（水工结构工程专业论文）传力洞在处理拱坝软弱破碎带基础中的应用.pdfVIP

浙江大学硕士学位论文 摘要 拱坝坝肩的地质条件对拱坝安全运行至关重要，因此拱坝总是力争选择在断 层及其它软弱破碎带较少，地质条件良好的地区，但很少能完全避开地质缺陷， 常会在建基面上或多或少地遇到各种不良地质情况。因此，基础处理对每个拱坝 基础来说必不可少。 传力洞是用于处理大面积软弱破碎带拱坝基础的有效措施，并且己广泛应用 于国内外重大拱坝工程的基础处理之中。然而针对传力洞的研究明显落后于其应 用，以至于工程师们往往凭经验确定传力洞的截而尺寸。由于传力洞截面尺寸不 合适，常不能达到设计预期的处理效果，甚至有可能危及大坝的安全。 有鉴于此，本文在前人工作成果以及参考其他行业经验的基础上，采用弹簧 模型，通过理论分析，导出可以用于实际工程的确定传力洞截面尺寸的公式。并 且通过数值分析方法，编制出求传力洞截面尺寸的计算程序，进一步简化了传力 洞截面尺寸推求的困难。通过实例对理论公式计算结果和有限元程序计算结果进 行比较对比，证明了理论公式是可以运用于工程实际中的。 关键词坝基处理传力洞断层破碎带有限元弹簧模型 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t g e o l o g i c a lc o n d i t i o nf o ra r c hd a ma b u t m e n ti sm o s ti m p o r t a n td u r i n gr u n n i n go f a r md a m w eu s u a l l yc h o o s ead a ms i t ei nt h ea r e an of a u l ta n dg o o dg e o l o g i c a l c o n d i t i o n s ，b u tw ec a nb a r e l ya v o i da l l t h eg e o l o g i c a ld e f e c t s s oi t s a b s o l u t e l y n e c e s s a r i l yt ob et r e a t e df o re v e r yd a mf o u n d a t i o n ， c o n c r e t ep l u gi sae f f e c t i v em e a s u r ef o rt r e a t i n ga r c hd a mf o u n d a t i o ni nf a u l t b r o k e nz o n e ，a n di tw a sg e n e r a la p p l i e di nag o o dd e a li m p o r t a n tc o n s t r u c t i o n sa t h o m ea n da b r o a d t h et h e o r yo nc o n c r e t ep l u gf o rf o r c et r a n s m i s s i o ni sn o tf u r t h e r t h a nt h ep r a c t i c eo ni ts ot h a te n g i n e e r sd e s i g nc o n c r e t ep l u g sb ye x p e r i e n c e i tc a n t r e a c he x p e c te f f e c tb e c a u s eo fa nu n s u i t a b l es e c t i o ns i z eo ft h ec o n c r e t ep l u ga n de v e n c a nd oh a r mt ot h es a f e t yo ft h ea r c hd a m i nv i e wo ft h i ss i t u a t i o n ，ap r a c t i c a lf o r m u l a ef o rd e s i g n i n gt h es e c t i o ns i z eo f c o n c r e t ep l u gw a sd e r i v e db ya d o p t i n gas p r i n gm o d e lb a s e do nt h ep r e v i o u sw o r k s a n dac a l c u l a t i o np r o g r a mf o rc o n c r e t ep l u gh a sb e e nw r i t e rt h r o u g hn u m e r i c a l a n a l y s i s ，s ot h ed i f f i c u l t yo fd e s i g n i n gt h es e c t i o ns i z eo fc o n c r e t ep l u gw a sr e d u c e d f i n a l l y , ap r a c t i c a lp r o j e c tv e r i f i e st h a tt