（岩土工程专业论文）粘土心墙土石坝水力劈裂的有限元数值仿真研究.pdf

摘要 论文题目： 学科专业： 研究生： 指导导师： 粘土心墙土石坝水力劈裂的有限元数值仿真研究 岩土工程 肖耀廷 党发宁教授 摘要 签名： 签名： 水力劈裂是土石坝工程中最为关注，也最有争议的问题之一。水力劈裂会导致大坝防 渗体的破坏从而造成灾难性的后果。然而，水库蓄水压力能否在心墙的上游表面造成裂缝， 进而形成集中渗水的通道并导致大坝的破坏，时至今日在工程和学术界仍有争论。人们对 水力劈裂发生的条件、频率以及判别方法等问题尚存在有不同看法。尽管如此，论证心墙 是否有发生水力劈裂的可能性仍是当前各种心墙土石坝在设计当中需要解决的核心问题 之一。因此，对水力劈裂问题进行深入研究，论证心墙水力劈裂的发生条件、发生机理， 进而提出合理的水力劈裂判别标准和切实有效的预防措施，对土石坝的设计、施工和安全 运行有着十分重要的意义。本文主要围绕土质心墙土石坝水力劈裂的发生条件、发生机理 和判别标准等进行理论分析和数值模拟。 首先在对水力劈裂发生的条件和机理做详细阐述的基础上，总结现有的研究水力劈裂 的数值方法即有效应力法和总应力法，通过计算结果的对比，分析两种方法的优缺点，得 出有效应力法的局限性以及总应力法的相对可行性；并利用总应力法对影响水力劈裂发生 的各影响因素如心墙和坝壳料的弹性模量、泊松比、心墙的坝坡、密度等进行敏感性分析， 从而得出对水力劈裂发生影响较大因素是坝壳与心墙的弹模比和心墙的泊松比，次之的是 坝壳的密度和心墙上游的倾角； 其次，对水力劈裂发生影响较大的参数即坝壳与心墙的弹模比和心墙的泊松比做进一 步分析。通过对两座不同高度，不同倾角大坝的分析和对比，得出控制水力劈裂发生的坝 壳与心墙的弹模比和心墙的泊松比的关系曲线，从而为设计提供依据； 最后，对某粘土心墙水电站做三维有限元数值计算，从坝体中沿顺河向取出三个具有 代表性的截面，用总应力法对三个截面分别进行判断，得出该水电站不会发生水力劈裂， 这与根据坝壳与心墙的弹模比和心墙的泊松比的关系曲线而判断不会发生水力劈裂的结 果相符，进而论证了给定的坝壳与心墙的弹模比和心墙的泊松比的关系曲线的正确性。 关键词：心墙坝；心墙；水力劈裂；有限元法；总应力法；有效应力法；拱效应 本文研究得到国家自然科学基金面上项目( 编号：5 0 6 7 9 0 7 3 ) 的资助 西安理工大学硕士学位论文 本文研究得到国家自然科学基金重点项目( 编号：9 0 5 1 0 0 1 7 ) 的资助 a b s t r a c t t i t l e ：h y d r a u l i cs p l i t t i n ga n a l y s i sa n dt h r e ed i m e n s i o n a l f i n l t ee l e m e n ta n a l y s i sf o rc l a ：丫c o r e de a r t hd a m m a j o r ： g e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g n a m e ： y a o t i n gx i a o s u p e r v i s o r ：p r o f f a n i n gd a n g a b s t r a c t s i g n a t u r e - s i g n a t u r e - h y d r a u l i cs p l i t t i n gi so n eo ft h em o s tc o n c e r n e da n dc o n t r o v e r s i a lq u e s t i o n si nt h ee a r t h d a m h y d r a u l i cs p l i t t i n gw o u l dc a u s ed e s t r u c t i o no f t h ei m p e r v i o u sm a t e r i a lo ft h ed a ml e a d i n g t ot h ed i s a s t r o u sc o n s e q u e n c e h o w e v e r ，i ti sc o n t r o v e r s i a lt h a tw h e t h e rt h ei m p o u n d e dw a t e r p r e s s u r ec a l lc r e a t et h ec r a c ko nt h es u r f a c eo fu p s t r e a mw a l lt of o r mt h ep e r m e a b l ej o i n t s c a u s i n gt h ed e s t r u c t i o no ft h ed a mi nt h ep r o j e c ta n dt h ea c a d e m i cc i r c l e sa tp r e s e n t t h e r ea r e s o m ed i f f e r e n tv i e w sa b o u tt e r m