土石壩防滲墻抗水力劈裂特性研究

黎志源

(淮安市水利規劃設計研究院有限公司廣州分公司，廣東 廣州 510610)

伴隨我國水利水電工程的快速發展，水庫大壩對于經濟社會的發展起到了不可替代的作用。土石壩由于取材方便及適應地形能力強的特點，被廣泛應用于我國的水利建設。目前我國的土石壩已成為主要壩型，占比高達95%。但由于設計及施工缺陷，土石壩穩定性仍然是制約大壩安全運營的主要因素之一。其中壩體防滲墻水力劈裂問題就是影響大壩安全運營的重要因素之一。由于土石壩防滲墻水力劈裂可能會導致嚴重的后果，各國學者也對土石壩的水力劈裂問題開展了廣泛的研究。殷宗澤等[1]對比分析了有效應力法和總應力法對于心墻堆石壩的水力劈裂計算結果的差異性，結果表明，防滲墻滲透性、飽和度及庫水位上升速度等均會對水力劈裂產生影響。寧保輝等[2]基于數值模擬系統的研究了前坪水庫大壩應力變形及抗水力劈裂響應。結果表明，壩體應力和變形分布符合一般規律，壩體最大豎向沉降發生在1/2～2/3壩高范圍內，實際工程中，在大壩易出現裂縫部位可采取填筑高塑性土等工程措施防治滲流破壞。張紅日等[3]基于二維數值模擬系統的研究了心墻水力劈裂與孔壓關系。結果表明，壩體竣工期的拱效應，導致心墻豎向應力明顯減小。此外，此壓力梯度是水力劈裂發生的根本條件。魏松等[4]基于數值模擬分析了防滲心墻的拱效應及抗水力劈裂性能。研究結果表明，無廊道壩和有廊道壩的心墻內中主應力基本均大于或接近上游水壓力。與無廊道相比，有廊道方案的混凝土防滲墻應力較大。實際工程中，提高覆蓋層厚度模量可以有效降低防滲墻的變形。郭德全等[5]依托瀑布溝高土石壩工程，采用鄧肯E-ν模型研究了高土石壩壩體和基礎防滲墻在施工期和蓄水期的應力、變形分布規律，結果表明，大壩最大沉降均發生在水庫滿蓄期。此外，設置的高塑性黏土區改善了大壩的應力狀況。鄧建偉等[6]基于理論手段分析了瀝青混凝土心墻壩水力劈裂發生機理。結果表明，瀝青混凝土的低透水性是發生水力劈裂的重要物質條件。

既有研究中大多數沒有考慮發生水力劈裂所需的前提條件，實際工程發現，防滲墻的裂縫特征對于水力劈裂效應是非常顯著的。考慮目前的研究不足，本文依托某土石壩實際工程，采用ABAQUS建立理想均質土石壩模型，系統研究防滲墻裂縫特征及墻體的物理力學參數對水力劈裂的影響。本文的研究可為類似工程提供參考。

1 水力劈裂計算準則

防滲墻水力劈裂的時在水壓力的作用下，主要是由于垂直裂縫面的拉應力和平行裂縫面的剪應力共同導致的。基于既有研究關于水力劈裂發生的條件[7-8]，本文提出了Ⅰ型和Ⅱ型裂縫的水力劈裂準則：

(1)

式中，KⅠ—Ⅰ型裂縫尖端的應力強度；KⅡ—Ⅱ型裂縫尖端的應力強度；KIC—材料的斷裂韌度因子。

在上式中，當左端小于右端時，通常認為不發生水力劈裂，當左端大于右端時，通常認為發生水力劈裂，其中上式的左端由下式得到

(2)

式中，J—平面應變積分項；E—材料的彈性模量；μ—材料的泊松比，對于非彈性問題，兩者取切線彈性模量和切線泊松比。

通過以上的分析可知，J積分的值越大，越容易發生水力劈裂，因此本文分析中主要通過計算J積分的大小確定是否發生水力劈裂以及影響水力劈裂的因素。

2 數值計算模型與參數

本文依托某土石壩水利工程，該壩是以防洪為主，結合灌溉、供水，兼顧發電的水利工程。壩體上下游坡比均為1∶1.8。設計防洪標準為500年，校核洪水標準為2000年。壩頂高程為1925m，最大壩高為200m，頂寬為14m。根據土石壩典型斷面建立數值計算模型(如圖1所示)。其中壩長為735m，壩高200m。頂寬14m。假定土石壩為均質材料。數值計算中采用的本構模型為鄧肯-張模型。為了分析裂縫特征對水力劈裂的影響。本文假定防滲墻存在3條裂縫，由下到上分別定義為L1，L2和L3。其中L1距離壩底40m，L2距離壩頂100m，L3距離壩底160m。為了計算簡便，本文不考慮裂縫產生的原因。此外，假定水位正常情況為180m，最大水位值為200m。模型約束條件為，約束左右兩側水平方向的位移，約束底部3個方向的位移。

