土石坝内埋管土压力分析方法探讨

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1、维普资讯http://www.cqvip.com土石坝内埋管土压力分析方法探讨[西班牙]E·萨恩马科斯·林登摘要土石坝内涵洞周边局部的应力状态导致管道周边的土压力增加和临近区的土压力减小。本文采用大量的有限元计算分析这种现象并评估管道的几何形状、填土和基础特性对其的影响。并将分析结果与传统的Marston方法的计算结果进行了对比。1引言世界上大多数的土石坝坝体中都将泄水底孔布置在混凝土涵洞内。混凝土结构既可以保护泄水底孔，又可用作导流洞在施工阶段导流。从大坝安全的角度来看，土石坝自上游到下游贯通的涵

2、洞长期以来一直被认为是一个安全隐患。涵洞周边填土的局部应力状态会带来两个方面的问题，包括沿管道的渗漏和在增加土压力荷载下管道结构的整体性。查理斯在1997年指出：任何从土石坝上游贯穿到下游的结构对于大坝安全来说都存在潜在的危险，而内部侵蚀破坏正是与这种结构的存在相关。《挪威大坝安全项目》明确指出了贯穿结构的存在是导致土石坝易于渗漏的几种原因之一。“凸起”表示涵洞顶部高程超过建基面的程度。在廊道正向凸起的情况下，也就是说廊道顶部高于建基面的情况下，廊道周边填土的局部应力状态导致了廊道拱顶垂直应力的增加

3、和边墙附近填土垂直应力的减小。无论从涵洞或廊道结构设计的安全性考虑，还是从坝体中沿着涵洞与周边填土之间或填土内部可能产生渗透(由于涵洞周边土应力降低所致)的观点来看，这种效应是很重要的。这个问题可以通过在开挖形成的独立于大坝的隧洞内安装泄水管道来回避，但是这个方案经常由于工期和经济的制约而不可行。而且这种地下开挖方案与随挖随填方案相比有更多的不确定性。假设有大量的工程经验证明坝内涵洞方案只要设计正确，运行能够令人满意，这种方案仍然是一种经济合理的替代方案。在这篇论文中，两位作者提供了许多有限元研究成

4、果，用于分析不同性质的填土、不同类型基础以及全部上覆范围的填土作用下不同断面尺寸的廊道结构上的土压力。有限元方法确保了分析在最大程度上的通用性。但是，由于时间和数据的限制，有限元方法并不总是可行的。在对坝内涵洞进行结构设计之前，设计人员采用一些简化可行的方法来估算土压力可能更为方便。在这些简化的方法中，Marston方法应用最为广泛。在本文中，将有限元方法与传统的Marston方法进行了对比。最后，提出了简化法则，用于对廊道总的土压力进行估算并确定在廊道结构安全设计时应考虑的水平土压力系数取值。7维

5、普资讯http://www.cqvip.com2工程经验2．1土石坝内大型混凝土廊道实例弗兰科和雅各于1997年证实，仅仅在西班牙就有坝高超过50m的土石坝内埋设了超过十三条混凝土涵洞或廊道，其断面外部尺寸从2×2到6．5×6．5m2，由于这些廊道(管道)建基于非常完整的基岩上，总体上运行良好。梅尔维尔于1997年介绍了许多位于南非的土石坝，这些大坝都有贯通上下游的坝内涵洞，断面外部尺寸从4×4到7．5×8m2不等。这些管道断面都设计成椭圆形，以更有效地平衡周边填土引起并占主导作用的垂直土压力。所有

6、的廊道都是正向凸起。在大多数情况下，这些廊道内安装了全套应力计，量测结果表明廊道上的垂直土压力有很大增加。例如建于1982年的斯特纳克鲁夫大坝，泄水底孔设置在混凝土管道内，廊道正向凸起超过管道高度的100％(即该管道全部位于填土之上)。为了减小涵洞顶部的土压力，管道顶部填土未经压实处理，而管道边壁附近的填土则严格碾压密实。尽管采取了以上措施，位于管道顶部的应力计监测显示，在施工期结束时垂直应力达到了静土压力的1．7倍。作用在管道边壁上的水平应力是垂直土压力的50％。圈1施工中的西地埃奇大坝泄水底孔廊

7、道(突尼斯)在一些工程实例中，管道并不是凸起修于建基面以上，相反被布置在宽底缓坡的沟槽中，经济上的制约会否定采用混凝土来置换管道基础，这种情况与正向凸起廊道相似。图8维普资讯http://www.cqvip.com1所示的是位于突尼斯北部的西地埃奇大坝，建于1997年。涵洞为自由出流，断面外部尺寸为7．1×7．1m2，见图2所示，管道上覆厚度约30m，基础为石灰岩和泥灰岩。圈2西地埃奇坝中的泄水底孔横断面勒奇大坝位于捷克共和国，电站进水口位于坝内，闸室为15．2×12m2。位于摩洛哥的埃马克大坝坝内

8、涵洞断面尺寸为29．1×31m2，涵洞建基面为泥灰岩和石灰岩互层，并置于填土中。为了消除出现在涵洞横缝处的渗漏，而这种渗漏与该段内部侵蚀有关，有必要在后期采取许多干预措施。摩洛哥的阿尔瓦达大坝建于1997年，坝内布置的涵洞很大，断面尺寸为19．45×31m2，管道近一半位于建基面以上，上覆厚度46m，基础为泥灰岩。设计中尽管为尽量减小上覆土荷载而对管道边壁附近的填土进行碾压，但土荷载相对于土压力增加了60％。美国垦务局向专业技术人员建议，土石坝中涵洞顶部的土荷载的增加