sa n dc o n d i t i o n s 、f r e q u e n c y 、d i s c r i m i n a t i o nm e t h o do ft h e h y d r a u l i cs p l i t t i n g 扬ep o s s i b i l i t yo ft h eh y d r a u l i cs p l i t t i n gi nt h ec o r ed a mi st h ek e yp r o b l e mi nt h ed e s i g no f l a r g ed a m s t h e r e f o r e ，i th a st h ei m p o r t a n tt h e o r yv a l u ea n dt h ep r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et od e s i g n 、 c o n s t r u c t i o np r o c e d u r eo ft h ee a r t hd a m sw e l l 勰t h ed a mb o d ys e c u r i t yb ys t u d y i n gt h e h y d r a u l i cs p l i t t i n g ，a n a l y z i n gt h et e r m sa n dc o n d i t i o n sa sw e l la st h em e c h a n i c s ，t h e np r e s e n t i n g r e a s o n a b l ed i s c r i m i n a t i o ns t a n d a r da n dt h ee f f c t i v ep r e c a u t i o n a r ym e a s u r e s t h ea r t i c l ea n a l y s e sa n ds i m u l a t e st h et e r m sa n dc o n d i t i o n s 、t h em e c h a n i c s 嬲w e l l 硒 d i s c r i m i n a t i o ns t a n d a r d f i r s t l y ，t h ea r t i c l es u m su pt h ea v a i l a b l en u m e r i cm e t h o de gt o t a ls t r e s sm e t h o da n d e f f e c t i v es t r e s sm e t h o dr e s e a r c h i n gt h eh y d r a u l i cs p l i t t i n gb a s e do nt e r m sa n dc o n d i t i o n s 勰w e l l a st h em e c h a n i c s ，t h e ng e n e r a l i z e st h em e r i t sa n dd e m e r i t so ft h et w om e t h o db yc o m p a r i n gt h e c a l c u l a t i o na n do b t a i n st h el i m i t a t i o no fe f f e c t i v es t r e s sm e t h o da n dt h er a t i o n a l i t yo ft o t a ls t r e s s m e t h o d a tt h es a m et i m e ，t h et o t a ls t r e s sm e t h o di su s e dt oa n a l y s i st h ei n f l u e n c i n gf a c t o r s c a u s i n gt h eh y d r a u l i cs p l i t t i n gs u c ha st h ee l a s t i cr a t i o 、p o i s s o n sr a t i oo ft h ec o r ea n dt h ed a m s h e l lm a t e r i a l 、d a ms l o p e 、d e n s i t yo f t h ec o r e ，a n do b t a i n st h a tt h ee l a s t i cm o d u l a rr a t i oo f t h e c o r ea n dt h ed a ms h e l lm a t e r i a la n dt h ep o i s s o n sr a t i oo ft h ec o r ea r et h em a i nf a c t o r s c o m p a r i n gt ot h ed e n s i t yo f t h ed a ms h e l la n dt