吳黨中，王茂榮(.浙江中水工程技術(shù)有限公司，浙江 杭州 3000；.浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 33)

傳力洞截面對(duì)拱壩壩肩穩(wěn)定的影響

吳黨中1，王茂榮2
(1.浙江中水工程技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310020；2.浙江建設(shè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 311231)

傳力洞對(duì)處理拱壩軟弱破碎帶基礎(chǔ)具有較好的效果，實(shí)際工程中應(yīng)用很普遍.通過(guò)建立拱壩及其基礎(chǔ)的三維有限元模型，分析了不同半徑傳力洞對(duì)軟弱基礎(chǔ)中特定滑裂面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的影響，結(jié)果表明：傳力洞的設(shè)置對(duì)軟弱破碎帶內(nèi)的特定滑裂面抗滑安全通常是有利的，但當(dāng)傳力洞半徑設(shè)置不當(dāng)時(shí)，有可能反而不利滑裂面的抗滑穩(wěn)定.

壩基處理；傳力洞；斷層破碎帶；有限元

對(duì)于合適的壩址條件，拱壩是一種既經(jīng)濟(jì)又安全的壩型.相對(duì)于同一壩址處相同高度的其它壩型，拱壩一般工程量較省，而超載能力更強(qiáng).雖然拱壩對(duì)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)，往往仍然低于其它壩型.目前，全世界200 m以上的大壩，有一半以上采用拱壩壩型[1].我國(guó)已經(jīng)建成的超高拱壩有拉西瓦(250 m)，錦屏一級(jí)(305 m)，構(gòu)皮灘(225 m)，小灣(292 m)和溪洛渡(285.5 m)等.

根據(jù)拱壩的受力特點(diǎn)，拱壩的壩肩穩(wěn)定是拱壩設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵，而壩肩巖體的完整性和堅(jiān)固程度是影響壩肩穩(wěn)定的重要因素.完全符合設(shè)計(jì)要求的拱壩天然壩基在實(shí)際工程中很少出現(xiàn)，一般工程中均需對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行相應(yīng)的處理，以滿足大壩受力要求.對(duì)于拱壩壩肩基礎(chǔ)而言，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)一定范圍的軟弱夾層或破碎帶，當(dāng)通過(guò)表層處理(如灌漿、深挖回填)工程措施不能滿足要求或者代價(jià)太大時(shí)，采用設(shè)置傳力洞(有時(shí)也稱抗剪洞)穿過(guò)軟弱破碎帶的處理方式能夠很好地解決這一問(wèn)題[2-3].實(shí)踐證明，傳力洞對(duì)增強(qiáng)拱壩壩肩穩(wěn)定是行之有效的拱壩基礎(chǔ)深部處理措施，正被應(yīng)用于越來(lái)越多的工程之中[4-10].

傳力洞最佳直徑理論值[11]，在相關(guān)文獻(xiàn)中已有論述.然而在實(shí)際工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，很多工程師通常以求穩(wěn)的心理，趨向設(shè)計(jì)盡可能大截面的傳力洞，認(rèn)為這樣能獲得更大的壩肩穩(wěn)定安全系數(shù).在有些情況下，規(guī)模更大的傳力洞確實(shí)能夠帶來(lái)更大的壩肩穩(wěn)定安全系數(shù)，但也有一些工程，尤其是一些壩高較低的拱壩，截面大的傳力洞，對(duì)壩肩穩(wěn)定的增穩(wěn)效果，反而不如截面小的傳力洞.本文將通過(guò)建立三維有限元模型，分析不同截面?zhèn)髁Χ磳?duì)拱壩壩肩穩(wěn)定的影響，以期對(duì)實(shí)際工程起參考作用.

