黏土心墻壩水力劈裂特性試驗(yàn)研究

廖會(huì)文

（江西省水利水電建設(shè)集團(tuán)有限公司，南昌 330000）

0 引 言

水壓力抬升后使土體或巖體產(chǎn)生裂縫且持續(xù)擴(kuò)展的物理現(xiàn)象即為水力劈裂。現(xiàn)有試驗(yàn)主要采用三軸試驗(yàn)對(duì)水力劈裂展開分析。事實(shí)上，黏土心墻壩蓄水期間應(yīng)力狀態(tài)頗為復(fù)雜，單純依靠三軸試驗(yàn)展開黏土心墻壩水力劈裂分析，結(jié)果必定缺乏可靠性與合理性，對(duì)具體水利工程安全評(píng)價(jià)也較為不利。

針對(duì)目前水力劈裂試驗(yàn)存在的不足，文章通過設(shè)計(jì)并制作模型，對(duì)黏土心墻壩上游面在蓄水期間的狀態(tài)展開模擬，并對(duì)壩體蓄水期間受力及蓄水狀態(tài)不同的水力劈裂特性展開研究，以期對(duì)心墻壩防滲及抗水力劈裂實(shí)踐提供借鑒參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)裝置及材料

離心模型試驗(yàn)裝置布置，見圖1。為展開對(duì)黏土心墻壩上游迎水面蓄水過程及應(yīng)力條件的模擬，本研究采用圖1 所示離心機(jī)展開水力劈裂模擬試驗(yàn)，裝置具備明確的應(yīng)力邊界與滲流邊界，能準(zhǔn)確模擬黏土心墻壩上游迎水面土體單元蓄水條件和應(yīng)力條件，并通過上下兩端氣壓孔施加側(cè)向壓力以模擬土體自重應(yīng)力。

圖1 離心模型試驗(yàn)裝置布置

以中國南方某水庫工程黏土心墻料為試驗(yàn)土料，其比重為2.74g/cm3，液限和塑限為34.5%和17.8%，最大干密度1.86g/cm3，最佳含水率16.0%。將黏土心墻料制成相應(yīng)尺寸的試樣，以研究黏土心墻內(nèi)存在滲透弱面或裂縫時(shí)的水力劈裂情況。試驗(yàn)采用模型比尺為50 倍，將制作好的模型按照離心機(jī)加速度50g 展開試驗(yàn)，模型土柱高度為0.4m，相當(dāng)于20m 的原型高度，試驗(yàn)設(shè)計(jì)加水高度為0.55m，相當(dāng)于27.5m 的原型水頭。

1.2 試驗(yàn)方案

在不同含水率、干密度、尺寸及加壓速率下展開系列試驗(yàn)，分析試樣抗水力劈裂規(guī)律。試驗(yàn)開始后，先向試樣上游迎水面及側(cè)面施加壓力，讀取和記錄水壓力及量筒內(nèi)滲水量。當(dāng)試驗(yàn)進(jìn)行至量筒內(nèi)滲水量陡增時(shí)，意味著出現(xiàn)水力劈裂[1]，試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)過程中，向試樣施加的水壓力應(yīng)≤800kPa，且當(dāng)試驗(yàn)水壓力接近最大水壓力時(shí)，不論滲水量是否陡增，均應(yīng)結(jié)束試驗(yàn)并卸載。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

結(jié)合既有研究成果，影響?zhàn)ね列膲慰顾ε研阅艿囊蛩刂饕ㄍ亮虾省⒏擅芏取⒃嚇映叽纭⒓訅核俾实龋颂幏忠蛩卣归_量化分析。

2.1 含水率的影響

根據(jù)模型試驗(yàn)結(jié)果，不同含水率的均質(zhì)試樣滲流速率均隨水壓力的增大而遞增，滿足達(dá)西滲流定律[2]；且不同含水率試樣間滲流速率差距不大，無明顯規(guī)律性。當(dāng)水壓力升至600kPa 時(shí)，滲流基本趨于穩(wěn)定，此時(shí)即可結(jié)束加壓并結(jié)束試驗(yàn)。