h ec o r es l o p eo nt h eu p s t r e a m s e c o n d l y , t h ea r t i c l ef u r t h e rs t u d i e so nt h ep a r a m e t e r se ge l a s t i cm o d u l a rr a t i oo ft h ec o r e a n dt h ed a ms h e l lm a t e r i a la n dt h ep o i s s o n sr a t i oo ft h ec o r et h a tm o r ei n f l u e n c i n gt h e m 西安理工大学硕士学位论文 h y d r a u l i cs p l i u i n g b yc o n t r a s t i n ga n da n a l y z i n gt w od a mo fd i f f e r e n th e i g h ta n dd i f f e r e n ts l o p e ， w ec a ng e tt h es p a no ft h ee l a s t i cm o d u l a rr a t i oo ft h ec o r ea n dt h ed a ms h e l lm a t e r i a la n dt h e p o i s s o n sr a t i oo ft h ec o r et oc o n t r o lh y d r a u l i cs p l i t t i n ga n dd i s t r i b u t et h er e f e r e n c ef o rt h e d e s i g n f i n a l l y ，w ec a l c u l a t e t h ec l a yc o r ed a mo fo n e h y d r o e l e c t r i c s t a t i o nu s i n gt h e t h r e e - d i m e n s i o n a lf i n i t e - e l e m e n tm e t h o d i nt h e a r t i c l e ，w ei n t e r c e p tt h r e er e p r e s e n t a t i v e s e c t i o n sa n dd i v i n et h e ms e p a r a t e l yt oo b t a i nt h a tt h eh y d r a u l i cs p l i t t i n gw i l ln o tt a k ep l a c ei n t h eh y d r o e l e c t r i cs t a t i o n m a t c h i n g 、析lt h er e s u l ta b o u tt h es p a nc a l c u l a t e dt h o u g ht h e p a r a m e t e r s ，a tt h es a m et i m e ，t h ep r e c i s i o no ft h es p a no ft h ee l a s t i cm o d u l a rr a t i oo ft h ec o r e a n dt h ed a ms h e l lm a t e r i a la n dt h ep o i s s o n sr a t i oo ft h ec o r eh a sb e e np r o v e d k e yw o r d s ：c o r ed a r n ；c o r e ；h y d r a u l i cs p l i t t i n g ；f i n i t e - e l e m e n tm e t h o d ；t o t a ls t r e s sm e t h o d | e f f e c t i v es t r e s sm e t h o d ；a r c he f f e c t t h i sw o r kw a s s u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( g r a n tn o5 0 6 7 9 0 7 3 ) 础sw o r kw a ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( g r a n tn o9 0 510 017 ) i v 独创性声，明 一，秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：j 本人所呈交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。