土石坝水力劈裂的发生机理与影响因素

土石坝水力劈裂的发生机理与影响因素

1高土石坝坝体安全问题由于土石坝适用于广泛的应用条件，可以利用当地材料修建水库，对复杂地形的地质条件适应性强，成本低。因此，我国的节水工程建设一直是水库的主要类型。随着科学技术的发展，土石坝的高度也在增加。但是随着高土石坝的出现,坝体的安全问题也得到了人们的重视。目前在高土石坝的设计和兴建中,土质心墙的水力劈裂问题是工程界普遍关注又亟待解决的关键问题之一。本文从水力劈裂的发生机理、发生条件及影响因素对这一问题进行了报道。2teon坝事故水力劈裂是指在高水压力下岩体或土体中引起裂缝发生与扩展的过程,是土石坝建成后导致坝体破坏的重要原因之一,最著名的是1976年的美国Teton坝失事事件。在这次事件中,调查该坝失事原因的一个研究小组提出,水力劈裂发生在土的抗拉强度与最小主应力之和小于静水压力的区域,即产生水力劈裂的条件为式中:uf为产生水力劈裂时的静水压力,即劈裂压力;σ3为土体的最小总主应力;σt为土的抗拉强度。针对水力劈裂的发生机理,多年来许多国内外学者进行了较多的研究工作,目前对水力劈裂发生机理的解释主要分为两个方面:张拉破坏机理和剪切破坏机理。2.1土体应力作用的弹性统一与强度关系张拉破坏机理主要是基于最小有效应力与土体抗拉强度的比较,当最小有效应力成为负值且超过土体的抗拉强度时,则发生水力劈裂,即式中:u为超静孔隙水压力。等、孙亚平和曾开华都分别提出了相关的理论。P.R.Vanghan认为水力劈裂产生时,有效小主应力σ3′必须在张拉区。当有效小主应力变为拉应力,且其数值大于土的抗拉强度时,就会形成劈裂缝,而要保持裂缝张开,缝中的水压力必须大于边界上的总应力。W.Jawoski等假定土为不透水的线弹性材料、水力劈裂发生时有效应力为拉应力,且在数值上等于土的抗拉强度。通过平面应变分析得出土中钻孔的开孔和钻孔中水压力的施加产生的总应力变化,推导出起裂压力的近似解为并认为,水力劈裂是弱链破坏现象,劈裂起始于抗劈裂最弱的点。KH..Andersen等认为,土体的最小有效主应力为负(张力),且数值大于土体的抗拉强度时,土体发生水力劈裂。并强调了土体应力-应变非线性、土体平均总应力和剪切应力变化引起的超静孔隙水压力对水力劈裂的影响。孙亚平推导了平面应变条件下,渗水体积力作用的中空圆柱土体在等围压下的起裂压力弹性解。推导中假定孔内壁的环向应力等于土的极限抗拉强度时孔内壁出现裂缝。曾开华则在渐进拉裂破坏机理的基础上,并考虑中主应力σ2的影响,推导了三向应力作用下中空圆孔土体水力劈裂的弹性和弹塑性理论解。起裂压力的弹性解是发生水力劈裂的下限值,而弹塑性解是发生水力劈裂的上限值。三向应力作用下的起裂压力为式中:1m,2m为比例系数;s为强度因素项。前文美国调查Teton坝失事事件的研究小组得出的结论的依据也是张拉破坏机理。2.2利用moh-coolombc对土体的抗压强度剪切破坏机理指出土中水力劈裂是由于土受剪切破坏所致。N.R.Morgenstern等、J.P.Cater等、A.Mori等都认同这种观点。N.R.Morgenstern等指出,当孔隙水压力上升时,有效应力圆向Mohr-Coulomb破坏包络线方向移动,直到与其相切时发生水力劈裂。在土体是均质材料、且服从Mohr-Coulomb破坏准则和土中钻孔的存在不影响地层应力的假定下,推导出水力劈裂的起裂压力的表达式为式中:c′为有效黏聚力;φ′为有效摩擦角。J.P.Cater等得到了理想弹塑性材料中圆孔扩张理论的解析解。假定土体为各向同性,并服从Mohr-Coulomb屈服准则,发生水力劈裂的起裂压力就是最终极限扩孔压力。对于纯黏性材料,起裂压力为式中:σH为围压;c为土体黏聚力;G为土体剪切模量。A.Mori等认为,水力劈裂是由于剪切破坏所致,建议采用如下的经验计算式计算起裂压力式中:uq为土体的无侧限抗压强度。此外,试验结果表明,只要施加(液体)压力的速率足够快,以致使得注入的液体来不及渗入土体的微裂隙中,就可以忽略注入液体的黏性、土样大小及土样中的初始裂隙对起裂压力的影响。