拱壩壩基彈模與傳力洞增穩(wěn)效果的相關(guān)性分析

謝中凱++葉居?xùn)|

摘要 當(dāng)拱壩基礎(chǔ)有較大范圍的不連續(xù)面或斷層時(shí)，設(shè)置傳力洞是一種較為有效的加固方案。然而，傳力洞與壩肩巖體的相互作用機(jī)理卻鮮見報(bào)道。以葫蘆口水電站為工程實(shí)例，通過不斷修改有限元模型中壩肩巖體的彈性模量，使用剛體極限平衡法分析了壩肩彈模與傳力洞增穩(wěn)效果的相關(guān)關(guān)系，結(jié)果顯示壩肩彈模較低的情況下傳力洞的增穩(wěn)效果更好。

關(guān)鍵詞 傳力洞；三維有限元分析；壩基彈模；增穩(wěn)效果；相關(guān)性

中圖分類號(hào) TV223 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2017）08-0176-02

Correlation Analysis Between Elastic Modulus of Dam Foundation and Reinforcement Effect of Concrete Plug

XIE Zhong-kai 1 YE Ju-dong 2

（1 Zhejiang Institute of Hydraulics & Estuary，Hangzhou Zhejiang 310020； 2 Institute of Hydro-Structure and Water Environment Research，

Zhejiang University）

Abstract Concrete plug will be an effective reinforcement method when the arch dam foundation suffer to large range of discontinuity or fault.However，the interaction mechanism theory between concrete plug and dam foundation is rarely reported.Therefore，based on the case study of Hulukou Hydropower Station，elastic modulus of dam foundation was continuously modified in finite element model，the rigid limit equilibrium method was applied to analyze the relationship between the elastic modulus of dam foundation and the reinforcement effect of concrete plug.The results showed that lower elastic modulus of dam foundation would enhance the effect of concrete plug reinforcement.

Key words concrete plug；3D finite element analysis；elastic modulus of dam foundation；reinforcement effect；correlation

拱壩是在平面上呈凸向上游的拱形擋水建筑物，借助拱的作用將水壓力的全部或部分傳給河谷兩岸的基巖，是一種超載能力強(qiáng)、安全性高的壩工結(jié)構(gòu)，并且相對(duì)于同一壩址處相同高度的其他壩型，可節(jié)省工程量。雖然拱壩對(duì)建壩基礎(chǔ)的要求較高，但是綜合基礎(chǔ)處理后的工程造價(jià)往往仍然低于其他壩型。因此，拱壩在我國(guó)高壩建設(shè)中占有重要地位。

相比拱壩結(jié)構(gòu)自身，壩肩的穩(wěn)定問題通常是導(dǎo)致拱壩失穩(wěn)或破壞的罪魁禍?zhǔn)譡1]，因而有關(guān)壩肩加固的研究一直是拱壩相關(guān)課題中的熱點(diǎn)問題。施工過程中，在面對(duì)壩肩有較大范圍的不連續(xù)面或斷層時(shí)，通常會(huì)設(shè)置一道或者多道傳力洞結(jié)構(gòu)[2]，將壩肩的巨大推力傳至新鮮或完整堅(jiān)硬的巖體，從而保證壩肩的穩(wěn)定和壩體的安全。傳力洞作為處理拱壩壩肩基礎(chǔ)的有效方式，在越來越多的拱壩工程中得到應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外成功應(yīng)用傳力洞處理拱壩壩肩基礎(chǔ)問題最具代表性的工程有龍羊峽重力拱壩、李家峽雙曲拱壩以及前南斯拉夫的母拉丁其壩等。然而，傳力洞在工程中的應(yīng)用較粗放，對(duì)設(shè)計(jì)人員的主觀經(jīng)驗(yàn)依賴性也較強(qiáng)，其理論研究尚落后于實(shí)際應(yīng)用，與壩肩巖體的相關(guān)關(guān)系更是鮮有報(bào)道。研究分析傳力洞與壩肩巖體的相互作用機(jī)理，有望從理論上為傳力洞的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和新的思路。