，与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 ， 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任5 论文作者签名： 俐年；月斫 学位论文使用授权声明 本人 ：萄磐导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩： 并已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意 授权西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，。即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为， 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签舞：鞲师芋名；绷：；少妒弓月，妒 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 随着我国经济的发展和西部大开发战略的实施，许多大中型水库正处于论证、设计或 建设阶段。由于土石坝具有适用条件广、经济效益好、设计手段较成熟、施工速度较快、 施工导流易解决及抗震性能强等许多优点m ，在大坝选型中常被首先考虑。当坝址覆盖层 深厚时，其常常不仅是可行的、有时甚至是惟一的选择。 事实上，在水坝工程中，土石坝的建设数量一直居于首位。我国己建成的水坝绝大多 数为土石坝。目前，已建成坝高l o o m 以上的土石坝1 7 座，另有超过2 4 座高l o o m 以上的 土石坝正在建设和设计论证之中2 1 。其中包括位于雅碧江干流的两河口水电站土质心墙堆 石坝( 坝高2 9 5 m ) ，位于大渡河上游长河水电站心墙堆石坝( 坝高2 4 0 m ) ，位于崛江一级支 流杂谷脑河上游的狮子坪水电站砾石土心墙堆石坝( 坝高1 3 6 m ) ，位于澜沧江下游的糯扎 渡水电站砾质粘土心墙堆石坝( 坝高2 6 1 5 m ) 及位于大渡河上的双江口水电站土质心墙堆 石坝( 坝高3 2 2 m ) d 1 。 对中小型土石坝，经验比较丰富，有关理论也比较成熟。但在高土石坝设计建设中仍 有许多关键的岩土工程技术问题急待解决n 1 ，心墙的水力劈裂问题就属其一。 水力劈裂指的是由于水压力的抬高，在岩体或土体中引起裂缝发生与扩展的一种物理 现象“钉。土石坝心墙的水力劈裂问题是土石坝工程中人们最为关注，同时也是最有争议 的问题之一n 1 。水力劈裂被普遍认为是土石坝蓄水初期产生集中渗漏的主要原因之一，也 是导致坝体破坏( 产生内部侵蚀或管涌现象) 的重要因素之一n 1 。 由于问题的重要性和复杂性，工程和学术界已对此开展过大量的研究工作。但由于水 力劈裂的发生、发展过程很难可视化，长期以来，人们只能通过推理的方法从工程、试验 现象对其进行研究。为了弄清水力劈裂发生的机理及发展过程，人们进行了大量的现场、 室内试验和数值模拟研究。但由于对水力劈裂发生机理的认识不同，以及在试验中模拟土 石坝心墙水力劈裂发生条件的难度很大等多种原因，使得目前已取得的研究成果很难可靠 地应用于土石坝的设计、建设中。 时至今日，人们对土石坝心墙水力劈裂现象的发生机理、发生条件、以及判别方法等 问题仍存在不同的看法2 1 。有必要对其进行深入地研究，尤其是在我国，不仅各类土石坝 的数目越来越多，而且土石坝的高度也愈建愈高，已有多座2 0 0 m 以上的高土石坝正在建 设或设计论证中。论证心墙水力劈裂问题的发生机理、发生条件、发展过程及判别准则己 成为土石坝设计、建设中急待解决的问题之一，因而确定为本文研究的核心内容。 1 2 我国土石坝的现状 1 2 1 我国土石坝的发展 我国土石坝的历史悠久，从秦朝都江堰以来到建国初土石坝几乎统治者全国的所有江 河，尤其是以广西、四川、广东、陕西、山东、山西等尤为众多。从二十世纪八十年代以 后，从水利事业发展需要出发，结合鲁布革、小浪底、瀑布沟等高土石坝建设，系统地对 西安理工大学硕士学位论文 土石坝设计理论、坝料力学变形特性、计算分析方法等方面进行了深入研究，获得了丰硕 的成果，这些成果对提高我国高土石坝设计水平，推动高土石坝在国内水电工程中的普及 起到了良好的促进作用7 1 。但由于水电工程的特殊性及土石材料力学变形特性的复杂性， 使每个工程都有其独特的地方，必须有针对性的进行深入研究。 近些年来，随着天生桥一级混凝土面板坝( 坝高1 7 8 m ) 、小浪底斜心墙坝( 坝高1 6 4 m ) 、三峡茅坪溪沥青混凝土心墙坝( 坝高1 0 4 m ) 、天荒坪沥青混凝土面板坝( 防渗面积 2 8 6 8 万n 1 2 ) 的建成，土石坝工程技术在我国取得了长足的进步。当前，随着国内经济的 迅速发展，水利水电工程迎来一个新的建设高潮，土石坝这种具有悠久历史的坝型得到了 普遍采用，其建设规模和数量均列各坝型之首。伴随着科学技术的不断进步，一批混凝土 面板坝、粘土心墙坝和斜墙坝、沥青混凝土心墙坝、沥青混凝土面板坝等具有国际先进水 平的高土石坝工程开工建设，使我国土石坝工程的设计、科研和施工技术达到了一个新的 水平。在水电开发一片莺歌燕舞的形式下，土石坝必将为我国的发电、灌溉、蓄水、防洪 等建设作出更大的贡献u 1 。 