1 計(jì)算模型與方法

1.1 計(jì)算模型

以下通過(guò)對(duì)一座38 m高的拱壩，以不同截面?zhèn)髁Χ刺幚砘A(chǔ)軟弱破碎帶后，對(duì)壩肩穩(wěn)定安全系數(shù)的變化情況分析，來(lái)討論傳力洞不同截面對(duì)特定壩肩滑裂面的抗滑穩(wěn)定影響.

壩址河谷深切呈略開張“V”形，河床寬度30 m，左右岸坡坡度1 ∶1.河段為正交谷，岸坡形態(tài)為平直型.拱壩建基面巖體大部分完整堅(jiān)硬，在左岸離壩底15～25 m高程處存在一軟弱破碎帶夾層，軟弱夾層的深度為20 m.假設(shè)軟弱夾層內(nèi)部存在一條可能影響壩肩穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)面，結(jié)構(gòu)面傾角為豎直向下，走向與壩軸線成30°夾角.對(duì)該不良地質(zhì)情況采取的處理措施是設(shè)置C15混凝土傳力洞加固.傳力洞的截面為圓形，其半徑分別采用1.0 m(最小施工洞徑)、1.5 m、2.0 m、2.5 m和3.0 m(接近該層拱壩的拱端厚度)，傳力洞水平布置，每種半徑的傳力洞布置方向均與特定滑裂面走向成80°的交角.

建基面巖體物理力學(xué)參數(shù)為：

(1)完整基巖之間抗剪摩擦系數(shù)f=1.0，滑裂面之間抗剪摩擦系數(shù)f=0.6.完整巖體的變形模量為10 GPa，泊松比為0.25；軟弱夾層的巖體的變形模量為1.0 GPa，泊松比為0.33.

(2)混凝土拱壩為混合線型雙曲變厚拱壩，最大壩高38 m，壩體材料為C15混凝土.拱壩拱冠梁處壩頂厚度3.0 m，壩底厚度8.24 m，厚高比0.22，壩頂中心線弧長(zhǎng)110 m，弧高比2.88.壩體最大中心角69.17°.

(3)壩體材料彈模1.8×104N/mm2，泊桑比0.167，容重24 kN/m3，線膨脹系數(shù)1×10-5/℃，導(dǎo)溫系數(shù)3 m2/月.基巖變模為1.0×104N/mm2，泊桑比0.167.

(4)壩基的計(jì)算范圍為：基礎(chǔ)的深度為最大壩高的1倍，左右岸及拱壩上游基礎(chǔ)各延伸1倍最大壩高，下游基礎(chǔ)延伸2.5倍最大壩高.

(5)計(jì)算軟件采用ANSYS有限元計(jì)算分析軟件，有限元模型的整體坐標(biāo)系定義如下：拱壩拱冠梁上游頂點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，右岸為+X方向，+Y軸鉛直向下，Z軸指向下游.

(6)壩體采用8節(jié)點(diǎn)SOLID45單元模擬，一般巖體采用8節(jié)點(diǎn)SOLID65單元模擬，軟弱破碎帶范圍巖體及傳力洞采用20節(jié)點(diǎn)SOLID186單元模擬.

拱壩整體有限元模型及壩體模型(見(jiàn)圖1，圖2).

圖1 拱壩整體三維有限元模型

圖2 壩體(含傳力洞)三維有限元模型

1.2 計(jì)算方法

本文討論某個(gè)特定的傳力洞，其洞軸線方向一定，當(dāng)傳力洞的截面尺寸發(fā)生變化時(shí)，其對(duì)特定滑裂面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的影響.為此需要假定各不同截面尺寸傳力洞，并分別計(jì)算各種不同截面?zhèn)髁Χ磁c無(wú)傳力洞作用時(shí)滑裂面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，比較各不同截面?zhèn)髁Χ刺幚砬昂蠡衙婵够€(wěn)定安全系數(shù)的變化情況.

