝灌浆。

为了使传力洞能够发挥传力作用，便要确保传力洞和四周岩体接触良好，因为传力洞所建造的地形大都为软弱破碎带，岩体质量较差，所以需要在灌浆工作上认真仔细，固结孔的纵、横之间的距离大都是2～3m。还需要保障传力洞所填充的混凝土严密，也要做好接触灌浆工作，接触灌浆大都是传力洞顶拱120°之内。

2 大坝破碎带基础深部处理

若是大坝基础中发生数米厚的不规则界面，大坝遭受较长时间内的力之后发生较大偏移，导致其丢失正常运行的能力，这种情况系，破碎表面的处理便不能够达到需求，所以需要深部处理，依据国外资料，深部处理方式大致为以下几种：断层纵向置、换垂直向传力处理、采用抗剪切洞塞、地下置换体塞、横向传力结构、加大地面处理深度等.大坝的地基十分复杂，每个工程应视地质特点区别对待，其基础深部处理必须经过严格的论证设计和用心的建造，才可以达到理想目的，以往工程师一般通过多年经验明确传力洞的参数，而现在则需要通过有限元法明确其弹塑性，使用数值模拟解析其力学方面的特点，同也要完成力学性能检验以及三维流场解析。

并非对于所有破碎带表面都要进行深部处理，只是在其他方法不能满足剪切变位保持正常值或者大坝断层大面积屈服下才使用深部处理，关于胶结性优越的断层，进行一般的灌浆与应力加固便能够解决问题，深部处理较为麻烦，需要挖掘与浇筑同时进行，而且需要使用爆破工艺，不能够一味追求工程建造而忽略安全问题。

3 传力洞相关参数确定

传力洞可以替代大坝基础中的破碎带承担推力，并能将这部分推力传至破碎带后边的岩石，这样就可以避免拱端产生较大形变，为了确保传力洞可以穿过破碎带而且能够达到新鲜基岩，传力洞需要符合一定的参数，其中包含轴线方向与截面大小这两项因素。

3.1 传力洞的轴线方向

在传动力承受的推力方向和其轴线方向相一致时，此时的传动力达到理想状态，所以规定合适的传动力轴线方向起到至关重要的作用。

传力洞的轴线方向应与上述三个力的合力方向相同，设其合力与水平面的夹角为θ，经推导：

实际的建造中，因为不同的工况承受的力也存有差异，便使θ的数值与方向也同样存在差异，但是，传力洞轴线方向确定下来便不可以随意改变，所以设计传力洞的轴线方向时要考虑到所有的工况.工程实际中，常以剪切力的最小的θ用以传力洞的方向。实际建造的困难程度同样能够影响传力洞的方向，假使传力洞的角度过大同时传力洞的长度过长，建造时产生的废水废渣都难以排放。

3.2 传力洞截面尺寸拟定的基本原则

当传力洞被用来解决大范围的软弱破碎带地质问题时，必须首先拟定一个合适的尺寸，包括其截面形状及长度。传力洞的截面造型大致为圆形与城门洞形两种造型，依据建造的实际情况选择合适的造型，其长度最少需要通过软弱破碎带，而且能够进入一定深度的能够使用的岩体之中，传力洞的方向需要和拱端推力的方向相一致。实际的建造之中，依照了解到的工程资料，大都能够明确软弱破碎带的厚度，所以传力洞的长度便能够得到，因此，得到传力洞的大小便是指得到传力洞截面大小。

传力洞的用途便是指将拱端作用力传向软弱破碎带之后的良好岩体，所以它的本身不可以出现太大的形变，否则便不能够起到传力的目的，但是其刚度同样不可以过大，否则也将致使坝体出现太大的应力。理想状态下的传力洞形变量需要和拱端偏移量相一致。便是指在给出的坝肩岩体形变模量下，得到拱坝在全部工况下所出现的拱端偏移量，需要和相同工况下传力洞因承受拱端推力出现的形变量相一致，这时传力洞才可以达到理想状态。

3.3 传力洞合适截面尺寸的理论值

正如前文所讲，传力若要起到一定用途，便需要产生的形变量和拱端的偏移量相一致，在给出的基岩形变模量下，拱端的偏移量便能可以算出，这时只需算出传力洞在特定拱端推力影响下所产生的形变量，再和算出的拱端偏移量一同比较，依照给出的传力洞长度，便能够得到传力洞截面大小的理论值。

3.4 传力洞的截面尺寸

确定传力洞的截面大小十分关键，一般使用的截面造型为圆形与马蹄形。传力洞的刚度大小应适当，不宜过大，也不应过小。传力洞的形变量须和拱端偏移量的大小相一致，而端位移可根据岩石的形变量求出，因此只要知道传力洞的长度就可以求出其截面尺寸。传力洞截面尺寸的计算方法有：弹簧模型法、有限元法、数值模拟法等，下边主要采用弹簧模型法求解传力洞截面半径。

在现实的建造，传力洞的长度l、截面半径ro，材料、周边的地质情形都能够改变传力洞的形变量，现阶段，国际上关于压缩量的探究屈指可数，以下将使用弹簧模型计算传力洞压缩量的计算方式，传力洞可看做是均质的弹性长杆，设其刚度系数为k1。