（岩土工程专业论文）堆石坝心墙水力劈裂试验与数值模拟研究.pdf

摘笠 摘要 心墙水力劈裂问题是堆石坝设计中人们尤为关注的问题，同时也是最具有争议性且亟 待解决的关键性问题之一。水力劈裂被普遍认为是堆石坝蓄水初期产生集中渗漏的重要原 因，是堆石坝建成后产生内部侵蚀或管涌现象从而导致坝体破坏的重要因素。至今。人们 对水力劈裂的发生机理、发生条件、发展过程以及判别方法等问题仍没有很好地解决。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、发生机理及发展过程 进而提出合理的水力劈裂判别标准和切实有效的预防和治理措施，对堆石坝的设计、施工 和安全运行有十分重要的意义。本文主要围绕土质心墙堆石坝水力劈裂的发生条件、发生 机理和判别标准等进行试验研究、理论分析和数值模拟。 首先，在现有设备的基础上，设计了一套进行粘性土抗拉强度试验的兴具，分别对不 同干密度、含水率和前期固结应力下的粘性土进行了抗拉强度试验。试验结果表明。土的 抗拉强度随着干密度和前期固结应力的增加而增加，随着含水率的增加而减小。同时，总 结出了可以综合考虑干密度和含水率的抗拉强度计算公式，并且分析了本文所研究的粘性 土的拉应力应变关系特征。 其次，进行了厚壁圆筒水力劈裂试验。通过预设裂缝的方法证明了土体中微裂缝或缺 陷的存在会促进水力劈裂的发生，而且，通过测量试样在劈裂过程中电导率的变化规律的 方法，证明了水力劈裂的破坏形式是局部土体达到塑性破坏后的渐进拉裂破坏。然后，利 用真三轴试验仪进行了非饱和粘性土三维应力状态下的水力劈裂试验。土体发生水力劈裂 时的劈裂压力与土的抗拉强度和土体所处的应力状态之问有着密切的关系，劈裂压力随着 土的抗拉强度和小主应力的增加而增加。并且，依据试验结果得到了水力劈裂压力的经验 表达式。 再次，推导出了平面应变状态下中心丌孔的长柱水力劈裂压力的弹性解和弹塑性解， 并将理论解答和试验结果进行了比较分析。结果显示，水力劈裂压力的试验结果介于弹性 解和弹塑性解之闻，低压力下试验值偏向弹性解，而高压力下偏向弹塑性解。通过试验结 果验证了水力劈裂压力理论解答的正确性和合理性。相比之下，弹性解答和弹塑性解答的 适用性会更为广泛些。 最后，本文运用平面有限元方法对糯扎渡堆石坝心墙水力劈裂进行了数值模拟，对目 前有限元法中总应力法和有效应力法进行水力劈裂判别的问题进行了讨论。从计算的结果 得知。随着心墙模量的降低，心墙的拱效应越来越明显，有效应力法计算出的心墙中的竖 向有效应力( 或有效小主应力) 始终没有出现拉应力，因此不能模拟水力劈裂的发生情况； 但是。采用四种不同水力劈裂判别标准所进行的总应力法却能够在一定程度上模拟心墙水 力劈裂的发生。因此，作者认为在目前的研究水平下，总应力方法更为合理，建议采用总 应力分析法进行水力劈裂的发生判别。 关键词：堆石坝；心墙：水力劈裂；抗拉强度试验；真三轴仪：有限元法；数值模拟：总 应力法：有效应力法 a b s f r a c t a b s t r a c t h y d r a u l i cf r a c t u r i n gi nc o r ew a l li so n eo ft h ew o r l d w i d ec o n c e m e d a n dm o s td i s p u t a b l e k sp r o b l e m si nt h ed e s i g no fc o r er o c k f i l ld a m ，a n di ti su r g e n tt o b es o l v e dd u et ot h en e e do f c o n s t r u c t i o no fh i g hd a m h y d r a u l i cf r a c t u r i n gi ne a r t hc o r ew a l lo fr o c k f i l ld a mi sr e g a r d e da s t h em a i nc a u s eo fc o n c e n t r a t e dl e a k a g et h a to c c u r r e dd u r i n gf i r s tf i l l i n go ft h er e s e r v o i r m o r e o v e r , i ti sa l s ot h ee s s e n t i a li n f l u e n c i n gf a c t o rt h a tc a u s e si n t e r n a le r o s i o no rp i p i n gw h i c h w i l lu l t i m a t e l yc a u s e sd a mf a i l u r e h o w e v e r , u pt on o w , t h em e c h a n i s m ，t h ec o n d i t i o n s ，t h e d e v e l o p m e n ta n dt h ec r i t e r i o nt ot h ej u d g i n go fh y d r a u l i cf r a c t u