在計(jì)算時(shí)假設(shè)滑裂面走向與壩軸線的夾角為30°，考慮到實(shí)際工程可能情況，將傳力洞的軸線方向與滑裂面走向布置成80°交角(見(jiàn)圖3)，分別分析有無(wú)設(shè)置傳力洞的情況下，拱壩壩肩穩(wěn)定安全系數(shù)變化情況.

圖3 傳力洞與滑裂面平面位置示意圖

根據(jù)《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL282—2003)，拱壩壩肩穩(wěn)定(點(diǎn)、面)安全系數(shù)的抗剪公式為：

(1)

(2)

式中：Kp—特定軟弱結(jié)構(gòu)面上計(jì)算點(diǎn)的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，簡(jiǎn)稱點(diǎn)安全系數(shù)；

Kf—沿特定軟弱結(jié)構(gòu)面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，簡(jiǎn)稱面安全系數(shù)；

fi—計(jì)算點(diǎn)處軟弱結(jié)構(gòu)面的抗剪摩擦系數(shù)；

σi—計(jì)算點(diǎn)處軟弱結(jié)構(gòu)面的法向壓應(yīng)力；

τi—計(jì)算點(diǎn)處軟弱結(jié)構(gòu)面的剪應(yīng)力在滑動(dòng)方向上的分量(即切向應(yīng)力)；

Ai—計(jì)算點(diǎn)所代表的軟弱結(jié)構(gòu)面的面積.

計(jì)算時(shí)取滑裂面的單位寬度.沿滑裂面走向?qū)⑵渚譃?0小段，取每小段的首尾兩點(diǎn)作為應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)，共計(jì)21個(gè)應(yīng)力計(jì)算點(diǎn).每個(gè)應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)所代表的滑面范圍為與該點(diǎn)相連的兩小段滑面之和的一半.

通過(guò)有限元計(jì)算，可以得到各應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)的六個(gè)應(yīng)力分量，即σix、σiy、σiz、τixy、τiyz和τixz.

設(shè)滑動(dòng)面的外法線方向余弦分別為l，m，n.根據(jù)彈性力學(xué)的有關(guān)原理，各應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)所代表結(jié)構(gòu)面的應(yīng)力分量pix、piy和piz為：

(3)

則各應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)所代表結(jié)構(gòu)面上的法向壓應(yīng)力σi為：

σi=l·pix+m·piy+n·piz

將上式展開可得:

σi=l2σix+m2σiy+n2σiz+
2lmτixy+2mnτiyz+2nlτizx

(4)

可得各應(yīng)力計(jì)算點(diǎn)所代表結(jié)構(gòu)面上的切應(yīng)力τi為：

(5)

將各點(diǎn)的σi和τi代入公式(1)和式(2)中，就可以求得可能滑動(dòng)結(jié)構(gòu)面各計(jì)算點(diǎn)的點(diǎn)抗滑安全系數(shù)Kp和結(jié)構(gòu)面的面抗滑安全系數(shù)Kf.

2 計(jì)算成果分析

針對(duì)設(shè)置傳力洞處理和未設(shè)置傳力洞處理兩種情況，分別建立拱壩和地基的整體分析三維有限元模型，對(duì)未布置傳力洞和布置了不同截面?zhèn)髁Χ吹耐换衙娴狞c(diǎn)、面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)進(jìn)行分析計(jì)算.設(shè)置傳力洞后滑裂面各點(diǎn)抗滑安全系數(shù)與未設(shè)置傳力洞的滑面點(diǎn)抗滑安全系數(shù)比較(見(jiàn)圖4～圖8)，表中橫坐標(biāo)表示滑面上各計(jì)算點(diǎn)，縱坐標(biāo)表示各點(diǎn)的抗滑安全系數(shù).

不同半徑傳力洞情況下滑面的面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)(見(jiàn)表1).