h ef o r m u l a ec a nb eu s e di ne n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：d a n af o u n d a t i o nt r e a t m e n t ；c o n c r e t ep l u gf o rf o r c et r a n s m i s s i o n ； f r a c t u r e dz o n ei nf a u l t ；l i m i t e de l e m e n t ；s p r i n gm o d e l 浙江大学硕士学位论文 第一章绪言 1 1 拱坝的发展及其特点 1 1 1 拱坝的发展 拱坝起源于欧洲。世界上的第一座拱坝为法国圣里米省南部的鲍姆拱坝， 该坝建造于古罗马时期，坝高1 2 m ，坝顶弧长1 8 m ，坝顶中心角7 3 。，弧高比 1 5 ，厚高比o 3 2 ，坝体结构与现代拱坝不一样，上下游由两堵砌石拱墙形成， 墙间用土料充填0 1 。 世界上最具代表性的拱坝是完建于2 0 世纪3 0 年代的美国西部的胡佛拱坝“。 胡佛拱坝实际上是一座重力拱坝，坝高2 2 1 m ，是世界上首座坝高2 0 0 m 的特高 拱坝，其泄洪能力也是第一次在拱坝工程中超过万立方米每秒的。 中国的拱坝修建始于近代，我国的第一座拱坝建造与1 9 2 7 年，即福建厦门 市的上里浆砌石拱坝，坝高2 7 m 。5 0 年代，我国修建了坝高2 0 m 左右的拱坝1 3 座，属于拱坝建设初期。6 0 年代，拱坝开始被人们注意，但建成也不过4 0 余座。 大量开始建设拱坝是在7 0 年代和8 0 年代，这个时期我国每l o 年建成的拱坝数 超过3 0 0 座。目前，我国拱坝的建设高度已达2 4 0 m ，但就建坝数量而言己成为 世界上的首位，世界上一半左右的拱坝建造于中国。 根据国际大坝委员会世界大坝登记( 1 9 8 8 ) 一书统计，截至1 9 8 6 年底， 全世界已建成坝高 二，1 5 m 的拱坝1 6 0 8 座( 占世界大坝总数3 6 2 3 5 座的4 4 ) ， 其中我国拱坝7 5 3 座，占全世界拱坝总数的4 6 8 。 在我国拱坝建设中，下面一些拱坝具有一定意义：响洪甸水坝( 1 9 5 8 ) 是我 国建成的第一座高拱坝；山江寨水坝( 1 9 5 6 ) 是我国第一座采用结合坝身泄洪的 拱坝；修文水坝( 1 9 6 1 ) 是我国第一座采用坝、厂和溢洪结构三位一体的厂顶溢 流式拱坝；窄巷口水坝( 1 9 7 0 ) 是我国第一座把拱坝置于拱桥上的“拱上拱”拱 坝；群英水坝( 1 9 7 1 ) 是我国第一座坝高超过百米的拱坝；天成( 台湾) 水坝( 1 9 7 4 ) 是我国最高的后倒双曲拱坝；欧阳海水坝( 1 9 7 6 ) 是我国第一座采用连续开孑l 泄 洪的拱坝；风潍水坝( 1 9 7 9 ) 是我国第一座空腹式和世界上泄量最大，达3 8 4 0 0 m 3 s 浙江大学硕士学位论文 的拱坝；龙羊峡水坝( 1 9 8 9 ) 是我国最高的重力拱坝，具有十分复杂的地质背景， 是世界上坝肩处理量和难度最大的两个高拱坝之一；二滩水坝( 1 9 9 9 ) 是我国最 高的双曲拱坝和水坝。目前我国正在筹建或正在建设中的超高拱坝有拉西瓦 ( 2 5 0 m ) 、锦屏一级( 3 0 5 m ) 、枸皮滩( 2 2 0 m ) 、小湾( 2 9 2m ) 和溪洛度( 2 7 8m ) 等。虽然我国的拱坝建设和技术起步比国外晚，但是在设计和施工技术上，已经 处于世界前列”1 。 1 1 2 混凝土拱坝的特点 拱坝是一种不甚规则的、变厚的、宏大的整体壳形结构，利用这种自然界常 有、土木界常用的拱壳，封堵河道，抵挡巨大的水沙压力及其他荷载。现今的拱 坝，特别是较高的拱坝多用混凝土建造。拱坝的整体，一般依靠横缝和纵缝的接 缝灌浆“联接”起各自独立浇筑的混凝土柱状坝体来形成，有时还要用边块与坝 肩岩体问的接触灌浆来最终实现。 混凝土拱坝受力和重力型混凝土坝受力的情况截然不同乜1 。从坝体本身来 说，前者主要依靠材料的各种强度，特别是抗压强度来保证大坝安全；后者则部 分依靠强度( 视具体坝型而定) ，但主要和最终依靠混凝土的有效重量来维持安 全稳定。混凝土是一种脆性材料，抗压强度高是其主要特点。前者有利于充分发 挥这个特点，获得经济效果；后者往往与此无缘。从结构作用来说，虽然重力坝 在某种意义上也并不完全是一种“静定结构”，也有其自身的一些调整能力，但 拱坝确实是具有极高超静定度的超静定结构，且其“超静定方式”不太相同，因 而其自身调节能力绝非重力型坝所能比。从坝踵这个重要部位来说，重力型混凝 土坝要求严格控制坝踵应力，在正常情况下不允许出现拉应力，必须保证坝踵不 开裂，灌浆帷幕不受破坏，否则后果常较严重。拱坝虽然对坝踵应力状态并非完 全没有要求，但总体上说，坝踵允许出现一些拉应力，只要控制在一定范围内并 在设计与帷幕布置中考虑到这个因素就行：或者拉应力虽较大，但开裂后大坝及 基础的应力和渗流进行过认真的设计校核( 含裂缝内的水压力) ，要求不出现不 可接受的工作状态即可。 