r i n gi nt h ec o r ea r es t i l lp r o b l e m s f u r t h e rs t u d y0 nh y d r a u l i cf r a c t u r i n gs h o u l db ec a r r i e do u t ，t h e nr e a s o n a b l ec r i t e r i o nt ot h e j u d g i n go fh y d r a u l i cf r a c t u r i n ga n de f f e c t i v ep r e c a u t i o n a r ya n dd i s p o s a lm e a s u r e ss h o u l db e a d v a n c e d ，w h i c ha r ev e r ys i g n i f i c a n tt ot h ed e s i g n ，c o n s t r u c t i o na n do p e r a t i o no fr o c k f i l ld a m i n t h i st h e s i s ，e x p e r i m e n t a ls t u d y , t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o na r cp e r f o r m e dt o s t u d yt h ec o n d i t i o n s ，t h em e c h a n i s ma n d t h ec r i t e r i o nt ot h ej u d g i n go fh y d r o f r a c t u r i n gi nc l a y e y c o r e ， f i r s t ，ac l a m pa p p a r a t u si sd e s i g n e dt oc a r r yo u tt e n s i l es t r e n g t ht e s t so fc o m p a c t e dc l a y e y s o i lw i t hd i f f e r e n td r yd e n s i t i e s , w a t e rc o n t e n t sa n dp r e c o n s o l i d a t i o np r e s s u r e s ，r e s p e c t i v e l y t h e r e s u l t so ft e s t so nt h ec o r em a t e r i a lo fn u o z a d ur o e k f i l ld a mi n d i c a t et h a tt h et e n s i l es t r e n g t ho f c o h e s i v es o i li n c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fd r yd e n s i t ya n dp r e c o n s o l i d a t i o np r e s s u r e ，b u t d e c r e a s e sw i t ht h ei n c r e a s eo fw a t e rc o n t e n t t h e n ，a l le m p i r i c a lf o r m u l ao ft e n s i l es t r e n g t ho f s o i lw i t ht h ee f f e c t so fd r yd e n s i t ya sw e l la sw a t e rc o n t e n ti sp r o p o s e d ，a n dt h ec h a r a c t e ro f t e n s i l es t r e s s s t r a i nr e l a t i o n s h i po f t h ec l a y e ys o i lt e s t e di nt h i st h e s i s s e c o n d ，h y d r a u l i cf r a c t u r i n gt e s t so ft h i c k w a l lc y l i n d e rs a m p l eo ft h ec o r em a t e r i a la r e p e r f o r m e d t h a th y d r o f r a c t u r i n gi sl i k e l yt o o c c u rf o rt h ee x i s t e n c eo ff i s s u r ei nt h ec o r ei s p r o v e dt h r o u g ht h em e t h o do fp r e i n s t a l l e dc r a c ki nt h es a m p l e s m o r e o v e r , i ti sb e l i e v e