土石坝因其对地质条件的良好适应性以及经济性，同时随着施工技术的逐步发展和完 善，以及大型施工机械的应用，在国内外得以广泛的修建，而且，其建筑高度也在不断增 加。在水坝工程中，土石坝的建造一直居于首位，我国建国以来所修建的八万多座水库中， 其水坝绝大多数为土石坝。据1 9 8 9 年的统计钉，土石坝约占我国已建成水坝总数的9 3 。 近二十年来，我国己经建成超过l o o m 的高土石坝1 7 座，如高1 7 8 m 的天生桥一级面板 堆石坝和高1 5 4 m 的小浪底心墙堆石坝。另外，还有2 4 座高度为l o o m 以上的土石坝正 在设计论证和建设之中，包括高2 6 3 m 的苗家坝，高2 6 1 5 m 的糯扎渡心墙堆石坝、高1 2 5 m 的冶勒沥青混凝土心墙堆石坝，高1 3 6 m 的狮子坪水电站砾石土心墙堆石坝和高2 2 7 m 的 水布垭面板堆石坝。可以看出这些土石坝大多数为心墙堆石坝。 l 。2 2我国土石坝存在的问题 我国是世界上水库最多的国家，有大、中、小水库8 6 万余座，江河湖海堤防2 6 万 余k m ，据统计，世界范围内土石坝占大坝总数的8 2 9 ，在中国土石坝占大坝总数的9 3 t l o | 。这些工程是提高江河防洪标准、利用水资源和改造环境、发展国民经济的重要手段， 我国现有土石坝水库在防洪、兴利方面发挥了重要作用，对保障经济建设和人民生命财产 安全，具有重要意义。但是，由于各种原因，一些堤坝存在不同程度的隐患，不能充分发 挥效益，溃坝决堤事故时有发生，严重威胁着人民的生命财产安全t i l l 。 根据有关统计资料，截止1 9 8 0 年，我国大、中、小型水库的破坏共2 9 7 6 次，其破坏 率为水库总数8 6 8 5 2 座的3 4 ，平均每年为1 1 0 次，年平均破坏率为3 6 。按水库等 级分，小型水库的破坏最多，占9 6 。按坝型分，土石坝所占比例最大，约9 8 3 。按破 坏类型分，漫顶占5 1 5 ，渗流占2 9 1 ，其他1 9 4 。据水利部1 9 9 4 年的抽查统计，在 3 7 4 座大型水库中，病险库就有11 1 座，约占大型水库数量的3 0 ；2 5 0 0 座中型水库中， 病险库6 7 0 座，约占中型水库的2 6 8 ；小型水库8 万多座，其中病险水库约占4 0 n 幻。 l 绪论 由此可见我国土石坝虽然数量众多，但是由于各种原因，比如设计理念和施工质量都 不高，以及规范制定存在漏洞和缺陷，同时在运行期的维护方面做得也不够完善等诸多原 因，使得我国的水库普遍存在着病险情况。 1 2 3 与水力劈裂有关的大坝事故 水力劈裂在工程实践中是很难观测到的，因此通常用间接的证据证明水力劈裂的发 生。水力劈裂发生的工程实例通常是在大坝初次蓄水后很短时间内就发现异常高的渗流或 渗漏现象 1 3 1 。 在土石坝竣工蓄水过程中，被认为与水力劈裂有关的大坝事故实例很多。其中导致大 坝溃决的典例是位于美国爱达荷州蛇河( s n a k e ) 支流提堂河( t e t o n ) 上的t e t o n 宽心墙堆 石坝。造成大坝渗漏的例子较多，其中挪威的h y t t e j u v e t 窄心墙土石坝应属典例，下面 对这两起大坝事故过程做简要介绍，以说明研究土石坝心墙的水力劈裂问题是具有重要现 实意义的。 ( 1 ) 美国t e t o n 坝的溃决 t e t o n 坝n 卜埔1 为宽心墙堆石坝，自开挖后最低点算起的最大坝高为1 2 6 m 自河床算起 的最大坝高为9 3 m ，坝顶高程1 6 2 6 2 6 m ，坝顶长度包括溢洪道约9 5 0 m ，上游坝坡坡比 1 ：2 5 - - 1 ：3 0 ，下游坝坡坡比1 ：2 o l ：3 0 。防渗心墙土料为取自河谷上部的风积粉砂 土，为一种低塑性粉砂，渗透系数约5 x l o - c m s 。坝址地层自下而上分别为节理发育显 著的熔结凝灰岩、玄武岩及第四纪覆盖层。 由于坝基熔结凝灰岩中张开的节理发育，玄武岩与熔结凝灰岩之间又存在一层厚约 1 2 - 7 o m ，由粉砂、砂和砾石组成的冲积层，具有较大的透水性，故采用了基础防渗处 理措施。 1 9 7 2 年2 月开始施工，1 9 7 5 年1 1 月2 6 日填筑到顶。1 9 7 5 年1 0 月3 日封闭导流隧 洞后开始蓄水，设计对库水位上升速率的要求是，在1 5 8 6 m 高程( 即距离坝顶4 0 2 6 m ) 以 上每天不超过0 3 0 m 。1 9 7 6 年3 月3 日，库水位达到1 5 8 0 m 高程，3 月2 3 日到5 月4 日， 实际蓄水速度为每天0 6 0 m 。5 月4 日之后，因春汛洪水较大，而水库的实际泄洪能力有 限，库水位上升速率平均达到每天0 9 0 m ，最高达1 3 0 m 。6 月5 日失事时，水位达到1 6 1 7 m 高程，比溢流堰顶仅低0 9 0 m ，比坝顶低9 2 6 m 。 失事后，专门成立的非官方独立调查组和官方内部调查组对事故原因进行了调查。调 查组认为，具有可冲蚀性的心墙料和发生在心墙下部的水力劈裂导致的坝体内部冲蚀和管 涌是造成溃坝的主要原因。 ( 2 ) 挪威h y t t e j u v e t 坝的初次蓄水渗润 h y t t e j u v e t 坝n 钉啪始建于1 9 6 4 - - 1 9 6 5 年，是一座心墙下游面直立的窄心墙土石坝， 心墙土料为宽级配冰债粘土。