壩下深埋涵荷載應(yīng)力分析計(jì)算與研究

趙萬(wàn)強(qiáng)，柴 揚(yáng)，曹 凱

(吐魯番市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 吐魯番 838000)

常見(jiàn)涵洞工程的規(guī)模相對(duì)較小，結(jié)構(gòu)形式較簡(jiǎn)單，對(duì)涵洞的設(shè)計(jì)多采用定型設(shè)計(jì)的方式以減小設(shè)計(jì)工作量。但對(duì)于特殊工程項(xiàng)目如涵洞結(jié)構(gòu)尺寸較大，且是壩下深埋涵，涵上回填土有特殊壓實(shí)要求。壩下深埋涵荷載應(yīng)力分析計(jì)算從淺層填土與深層填土對(duì)埋涵荷載應(yīng)力分析計(jì)算分為兩個(gè)階段進(jìn)行分析計(jì)算，總結(jié)了深埋涵上層填土形成塌落拱效應(yīng)對(duì)埋涵荷載應(yīng)力分析的簡(jiǎn)化。當(dāng)上層填土H≤1.5洞徑，且小于3m時(shí)，計(jì)算埋涵荷載應(yīng)力時(shí)上埋式涵洞土壓力計(jì)算，當(dāng)上層填土H≥1.5洞徑，且不小于3m時(shí)，計(jì)算埋涵荷載應(yīng)力時(shí)采用塌落拱效應(yīng)理論計(jì)算，其形成的塌落拱效應(yīng)對(duì)涵洞起到支承保護(hù)作用。

結(jié)合代表性工程實(shí)例對(duì)壩下深埋涵結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析計(jì)算的不同階段選擇及其優(yōu)化方法進(jìn)行研究給出建議，對(duì)節(jié)約工程造價(jià)優(yōu)化結(jié)構(gòu)意義重大。

1 工程概況

柯柯亞二庫(kù)工程位于新疆吐魯番境內(nèi)，位于柯柯亞河床中游的戈壁河谷區(qū)，是一座小(1)型攔河式水庫(kù)，河谷寬600～900m，庫(kù)區(qū)成“U”形，庫(kù)區(qū)出露的巖性主要為第四系上更新統(tǒng)沖洪積砂卵礫石。由于特殊的地質(zhì)條件，本工程導(dǎo)流放水建筑物，灌溉兼泄洪放水洞采用壩下埋涵。

涵洞尺寸為3.5m×4m(寬×高)，最大壩高27.1m，上層填土最大埋深23.1m。填壩料為級(jí)配良好的連續(xù)性級(jí)配料，最大粒徑不超過(guò)80mm，小于5mm的顆粒含量控制在30%～50%之間，填料的內(nèi)摩擦角為39°，壓實(shí)后相對(duì)密度為Dr≥0.8。

2 壩下深埋涵荷載應(yīng)力分析計(jì)算

2.1 壩下深埋涵外部荷載組成

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況，依據(jù)填壩料的顆粒組成及壓實(shí)后相對(duì)密度為Dr≥0.8的要求，現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)最終確定每層填筑0.8m，采用60t自行式振動(dòng)碾靜碾2遍動(dòng)碾4遍，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)壓實(shí)指標(biāo)。有上述綜合因素確定埋涵計(jì)算外部荷載組成及參數(shù)詳見(jiàn)表1。

2.2 埋涵荷載應(yīng)力分析計(jì)算方法

根據(jù)工程的特殊性及復(fù)雜性，擬定上埋回填土為Ⅴ類(lèi)砂礫石下部埋涵。綜合采用了上埋式涵洞垂直土壓力計(jì)算及塌落拱理論計(jì)算土壓力。依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及理論試算總結(jié)了深埋涵上層填土形成塌落拱效應(yīng)對(duì)埋涵荷載應(yīng)力分析的簡(jiǎn)化。當(dāng)上層填土H≤1.5洞徑，且小于3m時(shí)，計(jì)算埋涵荷載應(yīng)力時(shí)上埋式涵洞土壓力計(jì)算，當(dāng)上層填土H≥1.5洞徑，且不小于3m時(shí)，計(jì)算埋涵荷載應(yīng)力時(shí)采用塌落拱效應(yīng)理論計(jì)算，其形成的塌落拱效應(yīng)對(duì)涵洞起到支承保護(hù)作用。

2.2.1上埋式涵洞垂直土壓力計(jì)算(當(dāng)上層填土H≤1.5洞徑，且小于3m時(shí))

上埋式涵洞單位長(zhǎng)度洞頂?shù)拇怪蓖翂毫?qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算公式為；

qt2=KSγHd

(1)

式中，qt2—洞頂垂直土壓力強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m；

表1 埋涵計(jì)算外部荷載組成及參數(shù)

表2 塌落拱效應(yīng)理論計(jì)算

Hd—洞頂以上填土高度，m；γ—洞頂填土重度，kN/m3；Ks—垂直土壓力系數(shù)。

2.2.2塌落拱效應(yīng)理論計(jì)算(當(dāng)上層填土H≥1.5洞徑，且不小于3m時(shí))

坍落拱理論指出了洞室開(kāi)挖后，圍巖經(jīng)過(guò)坍塌自身將會(huì)建立起新的平衡，這就正確地描述了圍巖的自承作用。根據(jù)這一點(diǎn)，人們很自然地想到，洞室開(kāi)挖后只要支護(hù)結(jié)構(gòu)物能把坍落拱范圍內(nèi)可能坍塌下來(lái)的全部巖塊的重量支承住，使之不落入洞內(nèi)，即能保證地下洞室的安全使用。因此在設(shè)計(jì)地下結(jié)構(gòu)物時(shí)，只須取坍落拱范圍內(nèi)的那部分巖石的重量作為荷載就可以了。包里索夫等人從層狀巖體坍落后出現(xiàn)的塊體平衡出發(fā)，認(rèn)為在層狀圍巖中坍落拱的形狀為一梯形，如圖1所示，其高度計(jì)算公式為：

h=(h1+Lsinα)×cosα

(2)

式中，h—塌落拱高度，m；L—洞室跨度，m；α—層面傾角。

圖1 坍落拱的形狀

(3)

式中，ζ—壓縮蠕動(dòng)系數(shù)，可取ζ=0.5～0.7；hi—層厚，即層面間距，m；n—承載能力安全系數(shù)，可取n=4；δn—抗壓強(qiáng)度，N/cm2；γi—巖體容重，t/m3；δ—冒落邊界與層面間的交角，根據(jù)實(shí)驗(yàn)資料，對(duì)堅(jiān)硬裂隙性巖石當(dāng)沉積深度不大和中等時(shí)，這個(gè)傾角δ等于60°～80°，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

3 結(jié)語(yǔ)

壩下深埋涵越來(lái)越多的應(yīng)用于實(shí)際工程，壩下深埋涵上層土壓力及算一直存在爭(zhēng)議及探討。若壩下深埋涵直接用上埋式垂直土壓力計(jì)算荷載較大影響工程投資，通過(guò)上述方法理論試算總結(jié)了深埋涵上層填土形成塌落拱效應(yīng)對(duì)埋涵荷載的減少。利用上埋式涵洞土壓力計(jì)算與塌落拱效應(yīng)理論計(jì)算，相結(jié)合的方式，深埋涵上部其形成的塌落拱效應(yīng)對(duì)涵洞起到支承保護(hù)作用。不僅節(jié)省工程投資且可以?xún)?yōu)化工程方案，憑著不破不立、與時(shí)俱進(jìn)的思想，提出個(gè)人的一些看法，希望對(duì)工程實(shí)際有所幫助。