黏土心墙土石坝水力劈裂的有限元分析

黏土心墙土石坝水力劈裂的有限元分析

由于粘土心墙水库储存可能发生的高暴露，可能会造成巨大的经济损失。因此，近年来，随着我国高土石坝工程的快速发展，这一问题已成为项目中的中心问题之一。一旦发生水压裂，裂缝中的间隙就会关闭、开放。人们无法直接观察到水库中是否有水压裂的情况。此外，随着水库的侵蚀，可以证实水库中存在水压裂的形成和破坏。这并不清楚。由于水压裂的复杂性，学术界在国内外对水压裂的发生、形成机制和评价方法进行了大量研究，并得出了许多有价值的研究成果。由于水压裂的复杂性，学术界对水压裂的发生、形成机制和评价方法仍有争议，因此没有得出公认的结论。由于水压裂的复杂性，学术界对水压裂的发生、形成机制和评价方法仍有争议，这是不可否认的。施莱尔等人通过分析了心墙大坝的拱效应。高.c.v.v.v.心墙是受水压上升的一个近似现象。他指出，心墙是由轻微的主应力量引起的。曾开华等人认为，增加坝体和心墙之间的弹性模量比可以更好地防止水压裂。斜室和地压的抗弯能力比直心墙强。张丙印等人认为，随着心墙的设计，提高了坝体和心墙的弹性模量比，以及降低了弹性模量比对心墙的不利冲击。其次，通过有效的压力法和总压力法的差异，应考虑心墙中潜在渗透的要素和渣体在快速储水过程中产生的渣面的抗弯能力。尹宗泽等人认为，堆垛岩和渣体在心墙中的“拱效应”以及渗透弱者的“楔形效应”是克服的。其次，这取决于是否可能存在渗透阻力和快速储水过程中心墙的弱化，以及水库快速蓄水过程中可能存在的弱面压力的一般效应。王俊杰等人通过实验断裂法和一般力学法的差异，分析和研究了心墙中不可避免的低渗、裂缝和快速储存的初始、垂直于裂面的足够水梯度，这是水压裂的可能性。通过分析非稳定流和超面断裂的。1土体渗流的破坏机理作者在中国水科院进行黏土心墙水力劈裂机理离心模型试验,发现当土体上游侧的水压力大于其相应位置的土压力时,土体上游侧将会产生水力劈裂裂缝,裂缝的持续发展将最终导致土体的渗透破坏.由此得出,在心墙堆石坝工程中,由于坝壳堆石与心墙土体变形不协调所引起的坝壳对心墙的拱作用是导致心墙发生水力劈裂的根本原因.心墙的水力劈裂一般发生在水库蓄水初期,水力劈裂裂缝的持续发展取决于外水压力在裂缝表面的作用.只有当心墙土体渗透系数较低,库水来不及在土体中形成渗流,才会对裂缝形成楔劈作用,并不断向心墙内发展.从目前关于水力劈裂的认识上看,土体的劈裂方式主要有拉裂破坏和剪切破坏2种,从离心模型试验所揭示的机理看,拉裂破坏可能会是更为主要的因素.从土样试验的结果看,证实了水力劈裂发生条件的正确性,即土体的有效小主应力小于土体的抗拉强度,但是,在土石坝工程中,这一判别准则的适用性却未必准确.因为,如果在心墙内部的局部区域由于孔压升高而导致有效小主应力小于土体的抗拉强度,将只会在心墙内产生局部拉裂缝,只会造成局部拉裂破坏,这和心墙表面因为坝壳的拱作用导致库水压力大于土柱上覆土压力而产生的水力劈裂并非是相同的概念.通过对心墙进行数值分析可以发现,在未蓄水之前,土体靠近坝壳的两侧主应力的方向已经发生了明显的偏转,大小主应力分别与竖直方向和水平方向分别形成了一定夹角.心墙上游侧蓄水之后,在水压力的作用下,土体主应力的方向进一步偏转,大主应力方向由通常的竖直方向已经偏转到接近于水平方向.