dt h a t h y d r o f r a c t u r i n gi sp r o g r e s s i v et e n s i o nf a i l u r e ，a n dp l a s t i cc o l l a p s ei si n i t i a t e di np a r to ft h es o i l t h e n ah y d r o f r a e t u r ea p p a r a t u sa d a p t e dt ot h et r u ct r i a x i a li n s t r u m e n ti sd e v e l o p e d ，a n d h y d r a u l i cf r a c t u r i n g t e s ti sc a r r i e do u to nc o m p a c t e da n du n s a t u r a t e dc l a y e ys o i lu n d e r t r i d i m e n s i o n a ls t r e s ss t a t e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eh y d r a u l i cf r a c t u r i n gp r e s s u r ei si n t i m a t e l y r e l a t e dw i t ht e n s i l es t r e n g t ha n dt r i d i m e n s i o n a ls t r e s ss t a t eo ft h es o i l w i t ht h ei n c r e a s eo f t e n s i l es t r e n g t ha n dm i n o rp r i n c i p a ls t r e s s ，t h ef r a c t u r i n gp r e s s u r ei se n h a n c e d m o r e o v e r , a n e x p e r i e n t i a l t o t a ls t r e s s e x p r e s s i o no fh y d r a u l i cf r a c t u r i n gp r e s s u r ei s o b t a i n e df r o mt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h i r d ，e l a s t i cs o l u t i o na n de l a s t o p l a s t i cs o l u t i o no fh y d r a u l i cf r a c t u r i n gp r e s s u r eo fl o n g p r i s mw i t has m a l lc i r c u l a rh o l ei np l a n es t r a i ns l a t ea r ed e r i v e d ，a n dc o m p a r a t i v ea n a l y s i si sa l s o p e r f o r m e da m o n gt h et h e o r e t i c a ls o l u t i o n sa n dt h et e s tr e s u l t s f r o mt h ec o m p a r i s o n ，t h et e s t r e s u l t so fh y d r a u l i cf r a c t u r i n gp r e s s u r ei sb e t w e e nt h ee l s a t o - p l a s t i cs o l u t i o na n dt h ee l a s t i co n e ， a n dt h et e s tr e s u l t si sc l o s et oe l a s t i cs o l u t i o nu n d e rl o wp r e s s u r eb u tc l o s et oe l a s t o p l a s t i co n e l l a b s t r a c t u n d e rh i 曲p r e s s u r e t h ev a l i d i t ya n dr a t i o n a l i t yo ft h et h e o r e t i c a ls o l u t i o n s0 fh y d r a u l i c f r a c t u r i n gp r e s s u r ei st h u sv e r i f i e d g e n e r a l l ys p e a k i n g , t h ee l a s t i ca n de l s a t o p l a c t i cs o l u t i o n s a r em o r ea p p l i c a b l e f i n a l