土石壩心墻水力劈裂的影響因素分析

土石壩具有廣闊的應(yīng)用條件、良好的當(dāng)?shù)剡x擇、較好的經(jīng)濟(jì)效益、施工速度和較強(qiáng)的抗疲勞動(dòng)能力等優(yōu)點(diǎn)。因此，在選擇水庫時(shí)，首先考慮的是水庫的準(zhǔn)備。隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施,許多大中型水庫正在或?qū)⒁ㄔO(shè),其中有相當(dāng)部分為土石壩,且多為高土石壩。目前已有多座200m級(jí)以上高土石壩正在建設(shè)或設(shè)計(jì)、論證中,其中有些甚至是300m級(jí)高壩。盡管如此,土石壩設(shè)計(jì)建設(shè)中仍有許多關(guān)鍵的巖土工程技術(shù)問題亟待解決,其中土質(zhì)心墻的水力劈裂問題就屬其一。由于心墻水力劈裂問題的重要性和復(fù)雜性,工程和學(xué)術(shù)界已對(duì)此開展過大量的研究工作。時(shí)至今日,土石壩心墻的水力劈裂問題已成為土石壩工程中人們最為關(guān)注,同時(shí)也是最有爭議的問題。由于水力劈裂所致后果的嚴(yán)重性,任何可能影響水力劈裂發(fā)生的因素都被工程界和學(xué)術(shù)界所關(guān)注。前人已從心墻應(yīng)力拱效應(yīng)的角度,用有限元方法分析了影響水力劈裂的諸因素,如心墻及壩殼土石料的材料特性和壩體結(jié)構(gòu)等。從發(fā)生條件分析,水力劈裂的發(fā)生需要心墻上游面存在能夠允許庫水快速進(jìn)入心墻內(nèi)部的裂縫,水力劈裂的離心模型試驗(yàn)也驗(yàn)證了裂縫是水力劈裂發(fā)生的必需條件之一。但在前人對(duì)土石壩心墻水力劈裂問題的研究中,絕大多數(shù)并沒有考慮發(fā)生水力劈裂所需的裂縫條件。在筆者所能搜集的文獻(xiàn)中,僅文獻(xiàn)考慮了裂縫對(duì)水力劈裂的貢獻(xiàn),作者用有限元方法分析了心墻的水力劈裂問題,用具有一定透水能力的節(jié)理單元模擬裂縫,該方法與傳統(tǒng)的不考慮裂縫的有限元方法相比,無疑是一大進(jìn)步。因此,在考慮裂縫的情況下研究該問題是必要的,況且目前尚未見有關(guān)裂縫及其特征對(duì)水力劈裂影響的研究報(bào)道。圖1顯示的是直心墻堆石壩心墻的受力簡圖。假定心墻上游面部位存在一條水平裂縫,水庫蓄水后,有利于裂縫閉合或者防止水力劈裂發(fā)生的力包括:心墻自重C、作用于心墻上游面的豎向靜水壓力W、作用于心墻上下游兩側(cè)面的壩殼自重S,以及壩殼對(duì)心墻下游面的剪力F;有利于裂縫張開或者誘導(dǎo)水力劈裂發(fā)生的力包括:水平向靜水壓力H、壩殼對(duì)心墻上游面的剪力F(主要是裂縫位置以上部分),以及裂縫內(nèi)的梯度水壓力G。分析水力劈裂的影響因素,實(shí)際上就是分析影響上述各力的因素。由于篇幅所限,本文僅討論裂縫長度、裂縫位置、庫水位、壩料特性(包括心墻土體的彈性模量、泊松比和密度)等對(duì)水力劈裂的影響。1維裂縫存在于心墻上游面的裂縫通常是局部分布的(圖2(a)),這種局部裂縫的擴(kuò)展問題應(yīng)屬于斷裂力學(xué)中的三維裂縫問題。考慮到有關(guān)三維裂縫的理論尚不夠成熟,且計(jì)算也比二維問題復(fù)雜很多,本文將三維局部裂縫簡化為二維問題分析(圖2(b))。這種簡化顯然是降低了裂縫的抗擴(kuò)展能力,也就是增大了水力劈裂發(fā)生的可能性,但從工程安全的角度講,這種簡化是容易被接受的。1.1斷裂判定準(zhǔn)則心墻裂縫在水壓力作用下的擴(kuò)展,應(yīng)該是由垂直于裂縫面的拉應(yīng)力和平行于裂縫面的剪應(yīng)力共同引起的,因此應(yīng)建立Ⅰ-Ⅱ復(fù)合型的水力劈裂判定準(zhǔn)則。文獻(xiàn)分析了水力劈裂的發(fā)生條件、發(fā)生機(jī)理,對(duì)在建糯扎渡心墻堆石壩的礫質(zhì)黏土心墻料進(jìn)行了室內(nèi)擊實(shí)試樣的斷裂特性研究,論證了線彈性斷裂力學(xué)用于研究該心墻土體斷裂性狀的可行性。基于試驗(yàn)成果和線彈性斷裂力學(xué)理論,提出了如式(1)的水力劈裂斷裂力學(xué)判定準(zhǔn)則:KⅠ2+KⅡ2????????