圖4 傳力洞半徑R=1.0 m

圖5 傳力洞半徑R=1.5 m

圖6 傳力洞半徑R=2.0 m

圖7 傳力洞半徑R=2.5 m

圖8 傳力洞半徑R=3.0 m

表1 不同半徑傳力洞情況下滑裂面的面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)表

傳力洞半徑/m無(wú)傳力洞1．01．52．02．53．0面安全系數(shù)0．7150．8550．9320．9140．8090．752安全系數(shù)增幅/%/19．5829．0927．8313．155．17

根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果可見(jiàn)，設(shè)置了傳力洞后，一般情況下滑裂面的抗滑安全系數(shù)是提高的，但傳力洞的半徑不同，其對(duì)滑裂面增穩(wěn)的幅度不同，而且增穩(wěn)幅度并不一定隨著傳力洞半徑增大而單調(diào)遞增.

根據(jù)抗滑安全計(jì)算公式(1)和(2)，影響安全系數(shù)的指標(biāo)主要是滑裂面上的正應(yīng)力σi和剪應(yīng)力τi，設(shè)置了傳力洞以后，拱壩傳至壩肩的推力，部分由傳力洞承擔(dān)，傳至滑面之后的堅(jiān)固巖體，因此在傳力洞影響范圍內(nèi)，滑裂面上的正應(yīng)力分量和剪應(yīng)力分量是同時(shí)減少的.當(dāng)改變傳力洞的半徑后，傳力洞剛度相應(yīng)改變，其承擔(dān)的壩肩推力也改變.當(dāng)傳力洞的剛度太大時(shí)，壩肩推力大部分由傳力洞承擔(dān)，又由于特定的傳力洞方向，導(dǎo)致滑面上的正應(yīng)力很小，就會(huì)出現(xiàn)傳力洞半徑增大而滑面抗滑安全系數(shù)不隨之增大的情況.這一點(diǎn)從圖4～圖8中滑裂面在傳力洞附近點(diǎn)(3～7號(hào)點(diǎn))的抗滑安全系數(shù)變化規(guī)律也可以看出，當(dāng)傳力洞半徑達(dá)到3.0 m時(shí)，這幾個(gè)點(diǎn)的安全系數(shù)反而降低.

3 結(jié) 論

傳力洞對(duì)處理拱壩軟弱破碎帶基礎(chǔ)具有較好的效果，實(shí)際工程中應(yīng)用也很普遍.本文分析了不同半徑傳力洞對(duì)特定滑裂面抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的影響.結(jié)果表明，傳力洞的設(shè)置對(duì)軟弱破碎帶內(nèi)的特定滑裂面抗滑安全通常是有利的，但當(dāng)傳力洞半徑設(shè)置不當(dāng)時(shí)，也有可能反而不利于滑裂面的抗滑穩(wěn)定，這一點(diǎn)在實(shí)際工程的設(shè)計(jì)中應(yīng)該引起重視.

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Effect of Concrete Plug Section on Abutment Stability of Arch Dam

WU Dang-zhong1, WANG Mao-rong2
(1.Zhejiang Zhongshui Engineering Technology Co., Ltd, Hangzhou 310020, China; 2.Zhejiang College of Construction, Hangzhou 311321, China)

Concrete plug has a good effect on the treatment of soft fracture zone of arch dams, and it is also widely used in practical engineering. The three-dimensional finite element model of arch dam and its foundation is modeled, and the influence of concrete plugs with different semidiameter on anti-sliding stability of specific sliding surface in soft foundation is also analyzed. The results show that the setting of concrete plugs is often beneficial to the specific sliding surface in soft fracture zone, but when the semidiameter of the concrete plugs is not suitable, there may be disadvantageous to sliding stability, as an added note.

dam foundation treatment; concrete plug; fault fracture zone; limited element

2016-09-26

吳黨中(1978-)，男，江西東鄉(xiāng)人，博士，高級(jí)工程師，主要從事水電站設(shè)計(jì)和水工建筑物加固工作.

TV642.4

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1008-536X(2017)02-0029-04