試樣含水率越接近最優(yōu)含水率，劈裂壓力越大，基于此，隨著含水率的增減，引發(fā)滲流突變的水壓力均減小。

2.2 干密度的影響

試驗(yàn)過程中，隨著時(shí)間的推移，均質(zhì)試樣滲流速率和水壓力表現(xiàn)出較好的線性關(guān)系。因試驗(yàn)試樣為不飽和試樣，試驗(yàn)歷時(shí)短，不同干密度試樣滲流速率較為接近，無明顯規(guī)律性。整體而言，試樣干密度越小，土質(zhì)也越疏松，滲流通道多，滲流速率也相對(duì)較大。

而裂縫試樣滲流速率變化比均質(zhì)試樣更為明顯，當(dāng)水壓力增至500kPa 時(shí)，不同干密度試樣滲透速率均陡增，標(biāo)示著水力劈裂的發(fā)生。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，不同干密度試樣滲流速率陡增時(shí)水壓力不盡相同。干密度越大，裂縫試樣發(fā)生水力劈裂的壓力也持續(xù)增大，原因在于土體顆粒間凈距隨干密度的增大而減小，土粒吸力和土體強(qiáng)度均增大，抗水力劈裂性能顯著增強(qiáng)。

2.3 試樣尺寸的影響

為分析試樣尺寸對(duì)黏土心墻料抗水力劈裂性能的影響，在試驗(yàn)之初必須制備厚度為40mm、50mm、60mm 和70mm 的試樣，并按試樣厚度的40%確定人工裂縫深度。

隨著試驗(yàn)過程的推進(jìn)，均質(zhì)試樣滲流速率隨水壓力的增大而持續(xù)升高，期間無滲流陡增出現(xiàn)，也未發(fā)生水力劈裂。但裂縫試樣在試驗(yàn)開始后較早發(fā)生滲流陡增和水力劈裂。

試樣尺寸對(duì)試樣抗水力劈裂性能存在正向影響，即試樣厚度越大，壓力水需要劈開土體并形成貫穿性裂縫所需壓力也越大，抗水力劈裂性能也越強(qiáng)。但是隨著試樣厚度的增大，造價(jià)提高，經(jīng)濟(jì)性降低，為此，具體水利工程中必須在黏土心墻壩尺寸和造價(jià)之間尋求平衡。

2.4 加壓速率的影響

在分析黏土心墻壩水力劈裂性能時(shí)，通常將蓄水條件視為引發(fā)水力劈裂的主要原因之一。故此處按照5kPa/min、20kPa/min、50kPa/min、100kPa/min等水壓力加載速率對(duì)心墻壩蓄水過程展開模擬。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，均質(zhì)試樣與裂縫試樣具備相似的滲流規(guī)律，且試驗(yàn)中均無滲流陡增跡象發(fā)生，說明試樣均未發(fā)生水力劈裂。拆樣后試樣表面無明顯新增裂縫，但因試驗(yàn)歷時(shí)長，試樣長期浸泡后存在表面隆起、剝落；既有裂縫也被軟化脫落的土粒所填充；試樣內(nèi)無應(yīng)力集中區(qū)域，孔隙水壓力也基本消散，試樣中滲流穩(wěn)定，土料有效應(yīng)力增大，不存在水力劈裂發(fā)生的可能。

培訓(xùn)之后，進(jìn)行集中封閉式的崗位測(cè)評(píng)。選定同一時(shí)間、同一地點(diǎn)，由全部職能科室主任組成的評(píng)審團(tuán)隊(duì)各自獨(dú)立地根據(jù)崗位說明書對(duì)所有參評(píng)崗位按照評(píng)價(jià)要素逐一打分，填寫“北醫(yī)三院職能部門崗位評(píng)價(jià)評(píng)分表”。

水壓力增速對(duì)裂縫試樣水力劈裂性能影響較大。在較小加壓速率下，無明顯滲流出現(xiàn)，試樣劈裂的可能性較小；而隨著加壓速率的持續(xù)增大，蓄水量在試樣表面快速形成較大水力梯度，孔隙水壓也因時(shí)間較短而無法消散，裂縫處水楔現(xiàn)象[3]凸顯，水力劈裂發(fā)生的可能性也大大增加。