以意大利的瓦依昂坝“”为例，该坝高2 6 5 m ，库容1 5 亿m 3 ，1 9 6 0 年建成， 1 9 6 3 年紧接坝头的左岸水库岸坡发生2 7 亿m 的高速岩石滑坡，涌浪爬高左岸 2 浙江大学硕士学位论文 约l o o m 、右岸约2 4 0 m ，过坝涌浪高在l o o m 以上，涌浪过后大坝除左岸坝项局部 破坏外，大坝一切完好。涌浪造成的夹带土石的涌浪水压力大于两倍正常水压以 上，而且是非均匀的冲击力。由此可见拱坝的实际安全度很大，其超载安全度， 抵御意外漫顶的能力，是其他重力型坝，尤其是土石坝根本不能与之相比的。山 区水库有时库岸存在不稳定地段，有时可能存在涌浪翻坝实际威胁：从另一方面 看，要查清水库库岸问题原则上都是可以的，但实际工作中有时又难以作出十分 肯定的结论。在这种情况下，拱坝安全性远高于当地材料坝，也比重力坝高。 在过去，国内外论著中提到拱坝的受力状态，关注点往往是坝身，涉及基础 者较少。近年来，愈来愈多的工程师在讨论拱坝受力时同时注意到了坝肩问题， 认识到，拱坝的安全性决定于坝体受压、两岸坝体的支承作用等等，这无疑是符 合拱坝近些年实践的。所以在讨论拱坝受力特点时，应该把拱坝和坝基( 含坝肩) 作为一个统一体来考虑，同时在不少情况下应更着重于坝基。当坝肩岩体足够大， 比较坚实完整和稳定可靠，拱坝主要受力特点乃坝身受压，作为脆性材料的混凝 土，可以充分发挥其强度优点，坝基岩体亦安全。当上述坝基岩体不理想，坝体 虽仍不同程度的具有上述特点，但由于坝基岩体的软弱或不连续面不同程度甚至 大面积的屈服，会恶化大坝的应力工作状况，使基础岩体或坝体受力情况均变得 更为复杂。但是，由于拱坝技术和基础处理水平的发展，可以在较深入理解基岩 岩体及其现存状况的基础上，作出有效的工程处理，以保证拱坝和基础的正常作 用在一定程度上得以恢复。 必须看到，重力型坝和拱坝的坝基岩体的受力情况也有差异。重力型坝基础 主要受力部位或可能破坏部分，多半是在坝基岩体的表浅部；拱坝( 设计得正常 的) 的主要受力部位或可能的破坏部分一般较深，这是因为：其一，拱坝置基一 般较深且应力高；其二，由于拱壳作用，在坝基岩体中传力较深，地基赋存条件 较好，并动用了较多的侧向约束；其三，拱坝坝肩总推力较重力型坝大。当然我 们也必须看到问题的另一面，那就是两种坝型的持力部位有些不一样，拱坝两岸 中高部位特别是中部受力较重力坝大，而河床部位较重力坝小，但由于河谷自然 形成的影响，常常是河床地质情况较两岸地质条件好，另外重力型坝坝基受力比 较稳定，而拱坝由于应力调整，坝基受力变化较大。 由于基础岩体情况多变，我们必须具体研究坝后岩体，特别是持力岩体的有 3 浙江大学硕士学位论文 关性态：有的坝肩岩体自身稳定存在一定问题：有的在接受坝体传力后会发生稳 定问题；有的由于地质结构面本身的存在或它们的穿插交切，造成坝基岩体各种 刚度和强度的降低乃至受荷后会破坏；有的两岸因构造和卸荷而形成大体平行岸 坡的结构面，甚至是开口的裂隙，从而孤立了两岸的持力体；有的因蚀变而造成 坝基的软弱不均。凡此种种，情况变化甚大，对不同岩体情况的处理完全不同， 拱坝基础的受力特点远较坝体复杂。 对于渗压作用，有的学者从拱坝体形和承受水压的工作特点出发认为，其影 响要比体积胖大、靠坝体有效重量维持大坝稳定的重力坝为小，这无疑是对的。 但是，如果考虑到基础破坏或者由于基础破坏而引起坝身的破坏，把“拱坝+ 基 础”作为拱坝的“统一体”来看，渗透对于拱坝同样不容忽视，甚至有时是十分 关键的因素。众所周知的一些拱坝事故甚至重大事故，其原因就是由于这个较难 直观看到的、潜在的、又实际难于控制的荷载。由于基础和地下水情况各异，只 能针对各坝具体情况作具体分析研究。 总之，对于坝体来说，拱坝的受力状态主要是承压，它有利于充分发挥混凝 土材料的抗压强度，但荷载及工作条件较为复杂；对于基础来说，其持力部位较 重力型坝深，岩体侧向约束强，岩体状况较表浅部位优良，但对基础的全面掌握 与具体处理难度较大，同时坝身与基础的关系更加密切。 拱坝由于其坝体受力特点，一般较之其他混凝土重力型坝混凝土用量少，造 价便宜。拱的作用发挥越充分，坝体体积就越小。对于有条件修建拱坝的坝址， 拱坝的体积比同一高度的重力坝大约可节省1 3 2 3 ，所以，从经济意义上讲， 拱坝是一种很优越的坝型。 由以上分析可见，拱坝是一种坝身及基础工作条件好，超载能力极强的坝工 结构，有最可靠的抵御意外洪水和涌浪翻坝的能力，抗震性能较好，垮坝事故率 低和耐久性能够得到保证的水坝，综合安全性很高，同时有较大的经济性删。 河流规划确定后，坝址选择是所有拱坝或其他大坝枢纽首先要经历的重要设 计步骤。拱坝设计中，除少数问题十分明确或规模不大的拱坝外，一般都有几个 坝址进行比较，通过一定数量的地质勘探和设计工作，选出最终坝址。坝址选定 的好坏，直接影响着工程的安全性、经济性、进度、建设难度，甚至日后的长期 运行。 4 浙江大学硕士学位论文 修建拱坝对选定的坝址地形和地质条件有相应的要求0 1 ： 1 地形条件往往是决定拱坝结构形式、工程布置以及经济性的主要因素。理 想的地形条件应是左右两岸对称，岸坡平顺无突变，在平面上向下游收缩的峡谷 端。坝端下游要有足够的岩体支承，以保证坝体的稳定。 2 地质条件是修建拱坝的一个关键问题。河谷两岸的基岩必须能承受由拱端 传来的巨大推力，要在任何情况下都能保持稳定，不致危及大坝的安全。