傳力洞與拱壩壩肩巖體的相關(guān)關(guān)系包含內(nèi)容繁多，本文僅從分析壩肩巖體彈性模量的角度出發(fā)，試圖評(píng)估壩肩巖體彈模的改變對(duì)傳力洞增穩(wěn)效果的影響[3]?；诠皦蔚膶?shí)際工況，分別在增設(shè)傳力洞前后使用ANSYS軟件進(jìn)行三維有限元分析計(jì)算，并結(jié)合傳統(tǒng)的剛體極限平衡法對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行后處理，最終評(píng)價(jià)壩肩彈模與傳力洞增穩(wěn)效果的關(guān)系。

1 計(jì)算方法

現(xiàn)行《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 282—2003）規(guī)定，拱座抗滑穩(wěn)定的數(shù)值計(jì)算方法，以剛體極限平衡法為主，1、2級(jí)拱壩或地質(zhì)情況復(fù)雜的拱壩還應(yīng)輔以有限元法或其他方法進(jìn)行分析。本文依據(jù)三維有限元方法計(jì)算得到拱端力系，然后在后處理時(shí)使用剛體極限平衡法計(jì)算壩肩巖體穩(wěn)定。按照剛體極限平衡法，采用抗剪斷公式：

Kfc=（1）

式（1）中，Kfc為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；ΣN1為垂直于側(cè)滑面的法向力（扣除揚(yáng)壓力）；ΣN2為垂直于底滑面的法向力（扣除揚(yáng)壓力）；ΣT為沿滑動(dòng)方向的滑動(dòng)力；A1為側(cè)滑面的面積；A2為底滑面的面積；f1′為側(cè)滑面加權(quán)平均抗剪斷摩擦系數(shù)；f2′為底滑面加權(quán)平均抗剪斷摩擦系數(shù)；c1′為側(cè)滑面加權(quán)平均凝聚力；c2′為底滑面加權(quán)平均凝聚力。

2 工程實(shí)例

葫蘆口水電站位于云南省德宏州梁河縣境內(nèi)的大盈江左支南底河上，電站的建成對(duì)梁河縣緩解電力供需壓力、促進(jìn)工農(nóng)業(yè)發(fā)展具有積極的作用。該工程采用拋物線雙曲變厚拱壩，壩體混凝土材料等級(jí)為C15，壩頂高程1 016 m，防浪墻頂高程1 017.2 m，壩底高程978 m，最大壩高38 m。工程規(guī)模為Ⅳ等，主要建筑物級(jí)別為4級(jí)[4]。

2.1 傳力洞布置

由于左岸壩肩中部高程發(fā)育有順河向的陡傾斷層帶，為防止拱端推力作用下該斷層帶發(fā)生較大的壓縮變形或蠕變變形，進(jìn)而對(duì)壩體應(yīng)力和壩肩穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響，在左壩肩中部略偏下高程位置設(shè)置一個(gè)傳力洞，將拱端推力傳至基巖深部，以確保大壩安全。傳力洞的洞口中心高程為993.0 m，洞長(zhǎng)30 m，洞身斷面為4 m（寬）×5 m（高）城門洞形，傳力洞的洞口處以1∶3坡度漸變?yōu)? m（寬）×7 m（高），洞身按1∶4的坡度向下傾斜[5]。洞軸線與拱壩上、下游軸線在平面上投影的夾角為36°，傳力洞回填混凝土強(qiáng)度為C20，其立面布置如圖1所示。

2.2 建模及材料參數(shù)

采用分層小塊體方法進(jìn)行壩肩穩(wěn)定分析，使用ANSYS軟件將拱壩由壩頂至壩底劃分為14層，模型采用SOLID45八節(jié)點(diǎn)等參單元。

根據(jù)地質(zhì)勘探資料，有限元計(jì)算所取參數(shù)如表1所示（γ為容重，E為彈模，μ為泊松比，α為熱膨脹系數(shù)）。其中，計(jì)算時(shí)只考慮對(duì)壩體施加溫度荷載[6-8]。因此，其余部分熱脹系數(shù)不再給出。

2.3 彈模相關(guān)性分析

傳力洞通過置換壩肩基礎(chǔ)的軟弱破碎帶，發(fā)揮自身彈模大的特點(diǎn)，以較小的壓縮變形承受拱端傳遞過來的推力，從而避免壩肩產(chǎn)生過大的位移變形，以保證拱壩安全運(yùn)行。這一切都是建立在壩肩彈模低而傳力洞的彈模高的基礎(chǔ)上。因此，有必要深入探討壩肩彈模與傳力洞增穩(wěn)效應(yīng)間的關(guān)系。