√=KⅠC(1)式中:KⅠC為心墻土料的斷裂韌度,可由斷裂試驗(yàn)得到;KⅠ和KⅡ分別為Ⅰ和Ⅱ型裂縫尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子。式(1)中,當(dāng)左端小于右端時(shí),可判定為不發(fā)生水力劈裂;否則,可判定為發(fā)生水力劈裂。式(1)的左端可由式(2)得到:J=1?ν2E(K2Ⅰ+K2Ⅱ)(2)式中:J積分可用平面應(yīng)變有限元方法計(jì)算得到;E和ν分別為心墻的彈性模量和泊松比(根據(jù)J積分的定義,式(2)對(duì)線彈性和非線性彈性材料均是成立的,對(duì)于非線彈性問題,E和ν分別取為切線彈性模量和切線泊松比)。綜合式(1)和式(2),可知J積分值越大,發(fā)生水力劈裂的可能性也就越大,因此,在下文的分析中,僅根據(jù)計(jì)算得的J積分值的大小判別發(fā)生水力劈裂的可能性大小,以分析影響水力劈裂的諸因素。1.2裂縫計(jì)算及分析圖3為一假想直心墻土石壩,壩料分區(qū)僅為心墻和壩殼兩種彈性材料。這里假定壩殼堆石料和土質(zhì)心墻料為線彈性材料,僅是為了計(jì)算分析的方便,與實(shí)際相比是比較粗糙的假定。在我國目前常用的土石壩有限元應(yīng)力變形計(jì)算中,通常假定壩料為非線性彈性材料,并多以鄧肯-張模型模擬其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。假定心墻上游面分布3條水平裂縫,分別位于距離壩底40.0m(即1/5壩高)、100.0m(即1/2壩高)和160.0m(即4/5壩高)處。這里忽略了裂縫的產(chǎn)生條件和形成過程,直接假定裂縫已經(jīng)存在,其目的僅是為了方便地計(jì)算分析裂縫位置及裂縫長度對(duì)水力劈裂的影響,實(shí)際上裂縫可因施工、氣候、蓄水等多種原因引起,但是否能夠引起本文所假定規(guī)模的裂縫尚需進(jìn)一步研究。假定水庫正常蓄水位為180.0m,庫水位最高可能達(dá)到壩頂高程,即200.0m。依據(jù)計(jì)算目的,共設(shè)計(jì)了如表1所列的9個(gè)計(jì)算方案。有限元模型建立時(shí),壩體及裂縫均盡量用4結(jié)點(diǎn)四邊形等參單元,局部用3結(jié)點(diǎn)三角形單元過渡。裂縫及其影響區(qū)域的有限元模型滿足文獻(xiàn)中討論的獲得收斂J積分值的所有要求。計(jì)算中,用分級(jí)加荷模擬大壩施工過程,大壩竣工后的蓄水過程沒有模擬,即假定庫水位是瞬時(shí)到達(dá)計(jì)算水位的。事實(shí)上,對(duì)200m級(jí)土石壩而言,實(shí)際工程的蓄水過程可能長達(dá)數(shù)年。在此過程中,隨著庫水向心墻的滲流,心墻土體將由非飽和狀態(tài)逐漸向飽和狀態(tài)過渡,其應(yīng)力狀態(tài)、孔壓等均將發(fā)生變化,對(duì)此,目前的分析方法尚不夠成熟。對(duì)水力劈裂而言,諸如裂縫的透水性、心墻土體的飽和狀態(tài)、孔壓等許多因素對(duì)其均有影響,而這些因素均隨水庫蓄水速率、水位等的不同而異,對(duì)其進(jìn)行比較全面的分析,目前尚有不少困難。在大壩施工中,如果不蓄水,水力劈裂是不可能發(fā)生的,因此計(jì)算中不考慮裂縫,即裂縫單元的材料參數(shù)同其他心墻單元。蓄水時(shí),假定裂縫已經(jīng)存在,且裂縫長度為計(jì)算假定長度,裂縫材料的彈性模量取心墻彈性模量的0.01%,泊松比取0.30。在心墻上游面施加庫水壓力的同時(shí),在裂縫內(nèi)也施加梯度水壓力。2影響因素分析2.1確定裂縫長度的情況對(duì)表1中的方案1,假定不同的裂縫長度,計(jì)算分析不同裂縫長度時(shí)J積分值隨庫水位的變化。圖4給出的計(jì)算結(jié)果顯示,不同長度裂縫的J積分值隨庫水位的抬高均呈增大變化,但增大速率隨裂縫長度的不同而異。也就是說,對(duì)于確定長度的裂縫,尤其是裂縫較長時(shí),庫水位越高,發(fā)生水力劈裂的可能性也就越大。圖4中還顯示,當(dāng)裂縫長度僅為2.0m時(shí),計(jì)算的J積分值隨庫水位抬高的變化很小。