l y , f i n i t ee l e m e n tm e t h o do fp l a n es r t a i ni su s e dt os i m u l a t et h eh y d r a u l i cf r a c t u r i n gi n e a r t hc o r co fr o c k f i l ld a m t h ee f f e c t i v es t r e s sm e t h o da n dt o t a ls t r e s sm e t h o da r ed i s c u s s e d b a s e do nt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s t h er e s u l t so ff i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss h o wt h a tt h ea r c a c t i o ni sm o r eo b v i o u sw h e nt h em o d u l u so ft h ec o r ei sr e d u c e d b yu s i n ge f f e c t i v es t r e s s m e t h o d t h e r ei sn ot e n s i o ns t r e s si nt h ev e r t i c a le f f e e t i v es t r e s so rt h ee f f e c t i v em i n o rp r i n c i p a l s t r e s s a n di ti sb e l i e v e dt h a tt h ee f f e c t i v es t r e s sm e t h o dcann o ts i m u l a t et h eo c c u r r e n c eo f h y d r a u l i cf r a c t u r i n g h o w e v e r , i ti sb e l i e v e dt h a tt h et o t a ls t r e s sm e t h o do fc o n v e n t i o n a lf i n i t e e l e m e n ta n a l y s i si se f f e c t i v ei nc e r t a i nd e g r e et ot h eh y d r a u l i cf r a c t u r i n go fc o r ew a l lb yu s i n g f o u rd i f f e r e n tc r i t e r i ao fh y d r o f r a c t u r i n g a sar e s u l t ，t h et o t a ls t r e s sm e t h o ds h o u l db ea p p l i e dt o t h ej u d g m e n to ft h eo c c u r r e n c eo fh y d r a u l i cf r a c t u r i n gi nt h ec o r ew a l lo fr o c k f i l ld a m ，a m o n g t h ef i n i t es i m u l a t i o nm e t h o d su s e da tp r e s e n t k e yw o r d s ：r o c k f i l ld a m ：c o r ew a l l ：h y d r a u l i cf r a c t u r i n g ：t e n s i l es t r e n g t ht e s t ；t r u et r i a x i a l a p p a r a t u s ：f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ：t o t l es t r e s sm e t h o d ：e f f e c t i v es t r e s s m e t h o d 学位论文独刨性声明： 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研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：盈握：2 0 0 5 年6 月1 0 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘 版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容 相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部 分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 筮墟2 0 0 5 年6 月1 0 日 第一章缔论 第一章绪论 1 1 水力劈裂的提出及定义。 