在这种情况下,如果土体表面的有效小主应力出现拉应力,土体产生裂缝的方向将接近水平.传统的观点认为在堆石坝心墙中的大主应力方向基本为竖直方向,小主应力方向基本为水平方向,并未考虑坝壳对心墙的“拱作用”会导致心墙主应力方向的偏转,也因此判断出来的水力劈裂发生方向与实际工程中发生水力劈裂的方向不一致,主应力方向偏转的提出成功解决了这一矛盾.2计算结果的不足利用有限元计算结果对心墙是否发生水力劈裂进行判定的方法通常包括有效应力法和总应力法.有效应力法是以心墙中有效小主应力小于0作为判断条件;总应力法是用心墙内的总应力与上游水压力相比来判断是否发生水力劈裂.对于2种分析方法的合理性始终存在争议.殷宗泽等认为总应力法间接的考虑了水楔作用,但是无法模拟施工填筑期孔压的消散,也不能反映水力劈裂受心墙材料性质(包括渗透性、饱和度和填筑速度等)的影响,过大估计了水力劈裂的可能性;有效应力法是使用了不正确的内部水压力来比较,因此需要改进;提出将总应力(由心墙固结计算出的孔隙水压力和有效中主应力进行叠加而得到)与上游水压力作比较来判断是否会发生水力劈裂.为了进一步分析研究心墙土石坝水力劈裂的发生机理,本文以某心墙高土石坝为例,采用基于Biot固结理论的有效应力分析方法对其进行数值分析,根据心墙拉裂破坏造成水力劈裂的机理,通过有效应力的大小来判断水力劈裂是否发生,并且,通过比较小主应力(由有效小主应力与坝体中相应位置的孔隙水压力进行叠加得到)与心墙前相应位置的外水压力,判断水力劈裂是否发生.同时,考察坝体的应力水平分布情况.当靠近心墙上游表面位置的应力水平很大甚至达到1时,则心墙会产生由剪切破坏引起的裂缝,进而存在心墙发生水力劈裂的危险.3粘土墙水库的水力开裂分析3.1土石体非线性模型土石料是非线性材料,Duncan-Chang双曲线模型因其参数简单,物理意义明确,也能较好地反映这种非线性,因此在工程界得到了广泛应用.本文采用Duncan-ChangE-B模型反映土石体的非线性,模型中切线弹性模量Et和切线体积模量Bt计算公式分别为式(1)～(2)中,P为大气压力;K为弹性模量数;n为弹性模量指数;R为破坏比;SL为应力水平,表达式为SL=(σ1-σ3)/(σ1-σ3);Kb为体积模量数;m为体积模量指数;σ1和σ3是最大主应力和最小主应力,σ1-σ3为破坏偏应力,其表达式为σ1-σ3=(2ccosΦ+2σ3sinΦ)/(1-sinΦ),c和Φ为强度指标.3.2土体结构变形控制理论本文选取某坝高为295m,坝顶宽度为16m的黏土心墙堆石坝作为研究对象.防渗体采用直心墙,坝壳采用堆石填筑,心墙与上、下游坝壳堆石之间均设有反滤层和过渡层.计算分析中采用基于Biot固结理论的有效应力分析方法,认为土体(堆石体)的变形受有效应力控制,孔隙流体的流动遵守Darcy定律,同时考虑了土骨架在有效应力作用下的变形、饱和状态下的孔隙流体在孔隙压力及其梯度作用下的变形和流动、土骨架与孔隙流体之间的相互作用(如孔隙压力对有效应力的影响、土体孔隙变化对孔隙压力发展的影响等).以分级填筑的方式进行施工过程的模拟,共分为33级填筑施工,蓄水过程如图1所示,最高水位高度为285m,水荷载按照该过程分级施加.