3 有限元分析

3.1 模型構(gòu)建

為展開黏土心墻壩水力劈裂特性模擬，以驗(yàn)證模型試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，擬定出以下幾種工況。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室條件受限而無法展開黏土心墻“拱效應(yīng)”試驗(yàn)[4]，故以上分析結(jié)論存在一定的局限。為增強(qiáng)結(jié)論的合理性與普遍適用性，必須在有限元模擬階段，更對(duì)地展開拱效應(yīng)的模擬分析。

1）工況1：分析拱效應(yīng)受心墻彈性模量的影響。黏土心墻壩高102m，壩頂、底寬15m 和307m，心墻頂、底寬10m 和28m；坡比為1∶0.36，并在49m處上游面突變?yōu)橹毙膲ΑＭㄟ^調(diào)整心墻及壩殼料彈性模量，展開蓄水期和竣工期壩體應(yīng)力變動(dòng)情況分析，并比較拱效應(yīng)受不同彈性模量的影響程度，推測(cè)拱效應(yīng)和水力劈裂的關(guān)系。

2）工況2：分析拱效應(yīng)受心墻上游面形態(tài)和坡比的影響。在工況1 模型的基礎(chǔ)上將心墻坡比調(diào)整為1∶ 0.2 和1∶ 0.25。模擬期間，將壩體簡(jiǎn)化為均質(zhì)結(jié)構(gòu)，無裂縫。

3.2 彈性模量的影響

采用總應(yīng)力法展開模型計(jì)算，并使用線彈性模型確定土料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。為深入分析心墻及壩殼材料壓縮屬性對(duì)拱效應(yīng)的影響，設(shè)計(jì)出5 種方案，材料參數(shù)取值情況，見表1，各算例中僅黏土材料彈性模量不同，其余參數(shù)取值均相同；泊松比與彈性模量值并不隨壩體蓄水期和竣工期應(yīng)力的變化而變化。

表1 材料參數(shù)取值情況

針對(duì)表1 中5 種計(jì)算方案，應(yīng)用總應(yīng)力分析法展開心墻及壩殼區(qū)豎向應(yīng)力等值線圖變化趨勢(shì)的比較，如果心墻Y 向黏土總應(yīng)力小于上覆土壓力，且壩殼區(qū)Y 向土料總應(yīng)力大于壩體拱效應(yīng)，則表明拱效應(yīng)越大。通過對(duì)壩體竣工期及蓄水期拱效應(yīng)變化程度的模擬以及對(duì)蓄水結(jié)束后壩體拱效應(yīng)變化情況的分析，可以得出蓄水期發(fā)生水力劈裂的原因，并以上游庫水壓力是否超出對(duì)應(yīng)高程土體豎向壓力為水力劈裂發(fā)生的判據(jù)。

根據(jù)計(jì)算方案，可以得出心墻彈性模量不同情況下黏土心墻壩在竣工期、蓄水期對(duì)應(yīng)的豎向應(yīng)力云圖以及X 向和Y 向位移云圖。由計(jì)算結(jié)果可知，在壩殼料彈性模量保持不變時(shí)，隨著心墻彈性模量的減小，拱效應(yīng)增大。尤其是當(dāng)心墻和壩殼料彈性模量完全一致時(shí)，竣工期和蓄水期豎向應(yīng)力云圖內(nèi)的等值線均較為光滑，無突變發(fā)生，也無拱效應(yīng)。進(jìn)一步分析蓄水期X 向和Y 向位移云圖看出，心墻彈性模量值越小，沉降均勻性越差，說明壩殼土料和心墻黏土不均勻壓縮程度對(duì)拱效應(yīng)影響較大。壩體蓄水后應(yīng)力重分布現(xiàn)象十分明顯。

1）方案1：心墻彈性模量取200MPa 時(shí)，心墻和壩殼料彈性模量一致，竣工期和蓄水期土壓力均等同于對(duì)應(yīng)高程處覆土壓力計(jì)算結(jié)果，拱效應(yīng)系數(shù)基本位于0.95～1.20 之間，無拱效應(yīng)出現(xiàn)。