1 9 4 8 年，j b c l a r k 提出了“水力劈裂”( h y d r a u l i cp r a c t u r i n g ) 的概念，并介绍 了水力劈裂法在石油丌采中的应用。水力劈裂的理论、技术和分析方法是在石油工业近半 个世纪的调查和丌发的基础上发展起来的。水力劈裂法首先应用于石油行业，作为一种提 高石油产量的方法，在几十年的石油丌采业中有着广泛的应用。时至今同，水力劈裂在更 多领域诸如岩土工程、环境工程、建筑工程和水利工程中都得以广泛的应用”1 。但是，水 力劈裂技术在工程实践中得到广泛应用的同时，也带来了许多负面的效应，比如在进行地 基固结灌浆时，过大的灌浆压力可能导致某些完整的基岩被劈开，形成新的裂缝；在利用 水力劈裂技术进行防渗灌浆补漏时，也可能因为较高的液体压力而在防渗帷幕中形成新的 渗漏通道：而且，近几十年来，许多有关堤坝的渗漏和破坏事件的报导都与水力劈裂有着 密切的关系。水力劈裂正反两方面的作用，推动了对水力劈裂的研究。 早期人们对水力劈裂较为直观的认识是从实际工程中得到的，1 9 7 6 年，h 8 。s e e d o ”对 水力劈裂现象进行了描述，指出当作用于土体某个面上的水压力超过该面上的垂直总应力 与土体抗拉强度之和时，引起土体中微裂缝的产生和发展，该现象称之为水力劈裂。到了 1 9 8 2 年，黄文熙”1 从理论的角度给出了水力劈裂的定义：水力劈裂是指由于水压力的抬高 在岩体或土体中引起裂缝发生与扩展的一种物理现象。1 9 8 4 年，c w i l s o n 。1 也给出了与之 相近的定义即水力劈裂是指由于土体或岩体表面上或其中的水压力的影响，在土体或岩体 中引起裂缝产生和发展的一种现象。 从水力劈裂的定义我们可以看出，水力劈裂发生后，将在土体或岩体中形成贯穿的渗 漏通道，目前，普遍认为，水力劈裂常常是土石坝建成蓄水后导致坝体破坏的重要原因之 一，因此，土石坝尤其是高土石坝的水力劈裂问题得到了很多研究人员的关注。 1 。2 水力劈裂研究的现状 1 2 1 水力劈裂的研究及相关事故 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0 1 ，土石坝约占我国已建成水坝总数的9 3 。 近二十年来，我国已经建成超过l o o m 的高土石坝1 7 座，如高1 7 8 m 的天生桥一缴面板堆 石坝”1 和高1 5 4 m 的小浪底心墙堆石坝”1 。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“0 1 、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“1 。可以看出这些土石坝大多数为心墙堆石坝。在世界范围内，坝 * d 海人学硬，l ! 学位论文 高2 5 0 m 以上的水坝有9 座，土石坝为5 座。而且高度超过3 0 0 m 的两座水坝都是土石坝， 即前苏联的罗贡坝( 高3 2 5 m ) “”和努列克坝( 高3 0 5 m ) “”。在这些高土石坝的设计、建 设以及运行管理过程中。存在很多极具挑战性的岩土工程问题。其中之一就是土石坝心墙 的水力劈裂问题”，心墙防渗体是否产生水力劈裂将直接关系到大坝的安全与稳定。所 以。土石坝设计规范中明确规定要对土质防渗体是否产生水力劈裂进行判断n “。 心墙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。水 力劈裂被普遍认为是土石坝蓄水初期产生集中渗漏的重要原因是土石坝建成后导致坝体 破坏( 产生内部侵蚀或管涌现象) 的主要原因之一。工程界和学术界就土石坝心墙的水力 劈裂问题开展了大量的研究工作，主要包括现场试验、室内试验、数值模拟方法和理论方 面的探讨，这对于目前了解水力劈裂的发生机理、发生条件和发展过程具有一定的参考价 值。但是，总体而言，由于问题的复杂性以及学者们进行研究时所采用的试验方法、手段 及条件的不同，因此，得到的研究结论并不具备多少可比性，得到的公认的研究成果并不 多；而且，水力劈裂产生的裂缝通常仅在水库蓄水并且缝内存在压力的情况下方是张开可 见的，因此人们无法通过直接的现场观察来了解坝体内水力劈裂现象的发生发展情况，也 就是沈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试验 现象的角度对其进行研究。所以直到今天，人们对水力劈裂发生的条件、发展过程以及判 别方法等问题仍观点不“o 。 下面对几个产生过渗漏问题或溃坝事故的水坝作一下回顾。 挪威h y t t e j u v e t 坝“”“建于1 9 6 4 1 9 6 5 年，是一座直立窄心墙土石坝，心墙土料为 冰碛土。坝高9 3 m ，坝顶高程7 4 9 m ，设计最高水位高程为7 4 6 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 年施工时，将上部( 高程7 0 0 m 以上) 心墙的设计宽度变小。1 9 6 6 年5 月水库丌始蓄水，同年l o 月，蓄水达到设计正 常水位( 高程7 3 8 m ) 。