理想的 地质条件是基岩比较均匀、坚固完整、有足够的强度、透水性小、能抗风化等。 实际上很难要求坝址地基完全没有节理、裂隙或者局部断层破碎带，但必须经过 严格的地基处理。 1 2 拱坝基础处理方法综述 拱坝基础处理旨在保证在整个建造和服务期限内，各种工作情况下，坝肩、 坝基具有必要的剐度、强度和渗流适应性；保证拱坝及其附近( 指拱坝下游坝肩、 坝顶上方、偶尔也含拱坝上游近坝区域) 人工或自然边坡的稳定，保证在开挖和 处理工作中，不影响或少影响坝基坝肩岩体的现存情况。 拱坝有别于其他任何一种大坝”“，其整体性要求特别高，而这种整体性在更 大程度上依赖于拱坝基础处理的好坏。世界上绝大多数失稳或破坏的拱坝中，纯 粹破坏于坝身者较少见，更多的破坏或严重事故，往往因拱坝基础问题引起。 拱坝基础处理应根据实际工程地形地质情况，选用合适的方法。常用的拱坝 基础处理方法有以下几种：帷幕灌浆、固结灌浆、基础排水、深挖回填砼塞( 断 层置换) 、铺设骑缝筋及表面锚筋、岸坡防护等。 l 帷幕灌浆 拱坝帷幕灌浆的作用在于：其一，减少两岸坝肩和河床坝基的渗透力，特别 是前者的渗透力，提高坝肩和坝基的稳定性：其二，防止基岩内发生机械或化学 管涌，特别是在断层、软弱岩层和岩溶多的地基中；其三，降低坝肩地下水位， 使坝肩岩体尽量处于相对干燥状态，防止软化，这对砂岩、黏土岩等一类软岩地 区的拱坝比较重要；其四，减少水量损失，这对岩溶地区的拱坝比较重要。 防渗帷幕在水平或垂直向的设置范围，与坝区地质情况和工程情况密切相 关。如果在较浅较近处有不透水层，可将防渗帷幕接至该层，这样形成的帷幕是 浙江大学硕士学位论文 封闭帷幕。如果没有不透水层，只有相对不透水层，帷幕可与之相接，其效果大 体与前述情况相差无机，基本上仍属封闭状态，或可称为准封闭式帷幕。如果不 透水或相对不透水层很深很远，从技术上经济上看防渗帷幕不可能与之相接，则 防渗帷幕不必非设计成封闭型，可采用“悬挂式” z o l 。只要从基础岩体的渗透稳 定性、渗水量、大坝和基础的抗滑稳定性观点衡量可以被接受即可。 拱坝的防渗帷幕，除有特殊布置要求，一般不沿拱坝拱顶切线方向插入山体， 常由坝头拐向上游。防渗帷幕在剖面上，对较高的拱坝，一般都开挖平洞形成灌 浆廊道，在廊道内具体进行。对于薄拱坝也可以考虑从拱坝下游坝面倾向上游打 设钻孔进行灌浆，形成倾斜防渗帷幕。 防渗帷幕灌浆几乎都用水泥灌浆实现，但近年来，国内外也有一些工程采用 化学灌浆汹1 。 帷幕灌浆一般采用逐次加密，分序进行的方法。第一序孔的孔距可为8 1 2 m ，其它各序对半递减，直至符合标准规定的单位吸水率为止。当然，对于重 要工程，孔距、排距、灌浆压力等均应由灌浆试验决定。 2 固结灌浆 固结灌浆可分为坝基固结灌浆和深层特殊灌浆两部分，前者普遍均有，后 者仅在特殊需要时才进行。拱坝建基面上总有不同程度中各种不同的不连续面或 软弱破碎带，有时也有无法清除的爆破裂隙等，而且基坑面上承接大坝传给岩体 的应力又恰巧最大，作为一种提高基岩实际承载能力和刚度的补充措施，固结灌 浆在拱坝基础处中是必不可少的。岩基经过固结灌浆后，弹性模量e 值一般都有 所提高，较差的岩石提高的幅度大，甚至可达l 倍以上，反之提高幅度降低。 固结灌浆的深度，各坝所采用者有相当差距。一般百米以下的拱坝，深度大 体在5 1 5 m ；百米以上的拱坝可以是1 0 2 5 m ，具体应该视地质情况而定。 固结灌浆也应采用逐步加密法，最终孔距多在3 m 左右。固结灌浆中，孔、 排距常用相同的数值，对于基岩破碎的地区，孔距要适当加密。固结灌浆的平面 布点型式有六角、菱形、方格形和梅花形，但梅花形更多。对于坝基岩体较破碎 的地区，常局部加密。对于钻孔孔向，则应以考虑尽可能多穿透一些裂隙为主要 依据。 3 基础排水 6 浙江大学硕士学位论文 拱坝基础排水是基础处理中一项极为重要的措施，特别对于透水性弱的地 基。拱坝基础排水的目的，在于降低防渗帷幕后基础中的渗浮力，增加两岸岩体 的稳定性，防止软弱坝基或含泥质多的不连续面承载能力的降低，增加近坝贴岩 石建造的混凝土结构的稳定性。 排水孔的深度，一般情况下可按防渗帷幕孔深的1 3 2 3 和水库水深的 1 5 2 5 考虑，对于重要工程，宜通过有限元等方法加以分析或试验，最终认证 和确认。对于排水孔的孔距，一般以3 4 m 为宜，我国拱坝大多数都是这个数 值。排水孔与帷幕孔之间的距离，一般认为距离越小排水效果越好，但愈靠近帷 幕，将产生过大的渗透坡降，帷幕愈易遭破坏。排水孔与帷幕下游侧的距离应不 小于防渗帷幕孔中心距的i 2 倍，且不得小于2 4 m 是比较合适的。 4 断层及软弱破碎带的表面处理 拱坝总是力争选择在断层及其它软弱破碎带少，地质条件良好的地区，但很 少能完全避开这类地质缺陷，常会在建基面上或多或少地遇到断层、剪切带、挤 压破碎带、蚀变带、软弱夹层、岩溶溶蚀带等，这些出现在基坑范围内的断层或 其它软弱破碎带，基本上呈条带状，大者为数米或十几米，可以是顺河、横河或 与河流斜交，产状各异。这些地质缺陷，常为麇棱物质、有泥质物充填，承载能 力和抗变形能力极差，变形模量常仅数百到2 0 0 0 m p a 间，渗透性强，抗渗稳定 性差，必须认真处理。 对于基坑内出露的断层，如果胶结较好，规模很小( 例如数十厘米) ，没有 泥质物，则其表部只需加强一些坝基常有的固结灌浆即可( 或在坝体内加设少量 的骑缝筋) 。