壩下深埋涵荷載應力分析計算與研究

趙萬強，柴 揚，曹 凱

(吐魯番市水利水電勘測設計研究院，新疆 吐魯番 838000)

常見涵洞工程的規模相對較小，結構形式較簡單，對涵洞的設計多采用定型設計的方式以減小設計工作量。但對于特殊工程項目如涵洞結構尺寸較大，且是壩下深埋涵，涵上回填土有特殊壓實要求。壩下深埋涵荷載應力分析計算從淺層填土與深層填土對埋涵荷載應力分析計算分為兩個階段進行分析計算，總結了深埋涵上層填土形成塌落拱效應對埋涵荷載應力分析的簡化。當上層填土H≤1.5洞徑，且小于3m時，計算埋涵荷載應力時上埋式涵洞土壓力計算，當上層填土H≥1.5洞徑，且不小于3m時，計算埋涵荷載應力時采用塌落拱效應理論計算，其形成的塌落拱效應對涵洞起到支承保護作用。

結合代表性工程實例對壩下深埋涵結構應力分析計算的不同階段選擇及其優化方法進行研究給出建議，對節約工程造價優化結構意義重大。

1 工程概況

柯柯亞二庫工程位于新疆吐魯番境內，位于柯柯亞河床中游的戈壁河谷區，是一座小(1)型攔河式水庫，河谷寬600～900m，庫區成“U”形，庫區出露的巖性主要為第四系上更新統沖洪積砂卵礫石。由于特殊的地質條件，本工程導流放水建筑物，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。填壩料為級配良好的連續性級配料，最大粒徑不超過80mm，小于5mm的顆粒含量控制在30%～50%之間，填料的內摩擦角為39°，壓實后相對密度為Dr≥0.8。

2 壩下深埋涵荷載應力分析計算

2.1 壩下深埋涵外部荷載組成

根據現場施工情況，依據填壩料的顆粒組成及壓實后相對密度為Dr≥0.8的要求，現場碾壓試驗最終確定每層填筑0.8m，采用60t自行式振動碾靜碾2遍動碾4遍，滿足設計壓實指標。有上述綜合因素確定埋涵計算外部荷載組成及參數詳見表1。

2.2 埋涵荷載應力分析計算方法

根據工程的特殊性及復雜性，擬定上埋回填土為Ⅴ類砂礫石下部埋涵。綜合采用了上埋式涵洞垂直土壓力計算及塌落拱理論計算土壓力。依據工程經驗及理論試算總結了深埋涵上層填土形成塌落拱效應對埋涵荷載應力分析的簡化。當上層填土H≤1.5洞徑，且小于3m時，計算埋涵荷載應力時上埋式涵洞土壓力計算，當上層填土H≥1.5洞徑，且不小于3m時，計算埋涵荷載應力時采用塌落拱效應理論計算，其形成的塌落拱效應對涵洞起到支承保護作用。

2.2.1上埋式涵洞垂直土壓力計算(當上層填土H≤1.5洞徑，且小于3m時)

上埋式涵洞單位長度洞頂的垂直土壓力強度標準值計算公式為；

qt2=KSγHd

(1)

式中，qt2—洞頂垂直土壓力強度標準值，kN/m；

表1 埋涵計算外部荷載組成及參數

表2 塌落拱效應理論計算

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。

2.2.2塌落拱效應理論計算(當上層填土H≥1.5洞徑，且不小于3m時)

坍落拱理論指出了洞室開挖后，圍巖經過坍塌自身將會建立起新的平衡，這就正確地描述了圍巖的自承作用。根據這一點，人們很自然地想到，洞室開挖后只要支護結構物能把坍落拱范圍內可能坍塌下來的全部巖塊的重量支承住，使之不落入洞內，即能保證地下洞室的安全使用。因此在設計地下結構物時，只須取坍落拱范圍內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的塊體平衡出發，認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—壓縮蠕動系數，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，可取n=4；δn—抗壓強度，N/cm2；γi—巖體容重，t/m3；δ—冒落邊界與層面間的交角，根據實驗資料，對堅硬裂隙性巖石當沉積深度不大和中等時，這個傾角δ等于60°～80°，計算結果見表2。

3 結語

壩下深埋涵越來越多的應用于實際工程，壩下深埋涵上層土壓力及算一直存在爭議及探討。若壩下深埋涵直接用上埋式垂直土壓力計算荷載較大影響工程投資，通過上述方法理論試算總結了深埋涵上層填土形成塌落拱效應對埋涵荷載的減少。利用上埋式涵洞土壓力計算與塌落拱效應理論計算，相結合的方式，深埋涵上部其形成的塌落拱效應對涵洞起到支承保護作用。不僅節省工程投資且可以優化工程方案，憑著不破不立、與時俱進的思想，提出個人的一些看法，希望對工程實際有所幫助。