蓄水过程中，在水位达到低于f 常水位7 m ( 即高程7 3 1 m ) 时，通过 大坝下游流量堰测得的渗水量不足21 s e c 。随着库水位的进一步上升，渗水量明显加大， 库水位升高2 m 时，渗水量增大到6 01 s e c 以上。当减小了蓄水速率( 库水位仍缓慢上升) 时，渗水量随之明显减小。但当库水位达7 3 8 m 高程时，渗水量仍大于2 51 s e c 。然后开 始放空水库，当库水位下降至7 1 7 m 高程时，渗水量才小于21 s e c ，大坝运行安全。 k j a e r n s l i 和t o r b l l a 认为，在高程7 1 7 m 以上有水平裂缝存在于坝体心墙内，心墙内部的 水平裂缝是蓄水过程中产生渗漏加剧的主要原因。由于心墙与相邻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部位的竖向总应力远远低于上覆土的自重应力，因此 在心墙中产生了低应力区，在水压力的作用下，低应力区内形成了水平张开的裂缝。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。事 后，采用注浆修补措旌在心墙内灌浆，灌浆深度达到心墙的7 1 7 m 高程处，随后水库重新 蓄水，测得满库时的渗流量约为1 51 s e c ，大坝运行安全。 8 a l d e r b e a d 坝1 位于英国北部的r i v e tt e e s 靛地，建于1 9 6 1 - 1 9 6 5 年。坝顶高程 3 3 4 7 m ，最大坝高4 8 m ，坝项长9 2 5 m 。坝基主要为石炭纪页岩，局部有薄层砂岩和石坎岩。 坝体防渗体系包括心墙混凝土防渗墙及灌浆帷幕。心墙土料为级配良好的含漂石粘土， 坝壳料为石炭纪页岩。1 9 6 4 年l o 月开始蓄水，1 9 6 6 年2 月蓄满( 最高水位高程为3 3 2 2 3 m ) ， 2 第一章绪论 并保持满库到1 9 6 7 年。在达到最高水位前，发现渗漏量明显增大，1 9 6 6 年8 月后，渗漏 量进一步呈不稳定增大。1 9 6 7 年1 月底，坝顶出现小的陷坑，4 月初发展为直径3 m ，深 2 5 m 的圆柱形坑，位于心墙上游面附近。因此，水库立即放水，使库水位迅速下降，当库 水位下降9 m 时，渗漏量突然减小t 在库水位下降过程中，坝顶多处出现沉降陷坑。在调 查研究基础上，v a u g h a n 等人认为由于不断增大的库水压力引起的水力劈裂可能是心墙产 生裂缝，导致进一步冲蚀的原因。在对坝体采取了一些包括灌浆在内的补救措施后，该坝 运行良好。 t e t o n 坝。“”1 为宽心墙堆石坝，位于美国爱达荷州蛇河支流提堂河上，总库容3 1 8 亿0 ，最大坝高1 2 3 4 m 。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， 易被水流冲蚀，渗透系数约5x1 0 一c m s e c 。坝址地层自下而上分别为节理发育显著的熔结 凝狄岩、玄武岩及第四纪覆盖层。1 9 7 2 年2 月玎始施工。3 月丌始在左岸挖掘导流兼引水 隧洞。1 9 7 3 年6 月8 同开始从导流隧洞过水，1 0 月丌始在截水齿槽内填筑心墙土料，11 月因气候寒冷而停工。1 9 7 4 年5 月重新恢复填土，i i 月又因气候寒冷而停工。1 9 7 5 年i i 月2 6 同填筑到顶。1 9 7 5 年1 0 月3 同封闭导流隧洞后丌始蓄水，设计对库水位上升的要求 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 m 。1 9 7 6 年3 月3 同，库水位 达到1 5 8 0 m 高程，3 月2 3 同到5 月4 只，实际蓄水速度为每天0 6 m 。5 月4 只之后，困春 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o 9 m ，最高达 1 3 m 。在6 月5 同失事时，水位达到1 6 1 7 n 高程，比溢流堰顶仅低0 9 m ，比坝顶低9 2 6 m 。 1 9 7 6 年6 月3 同，在坝址下游4 0 0 m 和4 6 0 m 处发现渗出清水。流量为3 8 1 s e c 和2 5 l s e c 。 6 月4 日，在右岸坝址下游4 0 6 0 m 处发现渗出清水，流量为1 2 51 s e c 。6 月5 日，7 点 多钟右岸坝座下游1 5 3 9 高程处一处漏水，随后渗漏量迅速增大，到1 1 点多坝顶陷落坝体 决口溃坝。溃坝失事造成3 6 亿立方米的水量下泄，淹没农嗣6 0 多万亩，死亡1 4 人，无 家可归者达2 5 0 0 0 人，损失达4 亿多美元。失事后，成立了非官方的独立检查组和官方内 部检查组对事故原因进行调查。调查组认为，心墙沿岩基裂缝发生的冲蚀有两个起因：一 是岩基表面的张丌裂缝未加妥善处理，存在渗流管涌通道：其二是截水墙拱作用减小了槽 内土体的垂直压力，在水压力作用下产生水力劈裂裂缝。可冲蚀性的心墙料和水力劈裂导 致的坝体内部冲蚀和管涌是造成溃坝的主要原因。 美国t e t o n 坝的溃坝事件引起了全世界对水力劈裂问题的高度重视，如何f 确估计心 墙发生水力劈裂的可能性，如何在建造高土石坝时采取恰当的措施预防这类事故的发生， 成为大家所普遍关注的课题。