一般说，断层表部应该进行较严格的处理，主要处理方法是在断层 表部适当下挖后做混凝土塞，并对其周围和下面的破碎物质补以固结灌浆。 断层表部作混凝土塞的主要目的，是使塞体附近的坝体，不因断层的存在而 过分恶化其工作条件；同时也可以使坝基水力梯度最大部分的渗流条件有所改 善。当然为保证前者，塞体本身的正常工作条件也不应该被破仡。 在某些情况下，对于不太大的断层，也可以考虑不设置表部混凝土塞，但在 坝体中设置跨断层的钢筋。 5 岸坡防护 拱坝下游、坝顶以上，甚至某些情况时上游附近的人工或自然边坡，只要对 7 浙江大学硕士学位论文 大坝及其基础在永久运行期或施工期的安全有影响，都应进行处理。这种处理包 括不稳定岸坡的开挖减载、内部锚锁、外部支护、预应力岩锚、岸坡表面处理、 排水等( 当然还不应忘记观测) ，采取的措施应该是综合的。 在岸护处理中使用地下混凝土或钢筋混凝土锚索办法的，在我国首先是其他 土木工程部门。使用较多的是抗滑桩，但尺度一般不大。在各种水利水电工程岸 坡处理中使用过的地下混凝土和钢筋混凝土锚固措旌，除抗滑桩外，还有各种纵 横向抗剪洞塞、地下拐臂结构、锚拉洞塞等等。 拱坝两岸人工或自然边坡，如果没有深度稳定问题，或者虽然有但已经处理， 能保证其整体稳定性后，坡面岩石在开挖、施工、长期运行乃至地震情况下的安 全性就是重要的了这方面的工作包括危石清理、浮石清理、表面锚固、喷浆或 喷混凝土，表面梁、贴坡柱和格框加固、防护墙、防护网、表面排水等。 表层锚固是一项重要的坡面处理措施，最常使用的是系统锚杆。表层锚固一 般用轻型钻( 例如手风钻) 进行钻孔，锚固深度不深，常在4 m 左右，孔距大致 1 5 3 m 不等，视具体情况而定。锚筋常用螺纹钢，中2 5 即可。当然在表层锚固 中，也有使用所谓的“钢筋桩”者，一般在孔深1 5 m 以内。目前国内多采用潜 孔钻钻孔，然后插入集束钢筋，例如龙羊峡拱坝是插入3 根中3 2 钢筋。 对于软岩、岩石较破碎、有防止继续风化、剥落和软化的情况时，较常用的 方法是喷浆、喷混凝土或干脆设置混凝土防护层( 包括对建基面的临时保护) 。 6 基础扩大与回填 由于坝体和基础岩体的许可应力一般不一致，对于软基和较差地基上的拱 坝，后者有时低于前者，拱坝基础部分往往要扩大一些。扩大基础可以使拱端应 力趋于均匀，有利于坝肩岩体内部应力扩散，另外还可以收到一些“强化”基础 刚度的效果。有时拱坝在基础上下游扩大部分布置钻机进行灌浆或排水孔的施 工，有的在其上设置交通通道，以满足各种要求。由于这些力学上和构造上的要 求，拱坝坝肩几乎都不同规模不同形式地予以扩大。 一种情况是坝头突扩。例如日本1 4 0 m 高的川治拱坝【6 5 l ，在5 8 0 m 高程拱圈 左坝头突然向上、下游扩大。有时为了施工方便，坝头部位并不特意扩大开挖， 而是利用上、下游面的边坡，不设立模板，采用满堂混凝土回填浇灌的形式，也 可以取到与扩大基础同样的效果。例如我国龙羊峡”左坝头情况，贵州白水泉大 8 浙江大学硕士学位论文 坝河床部位基础以及云南葫芦口大坝左坝肩情况均采用这种满堂回填浇筑混凝 土的形式，取到很好的效果。 其它情况还有渐变型扩大以及坝后人造地形等。 1 3 问题的提出和本文的主要内容 1 3 1 问题的提出 拱坝的近坝基础( 含坝肩) 常很难避免有一定规模( 例如数米厚) 的不连续 面存在，这些不连续面当拱坝持力后，往往发生甚大的变位错移，即集中发生于 断层等内部的断层集中变位。这种变位可反映为集中压缩，集中剪切和拉伸( 常 体现为拉开) ，由之常造成过大的坝基变位而导致拱坝失去正常工作的能力。另 外一种情况是坝肩受力后，沿这些断层大面积发生屈服，进而坝基坝肩失稳。对 于上述两种情况，采用上节所提及的各种坝基处理方法，仍不能彻底解决坝基坝 肩的稳定问题。为此必须对这些不良坝基进行深部处理。 据不完全统计，国内外至少有4 0 座以上的高、中拱坝近坝断层进行了深部 特殊处理。深部特殊处理的主要方法是进行地下开挖，设置各种各样的地下混凝 土或钢筋混凝土的传力结构，使坝肩的巨大推力，通过这些传力结构，避开坝基 的不连续面和断层破碎带，传至山体深度新鲜或完整坚硬的岩体，从而保证坝肩 的稳定。最常见的方法是在两岸坝肩的适当位置设置一层或多层传力洞结构。 然而长期以来，工程界对传力洞在坝基深部处理中的作用仍存在不同看法， 对传力洞将坝肩推力传至深部完整基岩，从而避开表面软弱层，避免坝肩产生过 大变位的理论不甚清楚。以往在用传力洞时对坝基进行深部处理时，工程师们常 凭借经验确定传力洞的尺寸和形状，由于传力洞截面尺寸设计的不合理，难免会 产生处理效果达不到设计的预期效果。如果传力洞截面尺寸过小，在拱端推力的 作用下，其压缩变形将很大，从而影响坝肩稳定；若传力洞的截面尺寸过大，不 仅在经济上不合理，而且可能使处理后的坝基综合变形模量远大于设计取用的变 形模量，从而导致坝体应力远大于计算值，同样也会给大坝的安全运行留下不可 忽视的隐患。 9 浙江大学硕士学位论文 1 3 2 本文主要工作 鉴于上述实际困难，本文试图通过理论计算方法，证明传力洞在解决坝肩大 面积软弱破碎带基础处理问题中是有效的。并且通过理论推导方法和有限元分析 方法，给出了确定传力洞截面理论值的依据，为今后实际工程中传力洞大小的确 定提供参考。 