坝轴线微凸向上游，坝址河谷为左岸明显陡于右岸的非对称 形态。最大坝高9 3 m ，坝顶长度约4 0 0 m ，坝项高程7 4 9 m ，设计最高水位7 4 6 m 正常水位为 7 4 5 m 。在1 9 6 4 年第一施工期结束时，测得心墙内的孔压很高。为了加快孔压消散，1 9 6 5 西安理工大学硕士学位论文 年施工时，将上部( 高程7 0 0 m 以上) 心墙的设计宽度变小，使得高程7 2 7 8 m 以上的心墙为 厚度仅4 0 m 的直立等厚度心墙。 1 9 6 6 年5 月，水库开始快速蓄水( 在1 9 6 6 年的5 、6 月的6 0 天内，库水位升高6 5 m ) ， 同年1 0 月，蓄水达到设计正常水位。蓄水过程中，在水位值低于正常水位7 o m ( 即高程 7 3 8 m ) 时，通过大坝下游流量堰测得的渗水量仅不足1 o 2 0 1 s ，随着水位的进一步升 高，渗水量明显加大，当库水位接近7 4 0 m 高程时，渗水量突然增大，最大值达6 3 o l s 以 上，且渗漏水色混浊，每升含o 1 9 粘粒。随即减小了蓄水速率( 库水位仍缓慢上升) ，渗 水量也随之明显减小，在库水位由7 4 0 m 蓄高到7 4 5 m 高程过程中，渗水量介于6 2 0 4 5 o ，墨 k j a e r n s li 和t o r b ll a 认为乜嘲1 ，心墙内部的水平裂缝是蓄水过程中产生异常渗漏 的原因。由于心墙与相邻坝壳填料之间存在较大的压缩性差异，拱效应使得心墙内部某些 位置的总竖向应力远远低于计算的自重应力，发生在这些位置的水力劈裂造成水平裂缝张 开。而水平裂缝的产生则是由于在蓄水过程中，心墙上游面某些位置的有效应力减小为零 所致。 另外，还有许多土石坝的异常渗漏也被认为与水力劈裂有关，如英国的b a l d e r h e a d 坝，挪威的v i d d a l s v a t n 坝，美国的w i s t e r 坝和y a r d sc r e e k 坝以及加拿大的 m a n i c o u a g a n 坝瞄1 等等。 1 3水力劈裂的研究现状 由于水力劈裂问题的重要性，在工程和学术界己开展过大量的研究工作。但由于问题 的复杂性，人们对其发生机理的认识尚不统一，导致判定准则多样。这里从试验研究、数 值模拟等方面对前人研究成果进行简单综述。 1 3 1室内试验 室内试验是前人研究水力劈裂问题的最主要的手段。多数是利用中空( 圆柱形孔) 的圆 柱形试样( 厚壁或薄壁圆筒) 或方形试样( 长方体或正方体) 来探讨水力劈裂的机理及影响 因素的，仅少量是利用预制裂缝( “信封一形裂缝) 的方形试样进行试验研究的。用于水力 劈裂试验的仪器主要是常规三轴仪，另外还有真三轴仪、固结仪和方形压力盒等。 ( 1 ) 圆柱形试样 1 9 7 2 年，b j e r r u m 2 钉n 日等在常规三轴仪中，利用压实粉质软粘土进行了水力劈裂试 验。试样直径8 o o c m ，高度13 o o c m ，从试样底部插入的测压管直径0 3 0 c m ， 长4 o o c m ，试样在垂直应力等于2 倍水平应力状态下固结。试样结果为发生了垂直破裂面， 且裂缝闭合压力等于水平压力。 1 9 7 3 年，n o b a r i 乜盯等研究了水力劈裂发生的应力条件。圆筒形试样外径3 5 6 c m ，内径 0 6 4 c m ，高8 9 0 c m 。进行了的水力劈裂试验包括：( 1 ) 在试样内水压力大于外水压力，且保 持内、外水压力不变的条件下，减小垂直压力，直至水力劈裂发生。试验结果为发生了由 内到外扩展的水平破裂面；( 2 ) 在试样内水压力小于外水压力，且保持内、外水压力不变 1 绪论 的条件下，减小垂直压力，直至水力劈裂发生，试验结果为发生了由外到内的水平破裂面； ( 3 ) 在试样内水压力大于外水压力，且保持外水压力和垂直压力不变的条件下，增大内水 压力，直至水力劈裂发生，试验结果为发生了由内到外的垂直破裂面：( 4 ) 在试样内水压 力等于外水压力，且保持内、外水压力不变的条件下，减小垂直压力，直至水力劈裂发生， 试验结果为发生了整个试样截面同时发生的水平破裂面。由此，认为水力劈裂的破坏机理 是拉裂破坏。 1 9 8 1 年，d e c k e r 和c l e m e n c e 啪1 在常规三轴仪中，对低塑性击实粘土，用插入试样内 部的皮下注射器针头进行了水力劈裂试验。试样直径7 1 2 c m ，高度1 5 2 4 c m 。试验结果与 m o h r - c o u l o m b 准则吻合很好，提出了水力劈裂压力计算的经验公式。 1 9 8 5 年，h a s s a n i 嘲1 等利用常规三轴仪，对粘性土的厚壁圆筒试样进行水力劈裂试验。 试验结果表明，水力劈裂压力与围压之间成线性关系；非饱和试样的水力劈裂压力大于饱 和试样的水力劈裂压力；对饱和试样而言，水力劈裂压力随试样制备含水量的增大而减小； 随试验历时的增加，水力劈裂压力减小。 1 9 8 5 年，孙亚平乜”用自制的土壤水力劈裂仪，对饱和击实粘土厚壁圆筒试样进行了 水力劈裂试验。