浅谈传力洞在大坝破碎带基础中的应用

摘 要：大坝的安全运行至关重要，大坝总是选址在地质条件好、破碎带少的地方。但是理想的建坝条件往往是不存在的，大坝破碎带的基础至关重要。传力洞可以使坝肩作用力避开大坝基础的不连续界面和破碎带，从而保证大坝安全稳定运行。从大坝破碎带基础处理出发，通过理论求解和数值模拟，确定了传力洞在大坝破碎带基础问题中的有效性，确定了传力洞的参数求解和施工方法，为工程中的传力洞问题提供了理论依据。

关键词：传力洞；大坝；破碎带；基础处理

中图分类号：TV642.4文献标识码：A

引言

大坝的近坝基础和坝肩上常有数米厚的不连续界面存在，大坝受到持久力后在此发生较大的位错，致使其失去正常的工作能力[1]。坝肩收到作用力后，还会沿着这些不连续界面屈服失去稳定性，为此必须对这些大坝基础进行深部处理。地下开挖并设置传力结构是深部处理的常用方法，传力结构使坝肩作用力避开大坝基础的不连续界面和破碎带，从而保证大坝安全稳定[2]。目前，学者们对传力洞在大坝破碎带基础处理中的作用仍有分歧，工程界常用经验法确定传力洞的截面尺寸，很难达到预期效果。传力截面积过小会影响坝尖的稳定，过大会影响经济性并留下安全隐患。本文从大坝破碎带基础深部处理出发，通过理论求解和数值模拟，确定了传力洞在大坝破碎带基础问题中的有效性，并通过有等效分析法得到了传力洞截面尺寸的计算公式，为今后工程中传力洞截面积的确定提供了参考。

一、大坝破碎带基础深部处理

当大坝基础存在数米厚的不连续界面时，大坝受到持久力后在此发生较大的位错，致使其失去正常的工作能力。这时，破碎带表面处理很难达到要求，因此需要进行深部处理。参考国内外相关文献，深部处理方法主要有以下几种：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精心的施工，才能达到预期的效果。过去工程师们往往以经验确定传力洞的参数，现在则必须用有限元法分析其弹塑性、用数值模拟分析其力学特点，还要做力学性能试验和三维流场分析。

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需要深部处理。对于胶结性很好的断层，只需灌浆处理和应力加固即可，无需深部处理。深部处理是一个精密的过程，必须边开挖边浇筑并采取合理的爆破技术，不能只顾进度，不顾安全生产。

二、传力洞参数确定

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有较大的变形。为了保证传力洞能穿过大坝基础中的破碎带并能作用到新鲜的基岩，传力洞必须满足一定的参数要求。传力洞的主要参数包括轴线方向和截面尺寸。

（一）传力洞的轴线方向

当作用于传力洞的推力方向与其轴线方向相同时，传力洞的抗压强度达到最大，抗拉强度达到最小。因此，确定一个合理的传力洞轴线方向十分重要。对大坝拱端进行受力分析，其受力情况如图 1所示,图中：V为径向剪切力；T为横向推力；F为压力[3]。

图 1大坝拱端受力分析

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[3]。经推导：

（1）

但是在实际工况中，由于不同工况下受力不同，导致的大小和方向也不相同。但是，传力洞的轴线方向一经确定就不能随着不同工况变动，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，常以剪切力最小时的作为传力洞的方向。施工难度也是影响传力洞方向的一个重要因素，若传力洞的坡度太大并且较长时，施工时的排渣排水就会非常困难。

（二）传力洞的截面尺寸

传力洞的作用是将推力传到大坝基础破碎带后面的完整岩石，所以其不能产生较大的压缩形变，因此确定传力洞的截面尺寸至关重要。常见的传力洞截面有圆形和马蹄型两种。传力洞的刚度也应适当，过大的刚度会使大坝应力增大。合适的压缩形变值应与大坝的拱端位移大致相等，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。

在工程实际中，传力洞的长度l、截面半径、材料、周边的地质情况均影响着传力洞的压缩量。到目前为止，世界上对压缩量的研究还不多，下面将采用弹簧模型推导传力洞压缩量的计算公式。传力洞可看做是均质的弹性长杆，设其刚度系数为k，（式中: G为传力洞侧壁的剪切模量；为影响因子）;岩石给传力洞的支持力可看作刚度系数为k的弹簧，如图 2所示。刚度系数，式中:为传力洞底壁的剪切模量；为影响因子；为底岩的泊松比；为传力洞截面半径。则其任意截面的压缩量应该满足：,式中:E为弹性长杆的弹性模量；A为弹性长杆的截面积。

图 2传力洞等效受力分析

确定了传力洞等效压缩量的微分方程后，根据其边界条件进行求解，得到任意截面的压缩量为：

（2）

式中: S为洞顶位移；传力洞侧岩石刚度与洞身刚度之比，无量纲；压缩比刚度，无量纲。

传力洞洞顶位移S与推力P的关系为：

（3）

（2）、（3）式联立即可求出传力洞截面半径。

三、传力洞的施工

工程中的传力洞一般位于大坝破碎带基础中，其岩石破碎度较高，成洞条件很差。开挖传力洞前需要设置锁口锚杆，开挖后的洞口必须做好支撑防止回填时传力洞塌陷。采取合理的爆破计算并严格控制火药的剂量，深部处理是一个精密的过程，必须边开挖边浇筑并采取合理的爆破技术，不能只顾进度，不顾安全生产。传力洞的长度一般在几十米，隔一段长度就应设置伸缩缝，防止温度应力破坏洞体。传力洞穿越的都是大坝破碎带和软弱带，因此传力洞必须与侧面岩石和底部岩石保持紧密接触，并做好固结灌浆。为了保证传力洞回填的严密性，还要做好洞顶120 °范围内的接触灌浆[4]。

四、结论

目前，传力洞已经在水坝工程中广泛应用，但对其进行理论研究的论文还不多见。本文从大坝破碎带基础深部处理出发，确立了传力洞轴线方向角并建立了传力洞截面计算的弹簧模型，得到了传力洞截面尺寸的计算公式，论述了传力洞施工过程中需要注意的问题。为今后工程中传力洞截面积的确定提供了参考。

参考文献：

[1] 吴党中.拱坝优化时基础变模敏感性及坝肩传力洞增稳效应研究[D].杭州:浙江大学，2012.

[2] 吴党中.传力洞在处理拱坝软弱破碎带基础中的应用[D].杭州:浙江大学，2007.

[3] 吴党中,刘国华. 拱坝基础处理中的传力洞设计[J]. 河海大学学报(自然科学版),2010,38(6):711-715.

[4] 董京旭．漫松引水洞出口段漏水通道处理[J].东北水利水电，2008，19(202)：15．

作者简介：朱瑜（—），男，湖北宜昌人，汉，本科，助理工程师，研究方向：工程管理。