圖1 數值計算模型

計算過程中，假定水位上升時瞬時的。此外，由于裂縫是假定直接存在于防滲墻上的，因此，假定蓄水時裂縫已經存，且裂縫彈性模量假定為大壩彈性模量的0.01%，泊松比為0.3。

3 計算結果與分析

3.1 水位對水力劈裂的影響

圖2匯總得到了庫水位對水力劈裂的影響關系。結果表明，J積分值的大小隨水位的增大而增大，且兩者呈比較明顯的線性關系。在相同水位工況下，J積分數值的大小，隨裂縫長度的增大而增大。也即在確定水位下，水位越高，越容易發生水力劈裂。此外，當裂縫長度為2.0m，J積分的數值大小基本不受水位高低的影響。因此可以發現，裂縫長度越大，受水位的影響也越大。實際工程中，如果裂縫長度比較小時，即使在水位比較大的時候，也不容易發生水力劈裂。

圖2 庫水位對水力劈裂的影響

3.2 裂縫長度水力劈裂的影響

圖3匯總得到了裂縫長度對水力劈裂的影響。結果表明，在相同庫水位情況下，J積分值的大小隨裂縫長度的增大而增大。即對于確定的水位，裂縫長度越大，越容易發生水力劈裂。此外，在裂縫長度小于10m時，庫水的波動對J積分的影響較小。證明，高庫水發生水力劈裂的臨界條件比低庫水位發生水力劈裂的最小裂縫長度要小。

圖3 裂縫長度對水力劈裂的影響

3.3 裂縫位置對水力劈裂的影響

既有研究表明，裂縫位置對水力劈裂的影響影響較大。通常外荷載作用下，裂縫往往出現在初始缺陷最嚴重的地方。裂縫時發生水力劈裂的基礎條件。一些研究表明，最容易發生水力劈裂的位置是在壩體中上部。圖4匯總得到裂縫位置對水力劈裂的影響。結果表明，相同裂縫長度下，J積分的大小與水位呈正相關的關系。在水位相同及裂縫長度相同的工況下，裂縫距離壩頂位置越小，越容易發生水力劈裂。

圖4 裂縫位置對水力劈裂的影響

3.4 防滲墻力學參數對水力劈裂的影響

通常防滲墻裂縫會對水力劈裂產生影響。此外，防滲墻本身的力學屬性也會對水力劈裂發生的條件產生影響。為進一步研究防滲墻力學特性對水力劈裂的影響，本文系統的分析了防滲墻彈性模量、泊松比及密度對水力劈裂的影響。

圖5得到了防滲墻彈性模量對水力劈裂的影響。結果表明，J積分的大小隨防滲墻彈性模量的增大呈非線性增大。證明提高墻體的剛度有利于提高防滲墻的抗水力劈裂能力。此外，提高防滲墻的彈性模量能夠顯著提高發生水力劈裂的最低水位要求。

圖5 防滲墻彈性模量對水力劈裂的影響

圖6得到了防滲墻泊松比對水力劈裂的影響。結果表明，J積分的大小隨防滲墻泊松比的增大呈線性減小。證明減小墻體的泊松比有利于提高防滲墻的抗水力劈裂能力。此外，與彈性模量對J積分的影響相類似，降低墻體的泊松比能夠顯著提高發生水力劈裂的最低水位要求。

圖6 防滲墻泊松比對水力劈裂的影響

圖7得到了防滲墻密度對水力劈裂的影響。結果表明，J積分的大小隨防滲墻密度的增大呈線性減小。但當裂縫長度為11m時，墻體的密度對J積分的大小影響不顯著。相同庫水位下。裂縫長度越大，J積分的值越大。綜合來看，與彈性模量對J積分的影響相類似，提高墻體的密度能夠顯著提高發生防滲墻的抗水力劈裂能力。

圖7 防滲墻密度量對水力劈裂的影響

4 結語

本文依托某土石壩水利工程，采用ABAQUS分析了土石壩防滲墻的物理參數對水力劈裂效應的影響。結果表明J積分值隨水位增大而增大。相同水位工況下，J積分數值的大小，隨裂縫長度的增大而增大；相同庫水位下，J積分值的大小隨裂縫長度的增大而增大；J積分的大小隨防滲墻彈性模量的增大呈非線性增大，隨防滲墻泊松比的增大線性減小，隨防滲墻密度增大而線性減小。提高防滲墻的彈性模量、降低墻體的泊松比及增大墻體的密度可顯著提高防滲墻的抗水力劈裂能力。由于數值模擬結果與實際大壩的運行條件有較大差異，研究結果需要在工程實踐中進一步的研究。