這是由于心墻上游面是傾斜面,當(dāng)庫水位抬高時(shí),作用于裂縫內(nèi)的水壓力增大,將促使裂縫擴(kuò)展,導(dǎo)致J積分值增大;同時(shí),作用于心墻上游面的豎向水壓力也增大,有利于裂縫閉合,將導(dǎo)致J積分值減小,計(jì)算得到的J積分值是這2種效果的綜合反映。由此可見,對(duì)于長度較小或很小的裂縫,若在低水位下不發(fā)生水力劈裂,在高水位時(shí)也很可能不發(fā)生水力劈裂。這種不發(fā)生水力劈裂的裂縫長度的臨界值,應(yīng)與諸如心墻上游面的傾斜程度、心墻材料特性等許多因素有關(guān),對(duì)于實(shí)際的壩體應(yīng)進(jìn)行專門研究。2.2合理裂裂應(yīng)力從整體和局部疊加對(duì)表1中的方案1,圖5給出的J積分隨裂縫長度的變化顯示,隨裂縫長度的增加,J積分值迅速增大。這表明,對(duì)于確定的水頭,裂縫越長,發(fā)生水力劈裂的可能性也就越大。圖5中還顯示,雖然在裂縫長度為2.0m時(shí),各水頭對(duì)應(yīng)的J積分值基本相等,但隨裂縫長度的增加,高水頭對(duì)應(yīng)的J積分值將明顯大于低水頭對(duì)應(yīng)的值。也就是說,如果水力劈裂發(fā)生所需要的J積分值為一恒定值的話,則高水位時(shí)發(fā)生水力劈裂所需的最小裂縫長度要小于低水位時(shí)的最小裂縫長度要求。2.3心墻壩水力催化劑用量的確定確定心墻中易發(fā)生水力劈裂的區(qū)域一直是人們所關(guān)心的問題,對(duì)此目前尚未形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。有研究認(rèn)為壩體頂部因受過往車輛、氣候等因素的影響容易產(chǎn)生裂縫,其為水力劈裂的發(fā)生提供了裂縫條件,因而發(fā)生水力劈裂的可能性較大,而且,心墻土體的含水量也容易受外界氣候的影響發(fā)生變化,這也可能加大發(fā)生水力劈裂的可能性。文獻(xiàn)認(rèn)為,可能發(fā)生水力劈裂的位置應(yīng)在壩體的中上部,而不是水壓力很大的壩體底部。文獻(xiàn)指出,對(duì)于高陡岸坡的心墻壩,防止心墻下部的水力劈裂是至關(guān)重要的。因此,目前還不能簡單地講水力劈裂的易發(fā)區(qū)是心墻的上部還是下部,現(xiàn)有的分析方法尚不能很好地回答該問題。對(duì)表1中的方案1～3,假定圖3中的3條裂縫具有相同的長度,計(jì)算其J積分值隨庫水位抬高的變化。圖6給出的計(jì)算結(jié)果表明,對(duì)于相同長度的裂縫,在同一庫水位下,裂縫的位置越是接近壩底,J積分值越大,發(fā)生水力劈裂的可能性也就越大。2.4心墻料間的獨(dú)立變量本文僅分析心墻的彈性模量、泊松比和密度三者對(duì)水力劈裂的影響。為了便于分析,將三者割裂為相互獨(dú)立的變量。實(shí)際上,對(duì)于確定的心墻料而言,三者間是相互聯(lián)系的,任意一個(gè)的變化必然引起其他兩個(gè)的變化。若將三者綜合考慮,并與實(shí)際心墻料的特性進(jìn)行比較分析,結(jié)果將更具有實(shí)用性,但由于實(shí)際心墻料的特性千差萬別,且影響因素眾多,很難找出有關(guān)這三者間的規(guī)律性的東西,因而不便于研究分析。2.4.1心墻彈性模量的影響對(duì)表1中方案3～5,即圖3中的“第3裂縫”,計(jì)算分析心墻材料的彈性模量對(duì)J積分的影響。圖7顯示,隨心墻彈性模量的提高,J積分值呈非線性減小,表明提高心墻土料的彈性模量,有利于提高心墻的抗水力劈裂能力,這一結(jié)論和以前研究成果是一致的。圖7中尚顯示,提高心墻的彈性模量,更有利于提高在高水位下,或存在較長裂縫時(shí)心墻的抗水力劈裂能力。2.4.2心墻材料泊松比的影響對(duì)表1中的方案3,6和7,即圖3中的“第3裂縫”,計(jì)算分析心墻材料泊松比對(duì)J積分值的影響。圖8給出的計(jì)算結(jié)果顯示,提高心墻材料的泊松比有利于提高心墻的抗水力劈裂能力,這一結(jié)論和以前研究成果也是一致的。2.4.3心墻土體密度對(duì)j積分值的影響對(duì)表1中方案3,8和9,即圖3中的“第3裂縫”,計(jì)算分析心墻土體的密度對(duì)J積分值的影響。圖9顯示,J積分值均隨心墻密度的提高呈減小變化。也就是說,提高心墻密度有利于提高心墻的抗水力劈裂能力。3力催化劑的影響在