试样高度2 0 o o c m ，外径5 o o c m ，内径1 o o c m 或2 o o c m 。试验包括由渗水 压力和内壁接触压力导致的破坏两种类型。试验结果和理论分析表明，试样内壁表面的最 小有效主应力达到土体抗拉强度是发生水力劈裂的必要条件。 1 9 8 5 年，朱建华瑚札对不同饱和度的压实粘性土，进行了应力控制式和应变控制式 两类水力劈裂试验。认为水力劈裂的性质，既不是一点破坏导致整体破坏，也不是整体达 到极限后才出现的破坏形式，而是介于两者之间。提出了在渗透力作用下，只有流线间存 在一定夹角时，才会产生水力劈裂的结论。 同年，杨斌进嘞踟行了广义平面应变条件下，薄壁圆筒试样的水力劈裂试验研究。 认为在不同起始大小主应力比的条件下，试样既可以发生水力劈裂破坏，也可以发生剪切 塑流破坏。 1 9 8 7 年，m o r i 和t a m n r a 哪! 对粘性土厚壁圆筒试样，进行了水力劈裂试验。试样外径 5 o o c m , 7 5 0 a m 和1 5 o o c m ，内径0 4 0 c m 和0 8 0 c m ，高度1 0 0 - 2 0 0 倍外径。提出了水力劈 裂压力计算的经验公式。认为水力劈裂的力学机理是剪切破坏，而不是拉裂破坏，而且只 要水压力加压速率足够大，圆孔内液体的粘度、试样大小和圆孔边的局部裂缝等，对水力 劈裂压力的影响就可以忽略。 1 9 8 9 年，黄良辉瞄1 利用多功能液压三轴仪，对薄壁圆筒试样在复杂应力条件下，进 行水力劈裂试验。认为复杂应力条件下，发生水力劈裂的必要条件，仍是最小有效主应力 达到土体的抗拉强度。 同年，p a n a h 和y a n a g i s a w a 弱耵1 在不同围压下，对击实粘性土的厚壁圆筒试样进行 了水力劈裂试验。认为在不排水不固结条件下，当孔周的总应力达到符合 m o h r c o u l o m b 准则的破坏条件时，水力劈裂发生。基于圆孔扩张理论，推求了水力劈裂压 西安理工大学硕士学位论文 力计算的弹性解和弹塑性解。 1 9 9 0 年，l o 和k a n l a m 耜1 假定水压力达到初始小主应力与土体抗拉强度之和时发生水 力劈裂，且破坏线为m o h r - c o u l o m b 强度线，基于圆孔扩张理论推求了水力劈裂的弹性解。 对含砂粉质粘土的击实厚壁圆筒试样，在围压等于轴向压力0 6 0 倍的条件下进行了一系列 水力劈裂试验。试验结果表明，在相同的围压下，试样饱和固结( s c ) 条件的水力劈裂压力 最大，不饱和不固结( u u ) 条件的次之，饱和不固结( s u ) 条件的最小。 同年，m o r i 等瑚训用粘性液体( 如水泥浆) 代替水，对砂土和粘性土的厚壁圆筒试样 进行了水力劈裂试验。试验结果表明，对粘性土试样，当粘性液体的粘度大于3 0 s 时，水 力劈裂压力与基于圆孔扩张的弹塑性解相等，即发生剪切破坏。认为是由于粘性液体的粘 度限制了液体进入裂缝，从而没有“水劈”作用形成所致；而在砂土中，粘性液体的粘度 对水力劈裂起始压力的影响较小。 1 9 9 1 年，v e n k a t a c h a l a m 等“在研究心墙料应力一应变特性的基础上，对击实土样进 行了水力劈裂试验。试验结果表明水力劈裂压力与围压呈线性关系。 1 9 9 4 年，a t k i n s o n 等1 假定水力劈裂与围压、土体的不排水抗剪强度和圆筒试样的 内、外径之比有关，基于圆孔和球孔扩张理论，推求了水力劈裂压力的计算公式。研究指 出，土石坝心墙的水力劈裂与实验室试样的水力劈裂之间有很大不同，最主要的是水压力 的作用形式和土体的应力状态的不同。 1 9 9 8 年，刘令瑶等阳1 对宽级配砾石土的圆筒形试样，进行了水力劈裂试验研究。认 为砾石的含量是决定水力劈裂能否发生的因素。 2 0 0 1 年，a l f a r o 和w o n g 分别利用三轴仪和固结仪，进行了厚壁圆筒试样的水力劈 裂试验。三轴试样直径1 5 o o c m ，高1 8 o o c m ，并在圆孔壁预制水平或垂直裂缝；固结仪试 样直径3 7 o o c m ，高4 0 o o c m 。试验结果表明，水力劈裂是拉裂破坏；初始裂缝的存在会减 小水力劈裂起始压力，但并不控制水力劈裂面的延伸方向。 2 0 0 3 年，a u 等“钉利用改造的固结仪，对高岭土试样进行了水力劈裂试验。试样直径 5 o o c m 或10 o o c m ，高度1 0 o o c m 。从试样底部中心插入一根铜管，铜管外径0 4 0 c m 、内 径0 3 0 c m ，插入深度5 o o c m 。在不同固结状态下，用不同粘度的液体进行了水力劈裂试验， 分析了超固结比、边界条件等因素对水力劈裂压力的影响。 ( 2 ) 方形试样 1 9 8 1 年，j a w o r s k i 等阳盯1 用t e t o n 坝心墙料的原状土和重塑土，制成边长为2 0 3 0 c m 的立方体试样，在三个方向独立施加压力的条件下，进行了试样内钻孔和“岩石节理 等 一系列水力劈裂试验。研究了土体的组成、密度、含水量、抗拉强度、试验历时等因素对 水力劈裂压力的影响，以及水力劈裂发生后裂缝的闭合及重新开裂等，并提出了水力劈裂 压力计算的经验公式。 