第二章作为本文的重点之一，笔者先归纳了拱坝基础各种深部特殊处理的方 法，并重点介绍了作为深部特殊处理方法的传力洞在拱坝软弱破碎带基础处理中 的应用。然后从传力洞的作用机理出发，阐述了为保证大坝安全而正确拟定传力 洞合适截面尺寸的重要性。针对工程界存在对传力洞在处理拱坝大面积软弱破碎 带基础作用效果的怀疑，笔者在文中分别列举了国内外最具代表性的三个工程一 一龙羊蛱重力拱坝、李家峡双曲拱坝和前南斯拉夫地区坶拉丁其拱坝作为典型实 例，介绍了传力洞在这些工程中的成功应用，从而证明了传力洞应用于拱坝大面 积软弱破碎带基础处理中确实有效。根据笔者的实际工程经验，并从实用基础出 发，本章还简单介绍了传力洞轴线的拟定方法和传力洞在施工中应重点注意的一 些事项。 迄今为止，传力洞应用于拱坝基础深部特殊处理已是非常普遍，然而针对传 力洞的理论研究却鲜有报道。为了解决工程师们在设计传力洞时不能准确拟定传 力洞截面尺寸的问题，在前人工作成果以及参考其他行业经验的基础上，本文在 第三章根据弹簧理论，建立数学模型，利用解析方法，推导出确定传力洞截面尺 寸的理论公式。为了进一步简化确定传力洞截面尺寸的步骤，笔者通过有限元分 析方法，编制了可应用于实际工程中的传力洞截面尺寸优化程序。利用本章介绍 的传力洞截面尺寸推求的解析法和数值计算方法，工程师们能够准确地设计传力 洞的合理截面尺寸，从而避免了由于传力洞截面尺寸设计不当而导致的大坝不安 全因素。 本文在第四章通过笔者曾经处理过的一个实际工程来验证传力洞截面尺寸 推求理论公式的合理性。工程处于地震区，由于受从不远处穿过得大断裂带的影 响，坝址区工程地质条件不佳，尤其左岸坝肩存在大面积软弱破碎带，是典型的 需采用传力洞来进行深部特殊处理的大坝基础。根据地质资料及大坝计算的一些 参数，文中先采用第三章解析法所推求的公式计算传力洞的理论值，然后再利用 0 浙江大学硕士学位论文 编制的有限元优化程序求得传力洞合适尺寸得数值解。通过比较得知，两者得结 果相差不大，从而证明了理论公式的正确性。 浙江大学硕士学位论文 第二章拱坝基础深部处理及传力洞概述 2 1 拱坝基础深部处理的方法与原则 2 1 1 拱坝基础深部处理的各种方法 如前文所述，当近坝基础存在一定规模的不连续面时，拱端推力作用后将发 生较大的变形错位，从而导致拱坝失去正常工作的能力。此时，仅对不连续面进 行表面处理不能够达到设计要求，需要对近坝断层深部进行特殊处理。纵观国内 外类似工程的处理经验，拱坝基础深部处理方法按其受力特点、空间状况和作用 可分为以下几种： l 断层纵向置换处理 所谓纵向置换处理意指将沿断层走向( 或沿倾向线) 一定范围内的断层物质 挖出，并用混凝土进行置换的工程措施。属于这类结构的有地下成片的置换墙体、 顺层置换洞塞、顺层置换井塞、或由洞塞、井塞交叉组成的格构式置换等。 属于成片置换墙体的拱坝如前苏联的英古里，该坝共处理5 条顺河向不连续 面，最主要的是右岸断层，出露在6 0 坝高的坝基上，正好处于主要受力部位。 断层宽2 9 m ，填充有黏土或亚黏土，不论抗剪强度、刚度并抗压刚度都极低。 前苏联专家对之进行了彻底的处理，设置了深7 5 1 1 l m 、宽5 l o m 并长1 4 0 m 成片墙状( 上半部分) 混凝土置换体，周围进行固结灌浆。处理的主要目的在于 解决集中变位和剪切传力问题，当然也还有抗地震的错移问题。 有时也可以采用种“井塞”代替前述成片状的置换墙，这样也可以减少一 些对岩体的松弛影响，减少工程量和施工干扰。英古里坝右岸断层处理靠近底部， 用8 r e xl o r e 相问设置的井塞代替了其上部成片的混凝置换墙体。为了同样的 目的，也可以用多条混凝土塞代替井塞；有时只需要在一定高度范围内才存在需 要置换的软弱破碎带，这时往往只用单条水平洞塞来解决。 2 断层横向传力结构处理 所谓横向传力结构，指横穿断层面传力的结构，主要用于传递大坝的推力， 诸如传力洞( 传力桩) 、传力墙( 高宽差别较大者) 等等。这种横向传力结构， 2 浙江大学硕士学位论文 主要使用于断层较宽、断层交汇或较大尺寸的破碎体带处。虽则这种传力洞塞的 工作条件不如纵向置换结构好，还要挖除少量的好岩石( 穿过断层的嵌固部分 等) ，但是就对地质构造的适应性，施工难度小等因素而言，有它优越的一面。 这种横向传力洞塞，在我国的龙羊峡大坝左、右岸断层处理以及乌江渡工程 右岸坝基处理时均有用到。 日本川俣坝左岸1 6 5 j ，地质地形条件极复杂，设置了斜穿诸多断层的传力墙塞， 高度7 0 m ( 约占全坝高的6 0 ) 、厚度3 5 m 、长度2 3 5 5 m 。该横向传力结构犹 如一道墙体，完全把坝基分为两个部分，为加强其整体性，设置了许多长预应力 岩锚，锚至左坝前断面f 3 0 的上游侧。 需要注意，这种横向处理的长度要认真考虑，如果没有特殊原因，不一定将 横向传力结构的“头部”直接与坝基相联；如果大坝基坑面到横向传力结构头部 尚有次一级同组不连续结构面存在，或者岩体比较破碎，或者地质情况尚不能作 出最终判断对，可将传力结构的头部直接接到坝基面上。横向传力结构较纵向置 换体大，应注意应力在横向传力结构端部的传递问题，与坝基面相联处宜适当扩 大墙体厚度。为减少传力洞塞另一端部的应力集中，也有工程做过将端部做成弧 形的考虑。 