基于上面两种破坏机理,也有学者认为,水力劈裂是两种机理的共同作用。谢兴华等指出,地下岩土体存在原始裂隙,在渗透水压力作用下,这些裂隙发生扩展。其破坏的力学机理是拉还是剪,取决于发生水力劈裂时哪一种作用占优。3物质条件和力学条件土石坝心墙水力劈裂的发生条件至少包括两个方面:物质条件和力学条件。物质条件是指心墙中存在裂缝或缺陷和心墙材料的低透水性,而力学条件指的是足够大的所谓“水楔”作用。3.1心墙的水力烟裂产生原因心墙中存在裂缝或缺陷是心墙发生水力劈裂最主要的物质条件,因为存在的裂缝或缺陷可以使“水楔”作用成为可能,从而可能导致水力劈裂的发生。其实心墙中存在的裂缝或缺陷在土石坝中是普遍存在的,其产生的原因最可能的有两种,一种是施工原因,另一种是不均匀沉降。施工中各碾压层之间及同层的不同施工段之间均是易形成裂缝或缺陷的部位,施工进度及施工环境(如环境温度、湿度等)的变化也有一定影响,这些裂缝在施工中应是闭合的。不均匀沉降主要是因为坝体材料和心墙材料的不同而造成的,其结果是心墙中产生拱效应,引起心墙应力重分布,导致产生新的裂缝和使施工期产生闭合的裂缝张开。产生心墙水力劈裂的另一物质条件是心墙材料的低渗透性。心墙材料的低透水性与心墙裂缝或缺陷的高透水性使得“水楔”作用容易形成,而“水楔”作用正是心墙发生水力劈裂的力学原因所在。3.2心墙材料透水性能在物质条件存在的前提下,水力劈裂就有了发生“水楔”作用的可能。所谓“水楔”作用是指具有一定压力的水体进入不透水性材料的裂缝后,裂缝表面作用水压力,当水压力增大,大到足以克服裂缝扩展阻力时,裂缝就扩展,水体随即进入新的裂缝,水压力也作用于新的裂缝面,如果该水压力仍大于当前裂缝的扩展阻力,裂缝继续扩展,直到水压力不再大于当前裂缝扩展阻力为止。对于实际的心墙材料不可能是完全不透水的,只是渗透系数相对堆石区而言小几个数量级的具有一定透水性的材料。当心墙中存在水平裂缝时,库水位急剧上升,类似于“水楔”作用中水压力的急剧增加,则裂缝的发展过程就类似于上述“水楔”作用的发生情况。如果库水位继续上升,作用于裂缝面使裂缝扩展的水压力增大,裂缝将进一步扩展,最终可能形成贯穿心墙的裂缝,导致心墙发生集中渗漏,进一步可能导致溃坝事故。4心墙与坝壳的泊松比对心墙防止水力第三人力力的影响水力劈裂的影响因素与其发生条件有关,因而研究者们从发生条件入手,对水力劈裂的影响因素进行了研究。曾开华和殷宗泽、刘令瑶等在这方面取得了一定的成果。曾开华和殷宗泽通过数值分析计算,对水力劈裂影响因素进行了分析。他们认为影响水力劈裂的因素有3个:心墙与坝壳的泊松比、心墙与坝壳的弹性模量以及心墙的倾斜程度。(1)心墙与坝壳的泊松比。在其他条件相同的情况下,分别增大心墙与坝壳的泊松比,均可以提高心墙抵抗水力劈裂的能力,但是改变心墙的泊松比比改变坝壳的泊松比对心墙侧向变形的影响更敏感,因此提高心墙泊松比比提高坝壳泊松比更能增加水平应力,从而对心墙防止水力劈裂更有效。(2)心墙与坝壳的弹性模量。一般心墙材料的压缩性比坝壳的高,也即坝壳的弹性模量比心墙的大,在其他条件相同的情况下,当坝壳的弹性模量与心墙弹性模量之比越大时,心墙抵抗水力劈裂的能力就越弱,这实际上可归因于土质心墙堆石坝“拱效应”的影响。(3)心墙的倾斜程度。通过计算分析认为,随着心墙倾斜程度的加大,心墙产生水力劈裂的可能性也相应降低,因此,斜心墙比直心墙更利于防止水力劈裂。刘令瑶等认为对于宽级配砾石土的土质心墙,其水力劈裂的破坏形式既不完全与黏性土相同,也不完全与非黏性土相同,而是随含砾量(>5mm)变化而变化。含砾量小于等于15%时,其破坏形式为水力劈裂,含砾量大于20%时,破坏形式转变为水力击穿。另外,也有研究者指出蓄水初期发生水力劈裂的危险性大于稳定渗流期。这是因为水力劈裂的发生不仅与水压力的大小有关,而且更重要的是与可能劈裂面附近土体内的水压力梯度直接相关,这种水压力梯度影响渗流力的大小和方向。从受力的角度看,高水力梯度及合适的渗流(力)方向是水力劈裂发生的必要条件。5水力第三、水力