随着筑坝高度的增加，土石坝抗裂设计成为土石坝设计中的 重要环节，因为土石坝一旦发生水力劈裂破坏，其后果往往是灾难性的，其损失也是惨重 的。 根据土坝破坏失事的调查统计，由于通过堤坝的渗流，在渗透力的作用下形成渗漏或 管涌，造成堤坝失事甚至破坏的比例达到4 5 ，可见渗流对堤坝稳定有着严重的危害性“”， 而在某些情况下，渗漏和管涌会导致灾难性的破坏。导致初始渗漏的原因很多，而且在很 多情况下都无法了解，但是许多人认为重要原因之一是水力劈裂。 除上述几个大坝事故与水力劈裂有关外，另外还有不少土石坝，如挪威的v i d d a l s u a t u 坝1 、美国的w i s t e r 坝( 高3 0 m ) 和y a r d sc r e e k 坝、加拿大的m a n i c o u a g a n 坝。“、 m 海人学砸i ：学位论文 以及印度尼西亚的d j a t i l u h u r 坝。等，都与防渗体的集中渗漏和水力劈裂密切相关。l o 和k a n i a r u 。“1 通过室内试验模拟了如图1 1 所示的薄心墙堆石坝现场水力劈裂情况，并给 出了理想化的现场状况模型。该坝的心墙在某一部位存在潜在的劈裂破坏区，渗流主要发 生在这一区域，当库水位到达某一高度时，坝体的渗水量突然增加( 可达数倍) ，此时意味 着心墙发生了水力劈裂破坏。破坏区以上的水头即为发生水力劈裂的劈裂水头厅，即水 力劈裂压力。当库水位逐渐降低时，渗流量也随之减小，库水位降低到某一高程时，渗流 量也降低到劈裂发生前的水平，此现象表明破坏区的劈裂裂缝又重新闭合了，此时破坏区 以上的水头称为水力劈裂裂缝的闭合水头h ，。采用上述的分析方法，l o 和k a n i a r u 分析 总结了b a l d e r h e a d 坝、h y t t e j u v e t 坝、v i d d a l s u a t u 坝、t e t o n 坝和y a r d sc r e e k 坝这 五座心墙坝发生水力劈裂现象的特征，其水力劈裂的发生情况基本和理想化的现场情况相 一致。 蠢 避 掣 芒 蛩 图1 1 堆石坝心墙中的渗流量与库水位的理想化示意图 然而，上面提到的这些土石坝工程实例，其发生水力劈裂破坏的结论几乎都是通过各 种分析和推断得出的，且这些结论至今还存在着一定的争议。在其他的一些工程实践如地 基探测、地基固结灌浆和土石坝心墙灌浆加固中，钻孔中的高液体压力也可能导致岩石或 土体水力劈裂的发生。近几十年来，国际上不断有关于此类事件的报道。“”1 。 s h e r a r d ”o “32 。”1 通过对一些发生漏水和破坏的土石坝实例的分析，认为能够证明水力 劈裂发生的证据如下：( 1 ) 在均质土石坝的下游表面出现湿斑并逐步扩大，且通常在蓄水 位高于湿斑处高程不久后出现，此时湿斑不可能出通常的渗流过程产生。s h e r a r d 认为， 在土石坝内，即使是较小的不均匀沉降也会在坝体内产生可能导致最终发生水力劈裂破坏 的初始裂缝。因为不均匀沉降是土石坝工程中普遍存在的现象，因而绝大多数土石坝内都 会存在初始裂缝。( 2 ) 对于非均匀的土石坝，即采用不同材料分区的心墙堆石坝，除了不 4 第一章绪论 均匀沉降现象外，坝壳对心墙通常还存在明显的拱效应作用，使得心墙的竖向应力降低， 因而产生水力劈裂的可能性要高于均质坝。心墙变薄以及岸坡坡度的急剧变化都会加剧坝 体的应力重分布，从而增加水力劈裂发生的可能性。( 3 ) 一些心墙坝心墙中孔压的观测结 果表明，埋设在心墙下游侧的测管水头同水库的库水位有直接的瞬时相关关系。测管水头 仅稍微低于有时甚至是等于水库的库水位，且伴随着水位的变化快速变化。该现象只能通 过认为在心墙中产尘了充满水的裂缝才能加以解释。( 4 ) 当放空水库后，在勘查沟槽内可 以观察到心墙墙体上存在水平状的湿软薄层。s h e r a r d 认为这些湿软薄层是水力劈裂发生 后由裂缝的张开与重新闭合过程所引起的。( 5 ) 有些情况，即使水头很低时，在心墙与岸 坡岩石的接触面处仍然有较大的渗流量。 对于有的土石坝，设计合理，施工良好，但是水库蓄水后出乎意料地发生了漏水和破 坏。s h e r a r d 认为，其原因最有可能是作用在心墙上游面的水压力引起穿透心墙的裂缝也 即是水力劈裂所致。因此他认为和土石坝的不均匀沉降一样，水力劈裂也是土石坝工程 中较为普遍发生的现象。虽然上述有关水力劈裂的观点在学者间产生了一定的影响，但是 并未得到大家的普遍接受。这主要是因为水力劈裂问题是一个十分复杂的问题，涉及的方 面很多，包括固结、渗流、断裂等，面前人的许多研究成果主要是基于水力劈裂某一方面 或几个方面的研究，而忽略其它方面因素的影响。因此，如何全面地考虑水力劈裂各方面 因素的影响，综合地对水力劈裂进行分析研究，是现阶段急需解决的问题。 前人对于水力劈裂的研究主要包括试验、理论、数值模拟以及产生机理和判别标准的 研究等，但是由于问题的复杂性，前人的研究中也存在不少问题。需要进一步研究下去。 在明确需要研究的内容之前，首先应对目前的研究现状有充分的了解。 1 - 2 2 水力劈裂的试验研究 基于水力劈裂的试验研究主要包括三类，即室内试验、现场试验和模型试验。 