3 地下置换体塞 有时近坝基础内会有尺度相当大的破碎岩体，这些岩体难以承受大坝推力， 例如日本黑部第四拱坝1 6 5 】即是如此。该坝在具体施工后发现了不少重大地质问 题，进行了拱坝方案性的修改，其中左岸软弱带是遇到的问题之一。该坝坝基为 花岗岩，左岸坝肩约l ，3 坝高位置岩体内碰到了一个大的风化破碎带。充填物是 风化花岗岩，大部分是风化砂，有的可以用人工开挖，遇水即泥化。最终的处理 措施是将该软弱破碎带全部挖除，置换以砼，并加强了固结灌浆。 4 剪切传力措施 有些近坝断层，对坝肩稳定构成威胁，需要进行深部特殊处理，对这种情况， 抗剪洞塞常被采用。例如我国的龙羊峡重力拱坝左岸坝肩存在着倾向下游的f 7 3 ， 同时下游还存在着一系列的缓倾角结构面，可以不同程度地切向下游岸坡，f 7 3 上盘坝肩岩体有向下游滑出的条件。经研究分别设置了一组沿f 7 3 走向的抗剪洞 塞( 抗剪键) 。其它如我国的风滩拱坝、隔河岩拱坝以及葡萄牙的颇塔斯拱坝等 1 3 浙江大学硕士学位论文 均设置了抗剪洞塞。 5 垂直向传力处理 有的大坝底部( 或底部河床) 基础内存在断层或其他软弱破碎带，为解决其 承载也有作深部垂直向传力处理的。云南玉溪的海棠双曲拱坝，河床坝段基础面 以下8 m 处，存在着软弱破碎带区域，产状及缓。施工后决定在河床段基坑面下 开挖竖井，穿过破碎带建造3 个2 m x 2 m 、深l o m 的钢筋砼垂直井塞。该坝1 9 9 3 年蓄水以来，工作基本正常。 6 加大地面处理深度 总的说来，地下进行特殊处理施工困难，比较昂贵，有时可以在地表，用加 深地表处理代替一部分地下断层深部特殊处理。例如我国的龙羊峡重力拱坝，左 岸坝肩f 7 3 有一定宽度，需要设置表部混凝土塞，但其塞深仅需3 m 即够。考虑 到大坝受力后f 7 3 的集中压、剪变位问题，该断层需在数十米的高度上进行横向 传力的特殊处理。但为了尽量减少施工困难，降低造价和减少对岩体的扰动，最 终只处理了需要处理范围的5 0 ，为此地表从原来处理3 m ，加深到l o m h 。1 。 2 1 2 拱坝基础深部处理的原则 一个拱坝的复杂地基，其断层深部处理是一个庞大的系统工程，必须进行统 一的规则，认真地分析论证，区别对待不同的地质情况，并且需要精心地组织施 工方可能达到设计预期的效果。 l 统一规划 一个拱坝的基础，其需要处理的点往往不只一处。就工程量而言，虽然绝对 数量仅是坝体混凝土量的百分之几，但是地下施工要求高、难度大、工期长，往 往始于浇筑之初，终于蓄水之前；从工种工序说，既要开挖，又要浇筑混凝土， 还要进行灌浆排水，有时还要充分考虑观测而且这些分项又往往交替进行，关 系十分复杂。一个统一的基础处理构思与设计和一个与之配套的施工组织规划设 计是必不可少的，因此在设计之初，就必须进行统一规划，并且要求地质、设计 和施工人员相互配合才能够获得较满意的成果。 2 分析认证工作 过去拱坝断层的深部特殊处理，更多的是凭工程师们的经验，而现在则是完 4 浙江大学硕士学位论文 全应该和可能依掘各种试验和分析，论证深部处理的可行性。这些论证包括二维 和三维的弹塑性有限元分析，基于材料力学等的理论数值分析，二维和三维地质 力学模型试验，三维渗流分析等。当然这些分析与试验的基础，是合理抽象出来 的尽可能接近实际的物理力学假定。对于复杂地基上的重要拱坝，大型拱坝和高 拱坝，这些分析和试验是必须的。 3 区别对待 并非所有的近坝断层，也并非一条断层上所有的部位都需要进行断层深部特 殊处理，只是在近坝有一定规模，并在受力后所产生的集中压缩变位，剪切变位 等已经不能用其它方法保证拱坝对基础刚度的正常要求：或者近坝断层受力后大 面积屈服，已经不能提供安全运行保障的情况下，才需要进行。对于一般断层， 没有或基本没有什么泥质物的情况，或者断层虽很宽但胶结很好，则一般无需进 行特殊深层处理，只需进行灌浆处理，有时加预应力锚固即可。 4 精心组织施工 深层特殊处理是一项很细致的工程，必须负责任地进行勘测、设计和施工。 切忌开挖后长期暴露；不能怕麻烦，不能只顾抢进度，不管多大的洞塞尺寸，一 次开挖完毕一次浇筑，必须采用“边开挖、边回填混凝土，再开挖”交替进 行的施工方法。同时从部位或高程上开挖施工应错开；必须尽量减少爆破开挖对 围岩的影响，应采用各种有效的光面爆破、预裂爆破等控制爆破技术。 在围岩的开挖影响问题上，长期以来存在两种不同的倾向。一种是对特殊处 理洞室采取比较“放任”的态度，好像怎么挖都行，怎么长期暴露都行，哪里施 工方便就在哪里开设辅助洞室，不考虑其对处理结构的影响等等。严格地说这是 对岩体工作情况缺乏必要的认识，实际工作中应该极力避免。另外一种倾向认为 这种深部特殊处理对围岩危害太大，甚至只起破坏作用，因此不能加以处理。这 则是以一个极端走到了另个极端。若真如此，国内外相当一部分复杂地基上的 拱坝，包括高拱坝，特高拱坝，甚至像奈川渡这样多条断层、大规模连续置换基 础上的拱坝，以及英古里双曲拱坝的存在和安全运行，就是不可思议了。 浙江大学硕士学位论文 2 2 传力洞的作用及其轴线方向拟定 2 2 1 传力洞的作用 如前所述，拱坝选址都要尽量避开不良地质条件，但限于枢纽布置和勘探技 术的条件，拱坝基础总会或多或少地碰到诸如断层、节理、软弱夹层以及破碎带 等地质缺陷。