1 9 9 3 年，m u r d o c h 瑚在方形压力盒内，对不同含水量的击实粘质粉土试样，在试样中 预制“信封”形裂缝，并沿裂缝中心线旌加水压力进行了水力劈裂试验。试样尺寸1 0 o o c m l 绪论 x1 0 0 0 c r u x3 9 o o c m ，裂缝宽度1 2 0 c m - 7 2 0 c m 。基于线弹性断裂力学建立了水力劈裂理 论。 1 9 9 4 年，y a n a g i s a w a 和p a n a h 对中空方形试样，进行了真三轴应力状态下的水力劈 裂试验，并依据弹性理论推求了水力劈裂起始压力的计算式。认为，水力劈裂压力是大、 小主应力和土体的不固结不排水抗剪强度指标的函数，大主应力的增大会使水力劈裂压力 减小，且水力劈裂破裂面应与大主应力作用面垂直。 2 0 0 1 年，曾开华呦1 在真三轴仪中，利用南京下蜀粘土进行了水力劈裂试验。试样尺 寸7 0 0 c r u x 7 o o c m x 3 5 0 a m ，试样内圆孔直径0 4 0 a m ，0 6 0 c m 和0 8 0 c m ，圆孔内试验段长 度1 o o c m 。依据试验目的，共进行了三类水力劈裂试验，即水力劈裂压力计算式试验、压 力水加荷速率影响试验和中心圆孔孔径影响试验。提出了水力劈裂压力计算的经验公式， 并推求了真三轴应力状态下的水力劈裂理论。 1 3 2现场试验 现场的水力劈裂试验都是在钻孔中进行的。 1 9 7 2 年，b j e r r n m 等哪! 在以色列死海边上，对一蓄水池围堤的天然粘土心墙，进行了 水力劈裂试验。试验结果显示，当水压力超过上覆土有效自重( 计算值) 的0 4 0 - - 0 5 0 倍时， 渗透系数突然增大，即发生了水力劈裂现象。有些试验表明，甚至水压力仅为上覆土有效 自重的0 2 0 倍时，水力劈裂现象也可以发生。因而认为，水力劈裂压力是由有效小主应力 控制，而不是由有效大主应力控制。进一步试验表明，水力劈裂裂缝在降低水压力后会发 生闭合。 1 9 7 6 年，p e n m a n 岫1 针对s c a m m o n d e n 坝和l l y nb r i a n n e 坝的粘土心墙进行了现场水力 劈裂试验，测得闭合压力和侧压力。认为水力劈裂趋向于发生在由于施工形成的粘土心墙 水平特征面的方向上，闭合压力介于大、小主应力之间。 同年，t e t o n 坝独立调查组进行了两组现场的水力劈裂试验。试验结果显示，大多数 水力劈裂面是垂直于坝轴线方向的垂直裂缝，仅少数裂缝是水平的。 1 9 8 1 年，l e f e b v r e 等瑚1 在加拿大东部，选取两个地质环境不同的敏感性粘土层，进 行了水力劈裂试验。水力劈裂面是与水平面夹角为2 0 。 - - 3 5 。的倾斜面，认为水力劈裂同 时与水平、垂直应力相关。 1 9 8 9 年，p a r k i n 和y u 啊1 在澳大利亚墨尔本附近的两个公路路堤上，进行了模拟土坝 的水力劈裂试验。水压力作用下产生了垂直裂缝，当水压力降低到自重应力的6 0 时，裂 缝闭合。 1 9 9 5 年，m u r d o c h 嘲1 在超固结粉质粘土中，进行了水力劈裂试验。把破裂面按照形态 分为四个带，即紧邻钻孔的近垂直裂缝、钻孔附近的近水平裂缝、朝向钻孔的槽形裂缝和 近地表的直立裂缝。指出水力劈裂压力大于垂直作用于裂缝的正应力j 2 0 0 1 年，w o n g 和a l f a r o 脚1 在加拿大西南部b a t t l e 湖附近的冰债土层中，利用水平和 垂直钻孔进行了渗透试验和水力劈裂试验。在垂直钻孔的水力劈裂试验中，分别在埋深 西安理工大学硕士学位论文 3 o o m 、3 5 0 m 和4 5 0 m 位置产生裂缝，但不同位置发生水力劈裂的水压力不同。3 o o m 处的 水压力最高，其它两处的相差不大。这一现象表明，水力劈裂压力不仅与产生水力劈裂裂 缝位置的上覆土压力有关，而且还与土体的强度、固有的裂缝或缺陷有关。 1 3 3离心模型试验 土工离心模型试验技术是用原型材料制作模型，在原型应力状态下，对研究对象的变 形状况和破坏过程进行直观研究的试验方法，在岩土工程的许多领域都得到应用。沈珠江 等人璐 用离心模型试验方法研究了土石坝心墙的水力劈裂问题，对相当于原型坝高5 5 5m 的深截水槽心墙砂壳坝进行了模拟t e t o n 坝破坏过程的离心模型试验，所用心墙土料为粘 性较大的小浪底坝重粉质壤土。试验结果表明心墙没有发生水力劈裂，这与1 9 7 6 年美国 t e t o n 坝在蓄水初期突然失事的原因分析完全不同。在模型设计中，作者在截水槽两侧的 混凝土基座内设有水管，以模拟t e t o n 坝基岩体内裂隙的作用，但模型的心墙是均质的， 并不包含预制的裂缝或缺陷，即水力劈裂发生所需的物质条件并不完全具备，“水楔”作 用无法形成，水力劈裂现象也就不可能发生。换而言之，若模型的心墙中包含裂缝或缺陷， 离心模型试验也许可以反映水力劈裂的发生。 1 3 4水力劈裂的数值模拟方法研究 总体而言，在土石坝的设计与建设中，人们通过数值方法认识坝体中不同位置应力、 应变状态的能力已经超过了人们对诸如气候、坝址等对大坝安全的影响等许多方面的认识 能力d ，。但是对心墙水力劈裂问题，由于对机理认识尚不十分清楚，导致