2）方案2：心墻彈性模量取100MPa 時(shí)，竣工期和蓄水期土壓力整體呈減小趨勢(shì)，特別是心墻突變點(diǎn)處土壓力陡降，心墻突變點(diǎn)處的竣工期和蓄水期拱效應(yīng)系數(shù)最小值分別將至0.65 和0.78，拱效應(yīng)最為突出。

3）方案3：心墻彈性模量減小至50MPa 時(shí)，分別于49m 和55m 的壩體高程處出現(xiàn)靜水壓力超出竣工期心墻豎向土壓力的局面，心墻突變點(diǎn)處的竣工期和蓄水期拱效應(yīng)系數(shù)最小值分別減至0.42和0.64。

4）方案4：心墻彈性模量減小至30MPa 時(shí)，靜水壓力比竣工期豎向土壓力高的現(xiàn)象集中發(fā)生在壩體高程35～58m 處，心墻突變點(diǎn)處的竣工期和蓄水期拱效應(yīng)系數(shù)降至0.44 和0.63，拱效應(yīng)系數(shù)最小值0.36 出現(xiàn)在心墻79m 高程段。

5）方案5：心墻彈性模量減小至25MPa 時(shí)，靜水壓力比竣工期豎向土壓力高的現(xiàn)象集中發(fā)生在壩體高程28～60m 處，心墻突變點(diǎn)處的竣工期和蓄水期拱效應(yīng)系數(shù)最小值分別減至0.30 和0.58，而拱效應(yīng)系數(shù)最小值0.11 出現(xiàn)在心墻80m 以上高程段。充分說明，在出現(xiàn)嚴(yán)重不均勻沉降的情況下，拱效應(yīng)表現(xiàn)最嚴(yán)重的區(qū)域從心墻突變處向心墻中上部轉(zhuǎn)移。

根據(jù)以上結(jié)果，在壩殼料彈性模量不變時(shí)，心墻彈性模量越小，竣工期心墻豎向應(yīng)力越容易降至靜水壓力以下，拱效應(yīng)也更加顯著。蓄水后隨著應(yīng)力的重新分布，壩體變形逐漸趨緩，拱效應(yīng)持續(xù)減弱，庫水壓力比心墻豎向應(yīng)力低的情況也得到緩解；隨著蓄水的完成，壩體應(yīng)力趨于穩(wěn)定，拱效應(yīng)弱化，觸發(fā)水力劈裂的力學(xué)機(jī)制基本喪失[5]。

結(jié)合工程實(shí)踐，無論是施工原因還是拱效應(yīng)所引發(fā)的心墻壩局部裂縫均普遍存在，此類裂縫在竣工期有些可能會(huì)閉合，有些可能會(huì)因不均勻沉降而繼續(xù)發(fā)育。但是在蓄水之初，只要因應(yīng)力重分布而向裂縫充水施壓，便會(huì)增大水力劈裂發(fā)生的可能。尤其是拱效應(yīng)較為嚴(yán)重時(shí)，壩體變形協(xié)調(diào)性降低，裂縫在不均勻沉降作用下發(fā)育，引發(fā)水楔及水力劈裂。

4 結(jié) 論

綜上所述，黏土心墻壩抗水力劈裂特性主要受到土料含水率、干密度、試樣厚度及水壓力加載速率的影響，通過以上因素的合理取值，可有效抵御土石壩水力劈裂的發(fā)生；均質(zhì)試樣在不同試驗(yàn)條件下均不會(huì)發(fā)生水力劈裂，而裂縫試樣在較高水壓力、較低含水率、較大干密度、較薄試樣厚度下發(fā)生水力劈裂的可能性較大。但均質(zhì)試樣在工程實(shí)踐中幾乎不存在。若考慮拱效應(yīng)的作用，對(duì)于工程實(shí)際而言，應(yīng)通過降低水壓力和土料干密度、提升土料含水率及壩體厚度，加強(qiáng)施工過程控制，避免拱效應(yīng)引發(fā)水平裂縫，防止水力劈裂現(xiàn)象的發(fā)生。