拱坝坝基弹模与传力洞增稳效果的相关性分析

谢中凯++叶居东

摘要 当拱坝基础有较大范围的不连续面或断层时，设置传力洞是一种较为有效的加固方案。然而，传力洞与坝肩岩体的相互作用机理却鲜见报道。以葫芦口水电站为工程实例，通过不断修改有限元模型中坝肩岩体的弹性模量，使用刚体极限平衡法分析了坝肩弹模与传力洞增稳效果的相关关系，结果显示坝肩弹模较低的情况下传力洞的增稳效果更好。

关键词 传力洞；三维有限元分析；坝基弹模；增稳效果；相关性

中图分类号 TV223 文献标识码 A 文章编号 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挡水建筑物，借助拱的作用将水压力的全部或部分传给河谷两岸的基岩，是一种超载能力强、安全性高的坝工结构，并且相对于同一坝址处相同高度的其他坝型，可节省工程量。虽然拱坝对建坝基础的要求较高，但是综合基础处理后的工程造价往往仍然低于其他坝型。因此，拱坝在我国高坝建设中占有重要地位。

相比拱坝结构自身，坝肩的稳定问题通常是导致拱坝失稳或破坏的罪魁祸首[1]，因而有关坝肩加固的研究一直是拱坝相关课题中的热点问题。施工过程中，在面对坝肩有较大范围的不连续面或断层时，通常会设置一道或者多道传力洞结构[2]，将坝肩的巨大推力传至新鲜或完整坚硬的岩体，从而保证坝肩的稳定和坝体的安全。传力洞作为处理拱坝坝肩基础的有效方式，在越来越多的拱坝工程中得到应用。国内外成功应用传力洞处理拱坝坝肩基础问题最具代表性的工程有龙羊峡重力拱坝、李家峡双曲拱坝以及前南斯拉夫的母拉丁其坝等。然而，传力洞在工程中的应用较粗放，对设计人员的主观经验依赖性也较强，其理论研究尚落后于实际应用，与坝肩岩体的相关关系更是鲜有报道。研究分析传力洞与坝肩岩体的相互作用机理，有望从理论上为传力洞的优化设计提供指导和新的思路。

传力洞与拱坝坝肩岩体的相关关系包含内容繁多，本文仅从分析坝肩岩体弹性模量的角度出发，试图评估坝肩岩体弹模的改变对传力洞增稳效果的影响[3]。基于拱坝的实际工况，分别在增设传力洞前后使用ANSYS软件进行三维有限元分析计算，并结合传统的刚体极限平衡法对计算结果进行后处理，最终评价坝肩弹模与传力洞增稳效果的关系。

1 计算方法

现行《混凝土拱坝设计规范》（SL 282—2003）规定，拱座抗滑稳定的数值计算方法，以刚体极限平衡法为主，1、2级拱坝或地质情况复杂的拱坝还应辅以有限元法或其他方法进行分析。本文依据三维有限元方法计算得到拱端力系，然后在后处理时使用刚体极限平衡法计算坝肩岩体稳定。按照刚体极限平衡法，采用抗剪断公式：

Kfc=（1）

式（1）中，Kfc为抗滑稳定安全系数；ΣN1为垂直于侧滑面的法向力（扣除扬压力）；ΣN2为垂直于底滑面的法向力（扣除扬压力）；ΣT为沿滑动方向的滑动力；A1为侧滑面的面积；A2为底滑面的面积；f1′为侧滑面加权平均抗剪断摩擦系数；f2′为底滑面加权平均抗剪断摩擦系数；c1′为侧滑面加权平均凝聚力；c2′为底滑面加权平均凝聚力。

2 工程实例

葫芦口水电站位于云南省德宏州梁河县境内的大盈江左支南底河上，电站的建成对梁河县缓解电力供需压力、促进工农业发展具有积极的作用。该工程采用抛物线双曲变厚拱坝，坝体混凝土材料等级为C15，坝顶高程1 016 m，防浪墙顶高程1 017.2 m，坝底高程978 m，最大坝高38 m。工程规模为Ⅳ等，主要建筑物级别为4级[4]。

2.1 传力洞布置

由于左岸坝肩中部高程发育有顺河向的陡倾断层带，为防止拱端推力作用下该断层带发生较大的压缩变形或蠕变变形，进而对坝体应力和坝肩稳定产生不利影响，在左坝肩中部略偏下高程位置设置一个传力洞，将拱端推力传至基岩深部，以确保大坝安全。传力洞的洞口中心高程为993.0 m，洞长30 m，洞身断面为4 m（宽）×5 m（高）城门洞形，传力洞的洞口处以1∶3坡度渐变为6 m（宽）×7 m（高），洞身按1∶4的坡度向下倾斜[5]。洞轴线与拱坝上、下游轴线在平面上投影的夹角为36°，传力洞回填混凝土强度为C20，其立面布置如图1所示。