坝体材料按材料性质分为4个区,分别为堆石料区、过渡区、反滤层及黏土心墙区,计算过程中采用的材料参数如表1所示.坝体底端是位移边界和不透水边界.3.3坝体应力分析坝体在竣工期和满蓄期的有效小主应力分别如图2、3所示.竣工期,由于库水已经蓄至了一定高程,在库水对坝体造成的浮托作用下,上游侧有效小主应力已经减小.并且,在库水推力作用下,心墙向下游发生水平位移,同时存在一定的弯曲,在心墙变位造成的推力作用下,坝体下游侧堆石体的有效小主应力有所增大,其值大于上游侧对应位置的值.由于坝壳堆石对心墙的拱作用,心墙上游侧的有效小主应力有着较为明显地减小,但是,从应力的数值上看,心墙上游侧的有效小主应力虽然有所降低,但是未出现拉应力区,以有效小主应力小于0为判断依据,则尚未达到水力劈裂发生的条件,不会有水力劈裂现象发生.竣工期及满蓄期坝体孔隙水压力分布如图4、5所示,由图可见,由于坝体填筑速度控制较慢,填筑期历时较长,心墙料排水固结性能较好,坝体填筑期间已基本完成固结,因此心墙内基本没有累积超孔隙水压力.满蓄期,库水位上升至正常蓄水位后,心墙上下游之间的稳定渗流场很快建立,心墙内的渗透力没有导致心墙发生大的变形.由孔隙水压力与有效小主应力的叠加获得坝体的总小主应力,其等势线如图6、7所示.同样,竣工期,由于库水已蓄至一定高程,坝体上游侧总小主应力略高于下游侧.满蓄期,库水位上升,坝体总重量增加,上游的总小主应力有所增加.在库水推力作用下,心墙向下游发生水平位移,同时,存在一定的弯曲,在心墙变位造成的推力作用下,坝体下游侧堆石体的总小主应力有所增大,但总主应力仍小于上游侧.从竣工期到满蓄期,坝体上游侧靠近心墙位置的小主应力比该位置的墙前的静水压力高,尚未达到水力劈裂发生的条件,不会有水力劈裂现象发生.可见,采用总应力法和有效应力法进行心墙水力劈裂判断所得结果是一致的.坝体内部应力水平在竣工期的等势线如图8所示,其分布相对均匀,仅在心墙上游侧部分区域由于心墙向下游位移而出现了主动土压力状态,应力水平最大的区域的值约为0.8,其他区域应力水平均不高.在满蓄期,坝体内部应力水平的等势线如图9所示,在库水推力作用下,透水性较小的心墙出现较大的朝向下游侧的水平位移,从而减小了上游堆石的侧向约束,加大了下游堆石的侧向约束.在此效应作用下,心墙上游侧堆石体小主应力有所减小,同时剪应力水平上升,主动土压力区进一步扩大;同时,心墙下游侧堆石体小主应力上升,剪应力水平减小,成为被动土压力区.心墙上游侧堆石体的中上部区域剪应力水平较高,甚至达到1.0,因此,坝体上游侧可能发生剪切破坏,需要防范水力劈裂现象的发生.黏土心墙坝在蓄水过程中,虽然坝体靠近心墙上游面未出现有效小主应力为拉应力的区域,有效小主应力与相应位置孔隙水压力叠加后仍然比相对应位置的外水压力小,不具备发生水力劈裂的条件,不会发生由拉裂破坏引起的心墙水力劈裂.但是,在水压力作用下,心墙上游侧区域出现较大的应力水平区域,可能造成坝体发生剪切破坏.剪切破坏形成的心墙表面的裂缝在外水压力作用下有可能进一步扩展,从而引发水力劈裂.4主应力方向偏转在心墙堆石坝工程中,由于坝壳堆石与心墙土体变形不协调所引起的坝壳对心墙的拱作用是导致心墙发生水力劈裂的根本原因;并且由于坝壳对心墙的“拱作用”会导致心墙主应力方向