以設(shè)計(jì)工況（正常蓄水位+泥沙壓力+自重+溫降）為例，在有限元模型中不斷修改左壩肩的彈性模量（1.5～2.3 GPa，步長(zhǎng)為0.1 GPa），選取左壩肩第10層巖體考察壩肩彈模的改變對(duì)傳力洞增穩(wěn)效果的影響。圖2、3分別展示了設(shè)計(jì)工況下第10層壩肩滑移體在左壩肩不同彈性模量下的穩(wěn)定系數(shù)以及增設(shè)傳力洞之后抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)（Kfc）的提升率。

如圖2所示，左壩肩在不同彈模情況下，增設(shè)傳力洞之后，第10層滑移體的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)均有一定提升。并且，隨著左壩肩彈模的增加，該系數(shù)在增設(shè)傳力洞前后均呈下降趨勢(shì)。當(dāng)左壩肩的彈模達(dá)到2.3 GPa時(shí)，第10層滑移體的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)降到2.98，低于規(guī)范要求（3.0）。如圖3所示，隨著壩肩彈模的增加，Kfc提升率逐漸降低。這就說明，當(dāng)壩肩基巖的彈模較低時(shí)，傳力洞能夠起到增穩(wěn)作用并滿足規(guī)范要求，而隨著壩肩基巖彈模的不斷增加，傳力洞的增穩(wěn)效果也不斷降低，當(dāng)壩肩基巖彈模增加到一定程度時(shí)，傳力洞的增穩(wěn)效果將不能滿足規(guī)范要求。這時(shí)，需要適當(dāng)增加傳力洞的截面尺寸，才能滿足抗滑穩(wěn)定需求，保持壩肩的穩(wěn)定。

3 結(jié)論

本文基于三維有限元和傳統(tǒng)的剛體極限平衡方法，結(jié)合工程實(shí)例探討了不同壩肩彈模下傳力洞的增穩(wěn)效果，認(rèn)為傳力洞在壩肩彈模較低的情況下其增穩(wěn)效果更加明顯。然而，這并不表示在拱壩壩肩加固過程中可以無限制地增加傳力洞的剛度（如加大截面），因?yàn)檫@樣會(huì)導(dǎo)致壩基綜合彈模遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)情況，從而使得壩體應(yīng)力上升過高，給大壩安全運(yùn)行帶來負(fù)面影響；同樣也不能放任壩基巖體破碎而不顧，這會(huì)使巨大的拱端推力集中作用于傳力洞之上，產(chǎn)生較大的壓縮變形，最終影響壩肩穩(wěn)定[3]。具體到傳力洞加固方案的設(shè)計(jì)則需要更加嚴(yán)密的理論推導(dǎo)和計(jì)算分析，基于此，再結(jié)合本文研究成果或可通過調(diào)整傳力洞的剛度獲得最經(jīng)濟(jì)合理且有效的拱壩壩肩加固方案，可以有效延長(zhǎng)拱壩的使用壽命。

4 參考文獻(xiàn)

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

[2] 白俊光，林鵬，李蒲健，等.李家峽拱壩復(fù)雜地基處理效果和反饋分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27（5）：902-912.

[3] 劉先珊，周創(chuàng)兵，王軍.復(fù)雜條件下高拱壩應(yīng)力及壩肩穩(wěn)定分析[J].巖土力學(xué)，2008，29（1）：225-229.

[4] 李遠(yuǎn)輝.富川水電站拱壩應(yīng)力與穩(wěn)定設(shè)計(jì)計(jì)算研究[D].南昌：南昌大學(xué)，2012.

[5] 黃華新.湖北恩施青龍水電站碾壓砼雙曲拱壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)，2012.

[6] 王振中.傳力洞在大壩破碎帶基礎(chǔ)中的應(yīng)用研究[J].低碳世界，2016（22）：120-121.

[7] 李正兵，張立展.綜合加固處理技術(shù)在錦屏高拱壩左岸壩基中的應(yīng)用[J].長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào)，2015（9）：123-127.

[8] 朱瑜，費(fèi)悅.傳力洞在大壩破碎帶基礎(chǔ)中的應(yīng)用[J].浙江水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2014（3）：35-37.