2.2 建模及材料参数

采用分层小块体方法进行坝肩稳定分析，使用ANSYS软件将拱坝由坝顶至坝底划分为14层，模型采用SOLID45八节点等参单元。

根据地质勘探资料，有限元计算所取参数如表1所示（γ为容重，E为弹模，μ为泊松比，α为热膨胀系数）。其中，计算时只考虑对坝体施加温度荷载[6-8]。因此，其余部分热胀系数不再给出。

2.3 弹模相关性分析

传力洞通过置换坝肩基础的软弱破碎带，发挥自身弹模大的特点，以较小的压缩变形承受拱端传递过来的推力，从而避免坝肩产生过大的位移变形，以保证拱坝安全运行。这一切都是建立在坝肩弹模低而传力洞的弹模高的基础上。因此，有必要深入探讨坝肩弹模与传力洞增稳效应间的关系。

以设计工况（正常蓄水位+泥沙压力+自重+温降）为例，在有限元模型中不断修改左坝肩的弹性模量（1.5～2.3 GPa，步长为0.1 GPa），选取左坝肩第10层岩体考察坝肩弹模的改变对传力洞增稳效果的影响。图2、3分别展示了设计工况下第10层坝肩滑移体在左坝肩不同弹性模量下的稳定系数以及增设传力洞之后抗滑稳定安全系数（Kfc）的提升率。

如图2所示，左坝肩在不同弹模情况下，增设传力洞之后，第10层滑移体的抗滑稳定安全系数均有一定提升。并且，随着左坝肩弹模的增加，该系数在增设传力洞前后均呈下降趋势。当左坝肩的弹模达到2.3 GPa时，第10层滑移体的抗滑稳定安全系数降到2.98，低于规范要求（3.0）。如图3所示，随着坝肩弹模的增加，Kfc提升率逐渐降低。这就说明，当坝肩基岩的弹模较低时，传力洞能够起到增稳作用并满足规范要求，而随着坝肩基岩弹模的不断增加，传力洞的增稳效果也不断降低，当坝肩基岩弹模增加到一定程度时，传力洞的增稳效果将不能满足规范要求。这时，需要适当增加传力洞的截面尺寸，才能满足抗滑稳定需求，保持坝肩的稳定。

3 结论

本文基于三维有限元和传统的刚体极限平衡方法，结合工程实例探讨了不同坝肩弹模下传力洞的增稳效果，认为传力洞在坝肩弹模较低的情况下其增稳效果更加明显。然而，这并不表示在拱坝坝肩加固过程中可以无限制地增加传力洞的刚度（如加大截面），因为这样会导致坝基综合弹模远大于设计情况，从而使得坝体应力上升过高，给大坝安全运行带来負面影响；同样也不能放任坝基岩体破碎而不顾，这会使巨大的拱端推力集中作用于传力洞之上，产生较大的压缩变形，最终影响坝肩稳定[3]。具体到传力洞加固方案的设计则需要更加严密的理论推导和计算分析，基于此，再结合本文研究成果或可通过调整传力洞的刚度获得最经济合理且有效的拱坝坝肩加固方案，可以有效延长拱坝的使用寿命。

4 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] 白俊光，林鹏，李蒲健，等.李家峡拱坝复杂地基处理效果和反馈分析[J].岩石力学与工程学报，2008，27（5）：902-912.

[3] 刘先珊，周创兵，王军.复杂条件下高拱坝应力及坝肩稳定分析[J].岩土力学，2008，29（1）：225-229.

[4] 李远辉.富川水电站拱坝应力与稳定设计计算研究[D].南昌：南昌大学，2012.

[5] 黄华新.湖北恩施青龙水电站碾压砼双曲拱坝结构设计研究[D].长沙：湖南大学，2012.

[6] 王振中.传力洞在大坝破碎带基础中的应用研究[J].低碳世界，2016（22）：120-121.

[7] 李正兵，张立展.综合加固处理技术在锦屏高拱坝左岸坝基中的应用[J].长江科学院院报，2015（9）：123-127.

[8] 朱瑜，费悦.传力洞在大坝破碎带基础中的应用[J].浙江水利水电学院学报，2014（3）：35-37.