图2 一l 为某拱坝拱槽内大面积软弱破碎带的情况。 图2 一l 某拱坝拱槽地质情况 当拱坝基础特别是坝肩基础存在大面积软弱带时，在各种工况的荷载作用 下，坝肩基础不能抵抗拱端传来的推力，有可能发生较大变位。轻目j j q l 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。 传力洞作为一种比较有效的拱坝基础深部特殊处理方法，正被运用于越来越 多的拱坝工程中。传力洞之所以能起作用，是因为它代替拱坝基础中的软弱破碎 带，承担着破碎带范围内的拱端推力，并发挥混凝土结构弹性模量大的特点，将 拱端推力传至软弱破碎带之后的完整基岩。由于混凝土传力洞结构刚度大，在拱 端推力作用下其自身的压缩变形小，从而避免了较大的拱端变形，保证大坝正常 6 浙江大学硕士学位论文 工作。 为绦谖转力漏熬燕鬻工终，传力澜必须满蹩定豹结鞠足譬簧求，包括长疫 要求和截谢尺寸的要求。必须保证传力洞穿过近坝断层破碎带及其影响范围，洞 底端能够作用于薪鲜基麓。因此传力洞的洞长一般根据近坝断艨的厚度来确定； 传力漏裁甏尺寸豹确定褥在下一章第巾重点论述。 2 2 2 传力洞的轴线方向拟定 传力涧塞的材料般以混凝土为斑，为发挥混凝土材料抗聪强度大而抗挝强 度小的特憔，总是希望作用于传力洞顶的合力方向尽量与传力洞的轴线方向一 致，霆我绞秀濒设计孛羧定一令台遥懿传力潺毒垂线方淘菲常耋簧。 拱坝农受到各种荷载的作用下，与基础接触颟主要产生沿擞圈切向推力t 、 沿径向剪力v 、沿竖向愿力f 以及绕竖向弯矩m i 和绕切向弯矩m 2 ，如图2 2 蘑示。 t 图2 2 拱坝拱端受力示意图 与传力潺有影蝻懿力圭要为沿拱耀切自雄力f 、滏径自劈力v 窝瀣竖囱麓力 f 。也就楚说，传力洞设计时应尽量使轴线方向与上述三个力的禽力( 设为n ) 1 7 v 浙江大学硕士学位论文 方向一致。假设n 在水平面上的投影nj 与v 的夹角为01 ，则有 n 。：打予 ls i n q = v ( 2 一1 ) ( 2 2 ) 由式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 得 v q2 嬲1 n 丽( 2 - - 3 ) 设拱坝在该高程的左拱端半中心角为办，n l 坝轴线夹角为巾，则n i 与坝轴 线之间的夹角矿= q 一办，将式( 2 - - 3 ) 代入得 ：眦s i n 熹一办。( 2 4 ) 妒2 眦3 m 丽一饵。2 4 在拱端竖直面上，如图2 3 所示，假设合力n 与水平面夹角为0 ，则有 ，= 扛：f ( 2 5 ) n s i n 0 = l( 2 6 ) 由式( 2 - - 4 ) 、( 2 - - 5 ) 得 肚一i n 高导 ( 2 7 ) 将式( 2 - - 1 ) 代入式( 2 - - 6 ) 中，得 = a r c s i n 丝兰丝! ( 2 8 ) , r 2 + v 2 + ，2 1 8 浙江大学硕士学位论文 n 拱端建基面 图2 - - 3 拱端竖直面受力示意图 由上述各式得出拱端合力与水平面夹角0 、与拱坝轴线夹角由均可由拱坝的 体型参数和拱端力表示。 当然，在实际工程设计中，拱坝的计算工况往往不止一种，而各种工况下的 荷载是不一样的，由此导致了合力n 在不同工况下的作用方向是不同的。显然 传力洞的方向不可能随着设计工况的不同而相应变化，因此在拟定传力洞的方向 时需要兼顾到各种设计工况。考虑到混凝土的材料特性，一般应以在各种工况下 传力洞所受到的剪应力最小为传力洞方向的拟定原则。 除了考虑不同工况下n 的方向不同，在拟定传力洞的轴线方向时，还需要 考虑到施工难度的因素，传力洞轴线方向也不宜与拱端合力方向完全一致。从图 2 2 、2 3 可以看出，拱端合力一般来说是偏向下游高程较低处。考虑到传力 洞开挖时的出渣和排水，传力洞的底坡不能太陡，尤其是当传力洞较长时，必须 符合隧洞开挖最陡底坡要求。 2 3 传力洞应用的几个典型工程实例 为了证明在处理拱坝大面积断层破碎带基础时，传力洞的作用效果是可信并 且是不可代替的，以下列举了国内外几个应用传力洞进行拱坝深部特殊处理的典 型工程实例。 1 、龙羊峡重力拱坝 1 9 ，一二 浙江大学硕士学位论文 龙羊峡水电站位于中国青海省共和县和贵德县交界处的黄河干流上，距西宁 市1 4 7 k m ，是黄河上游龙羊峡至青铜峡梯级水电站中的最上一级，为坝后式水电 站。工程由混凝土重力拱坝、左右岸重力墩、左右岸混凝土重力式副坝、右岸溢 洪道、坝后厂房等组成( 见图) 。挡水建筑物前缘总长1 2 2 6 m ，其中主坝长3 6 7 6 m ， 左右岸副坝分别为3 7 5 m 和3 4 0 m ，右岸重力墩长1 0 3 4 m ，溢洪道长4 0 m 。枢纽 布置见图2 4 。 图2 4 龙羊峡水电站工程枢纽布置图 挡水建筑物为混凝土重力拱坝，坝址位于龙羊峡峡谷进口下游1 5 k m 处，两 岸山坡陡峻，谷深约1 5 0 m 。坝址区为花岗闪长岩，经过多次地质构造运动，断 裂发育，地质条件复杂。坝下游约3 0 0 米有宽约1 0 0 米的横河大断层f 7 ，形成 了大冲沟，致使坝肩比较单薄。坝址区有五组断裂，以n n w 向压扭性断裂和 n e 向张扭性断裂为构造骨架( 河流近e w 向