1 2 2 1 水力劈裂的室内试验研究 室内试验具有边界条件明确，且容易控制的优点，所以学者们对水力劈裂的室内试验 研究较多。这其中包括常规三轴水力劈裂试验和真三轴水力劈裂试验，试样一般是中心开 孔或开缝的圆柱体或长方体试样，在试样的中心孔或狭缝中注水直到试样被劈丌，以此来 探讨水力劈裂的发生条件、裂缝的形态及其影响因素。 1 9 7 2 年，挪威土工所的b j e r r u m 和a n d e r s e n 。“在常规三轴试验装置中模拟现场情况 进行了水力劈裂试验，在插入试样的小圆管中施加水压进行劈裂。试验结果表明，试样裂 缝闭合的压力等于围压，劈裂面为垂直面，且由内延伸到试样的边缘。 1 9 7 3 年，n o b a r i 等人1 利用中空圆柱体试样进行水力劈裂试验。证实了水力劈裂是 发生在最大拉应力面( 小主应力面) 上的拉裂破坏，它在有效小主应力最先达到土的抗拉 强度的地方首先产生而后扩展到整个断面。试样中的劈裂裂缝可能是垂直的也可能是水平 的，它取决于试样的受力状念和试样中压力水的渗流状态。 1 9 8 1 年，d e c k e r 和c l e m e n c e o 枷对击实低塑性粘性土进行了室内常规三轴试验。试验 时通过一根插入试样中注射器针头施加内水压力，试样破坏时注入的水流量突然增加。试 州海人学硕j ：学位论文 验结果表明，试样的破坏形式为剪切破坏，近似地满足m o h r - c o u l o m b 破坏准则。 1 9 8 1 年，j a w o r s k i 和d u n c a n 等人”o 1 对失事后t e t o n 坝1 1 , 墙料的重塑立方体土样进 行了水力劈裂试验，模拟心墙坝心墙上游面的水力条件。试验时三个方向的压力可以独立 施加而相互之问不受影响，并且控制大主应力是小主应力的两倍，中主应力几乎与小主应 力相等，试样破坏时注入水流量突然增加，劈裂面平行于小主应力面。 1 9 8 5 年，孙亚平”对粘性土进行厚壁圆筒水力劈裂试验。其水力劈裂试验是在平面应 变条件下进行的，且通过严格控制内腔水压力、内腔表面压力和试件外围压力来研究各因 素单独变化对试样产生水力劈裂破坏的影响。试验结果表明试件既可能在内壁处切向应 力达到土的抗拉强度之后马上发生破坏，也可能是在全断面上的切向应力达到土体的抗拉 强度之后才发生破坏，并且阐明了土体发生水力劈裂的必要条件是在水压力作用下土体中 的最小有效主应力达到土的抗拉强度。 同年，杨斌“3 1 利用三轴压缩、拉伸、扭剪仪以及三轴压缩仪进行了广义平面应变条件 下不同围压、不同应力比等复杂应力条件下薄壁圆筒试样的水力劈裂试验研究，认为试样 既可发生水力劈裂破坏，也可发生剪切塑性流动破坏，跟主应力比有很大的关系。 1 9 8 5 年，朱建华”通过对不同端部进水孔形状的实心试件进行水力劈裂试验，研究具 有不同渗流场的试件的水力劈裂问题。认为水力劈裂既不是一点破坏后马上导致整体破 坏。也不是整体达到强度极限后出现的破坏形式，破坏时土体中存在部分塑性应力调整。 1 9 8 7 年，丁金栗和杨斌“”用一台由普通液压三轴仪改装后的多功能液压三轴仪在严格 控制试样边界受力条件和渗流状态的前提下对具有不同起始主应力的压实粘性土空心圆 柱试件进行了水力劈裂性能研究。通过调整垂直主应力值。在渗水力作用下使试件沿水平 面或径向发生水力劈裂，当试件起始垂直主应力和水平主应力之比大于或小于一定值后， 增加内腔水压力，试件并不发生水力劈裂破塥而是出现剪切屈服。 1 9 8 9 年，黄良辉“利用多功能液压三轴仪对各种应力边界条件及初始应力状念进行了 无渗流和稳定渗流条件下薄壁圆筒试样的水力劈裂性能研究，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。 1 9 9 3 年，m u r d o c h “7 ”。1 ”对中心丌缝的黄褐色粘质粉土长方形试样进行了水力劈裂试 验，试样三个方向的主应力相互独立，逐渐增加内水压力时，劈裂裂缝从狭缝端部处开始 逐渐扩展直至h 破坏。 1 9 9 8 年，刘令瑶等人”对宽级配砾石土的圆筒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主要因素，当含砾量小于或等于1 5 时，会发生水力 劈裂破坏。 2 0 0 1 年，曾丌华“”在真三轴仪中对中心丌孔的长方体试样进行了水力劈裂试验，得到 中主应力和小主应力对劈裂压力的影响规律，并揭示了水力劈裂是渐进拉裂破坏。 从上面的介绍可以看出，前人对水力劈裂的室内研究很多，取得了一些成果但是这 些室内试验或多或少地存在其不足之处。比如进行室内试验的试样尺寸一般较小，边界条 件对试验结果的影响会很大：对予有的试验，试样中的渗流场是三维的，应力条件比较复 杂，有的学者在进行研究时对其做了一定的简化或不予考虑，使得没能综合考虑诸多影响 因素；还有就是学者们进行试验的土体各不相同，其性质相差必然很大，从而使得研究的 第一章绪论 结论并不具备可比性；另外，对于有的学者所做的室内水力劈裂试验，其应力状态是不明 确的，这样也就无从对其进行定量分析：而且，大部分室内试验都是在中心开孔或开缝的 圆柱体试样或长方体试样中进行的，这样也不能很好地模拟土石坝蓄水后心墙上游面的实 际情况。因此，如何通过室内试验来准确