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1、維普資訊http://www.cqvip.com土石壩內(nèi)埋管土壓力分析方法探討[西班牙]E·薩恩馬科斯·林登摘要土石壩內(nèi)涵洞周邊局部的應(yīng)力狀態(tài)導(dǎo)致管道周邊的土壓力增加和臨近區(qū)的土壓力減小。本文采用大量的有限元計(jì)算分析這種現(xiàn)象并評(píng)估管道的幾何形狀、填土和基礎(chǔ)特性對(duì)其的影響。并將分析結(jié)果與傳統(tǒng)的Marston方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。1引言世界上大多數(shù)的土石壩壩體中都將泄水底孔布置在混凝土涵洞內(nèi)?；炷两Y(jié)構(gòu)既可以保護(hù)泄水底孔，又可用作導(dǎo)流洞在施工階段導(dǎo)流。從大壩安全的角度來(lái)看，土石壩自上游到下游貫通的涵
2、洞長(zhǎng)期以來(lái)一直被認(rèn)為是一個(gè)安全隱患。涵洞周邊填土的局部應(yīng)力狀態(tài)會(huì)帶來(lái)兩個(gè)方面的問(wèn)題，包括沿管道的滲漏和在增加土壓力荷載下管道結(jié)構(gòu)的整體性。查理斯在1997年指出：任何從土石壩上游貫穿到下游的結(jié)構(gòu)對(duì)于大壩安全來(lái)說(shuō)都存在潛在的危險(xiǎn)，而內(nèi)部侵蝕破壞正是與這種結(jié)構(gòu)的存在相關(guān)?！杜餐髩伟踩?xiàng)目》明確指出了貫穿結(jié)構(gòu)的存在是導(dǎo)致土石壩易于滲漏的幾種原因之一?！巴蛊稹北硎竞错敳扛叱坛^(guò)建基面的程度。在廊道正向凸起的情況下，也就是說(shuō)廊道頂部高于建基面的情況下，廊道周邊填土的局部應(yīng)力狀態(tài)導(dǎo)致了廊道拱頂垂直應(yīng)力的增加
3、和邊墻附近填土垂直應(yīng)力的減小。無(wú)論從涵洞或廊道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性考慮，還是從壩體中沿著涵洞與周邊填土之間或填土內(nèi)部可能產(chǎn)生滲透(由于涵洞周邊土應(yīng)力降低所致)的觀點(diǎn)來(lái)看，這種效應(yīng)是很重要的。這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)在開(kāi)挖形成的獨(dú)立于大壩的隧洞內(nèi)安裝泄水管道來(lái)回避，但是這個(gè)方案經(jīng)常由于工期和經(jīng)濟(jì)的制約而不可行。而且這種地下開(kāi)挖方案與隨挖隨填方案相比有更多的不確定性。假設(shè)有大量的工程經(jīng)驗(yàn)證明壩內(nèi)涵洞方案只要設(shè)計(jì)正確，運(yùn)行能夠令人滿意，這種方案仍然是一種經(jīng)濟(jì)合理的替代方案。在這篇論文中，兩位作者提供了許多有限元研究成
4、果，用于分析不同性質(zhì)的填土、不同類(lèi)型基礎(chǔ)以及全部上覆范圍的填土作用下不同斷面尺寸的廊道結(jié)構(gòu)上的土壓力。有限元方法確保了分析在最大程度上的通用性。但是，由于時(shí)間和數(shù)據(jù)的限制，有限元方法并不總是可行的。在對(duì)壩內(nèi)涵洞進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，設(shè)計(jì)人員采用一些簡(jiǎn)化可行的方法來(lái)估算土壓力可能更為方便。在這些簡(jiǎn)化的方法中，Marston方法應(yīng)用最為廣泛。在本文中，將有限元方法與傳統(tǒng)的Marston方法進(jìn)行了對(duì)比。最后，提出了簡(jiǎn)化法則，用于對(duì)廊道總的土壓力進(jìn)行估算并確定在廊道結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的水平土壓力系數(shù)取值。7維
5、普資訊http://www.cqvip.com2工程經(jīng)驗(yàn)2．1土石壩內(nèi)大型混凝土廊道實(shí)例弗蘭科和雅各于1997年證實(shí)，僅僅在西班牙就有壩高超過(guò)50m的土石壩內(nèi)埋設(shè)了超過(guò)十三條混凝土涵洞或廊道，其斷面外部尺寸從2×2到6．5×6．5m2，由于這些廊道(管道)建基于非常完整的基巖上，總體上運(yùn)行良好。梅爾維爾于1997年介紹了許多位于南非的土石壩，這些大壩都有貫通上下游的壩內(nèi)涵洞，斷面外部尺寸從4×4到7．5×8m2不等。這些管道斷面都設(shè)計(jì)成橢圓形，以更有效地平衡周邊填土引起并占主導(dǎo)作用的垂直土壓力。所有
6、的廊道都是正向凸起。在大多數(shù)情況下，這些廊道內(nèi)安裝了全套應(yīng)力計(jì)，量測(cè)結(jié)果表明廊道上的垂直土壓力有很大增加。例如建于1982年的斯特納克魯夫大壩，泄水底孔設(shè)置在混凝土管道內(nèi)，廊道正向凸起超過(guò)管道高度的100％(即該管道全部位于填土之上)。為了減小涵洞頂部的土壓力，管道頂部填土未經(jīng)壓實(shí)處理，而管道邊壁附近的填土則嚴(yán)格碾壓密實(shí)。盡管采取了以上措施，位于管道頂部的應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)顯示，在施工期結(jié)束時(shí)垂直應(yīng)力達(dá)到了靜土壓力的1．7倍。作用在管道邊壁上的水平應(yīng)力是垂直土壓力的50％。圈1施工中的西地埃奇大壩泄水底孔廊
7、道(突尼斯)在一些工程實(shí)例中，管道并不是凸起修于建基面以上，相反被布置在寬底緩坡的溝槽中，經(jīng)濟(jì)上的制約會(huì)否定采用混凝土來(lái)置換管道基礎(chǔ)，這種情況與正向凸起廊道相似。圖8維普資訊http://www.cqvip.com1所示的是位于突尼斯北部的西地埃奇大壩，建于1997年。涵洞為自由出流，斷面外部尺寸為7．1×7．1m2，見(jiàn)圖2所示，管道上覆厚度約30m，基礎(chǔ)為石灰?guī)r和泥灰?guī)r。圈2西地埃奇壩中的泄水底孔橫斷面勒奇大壩位于捷克共和國(guó)，電站進(jìn)水口位于壩內(nèi)，閘室為15．2×12m2。位于摩洛哥的埃馬克大壩壩內(nèi)
8、涵洞斷面尺寸為29．1×31m2，涵洞建基面為泥灰?guī)r和石灰?guī)r互層，并置于填土中。為了消除出現(xiàn)在涵洞橫縫處的滲漏，而這種滲漏與該段內(nèi)部侵蝕有關(guān)，有必要在后期采取許多干預(yù)措施。摩洛哥的阿爾瓦達(dá)大壩建于1997年，壩內(nèi)布置的涵洞很大，斷面尺寸為19．45×31m2，管道近一半位于建基面以上，上覆厚度46m，基礎(chǔ)為泥灰?guī)r。設(shè)計(jì)中盡管為盡量減小上覆土荷載而對(duì)管道邊壁附近的填土進(jìn)行碾壓，但土荷載相對(duì)于土壓力增加了60％。美國(guó)墾務(wù)局向?qū)I(yè)技術(shù)人員建議，土石壩中涵洞頂部的土荷載的增加
