心墙堆石坝的水力劈裂(河海大学 殷宗泽).pdf

心墙堆石坝的 水力劈裂 殷宗泽 河海大学 152面板坝吉林台186 心墙坝 瀑布沟 153面板坝响水涧212 土石坝 龙门 155.5面板坝大柳树233 面板坝 （清江） 水布垭 158面板坝紫坪铺247 心墙坝 （金沙江） 阿海 161面板坝滩坑261 心墙坝 （澜沧江） 糯扎渡 －云南 183.5面板坝洪家渡265 心墙坝 （金沙江） 虎跳峡 －云南 184.5面板坝姚家坪300 土石坝 （雅砻江） 两河口 185.5面板坝三板溪322 心墙坝 （大渡河） 双江口 坝高m坝型坝名坝高m坝型坝名 正在设计或施工中的土石坝（h 150m） （3）土质心墙应力 是否会水力劈裂是否会水力劈裂 心墙 Tiger-jump-gorge earth dam 虎跳峡土坝，云南 H 265m 1. 问题 水力劈裂水压力超过土体应力（总应力），使土体劈开的现象。 （1）总应力法 标准许多坝的计算结果，大片区域劈裂。u 2 σ （2）有效应力法 标准有效应力法对所有心墙坝都不出现劈裂。 0 2 ′σ h 总应力法计算的竣工时（总）小主应力等值线 MPa 总应力法计算的蓄水后（总）小主应力等值线 MPa 竣工时有效小主应力等值线 MPa 蓄水后有效小主应力等值线 MPa 水压力 550 600 650 700 750 800 850 0123 水压力或中主应力MPa 高程m 中主应力 总应力法 究竟如何评价水力劈裂发生的可能 有效应力法 210 MPa 差距怎么这么大呢 2. 水力劈裂的机理 水力劈裂水压力水压力超过土体应力土体应力（总应力），使土体劈开的现 象。 土体应力 （1）大主应力 大量土石坝有限元计算结果大主应力小于水压力的情况很少 只有在心墙模量很小，墙较薄，上部心墙重量基本上被两边坝壳架起 来，向下传得少时，才发生。 （2）小主应力 小主应力作用面，大体平行于心墙上游面 水力劈裂是将上游面劈开。被劈开的面，应该与心墙上游面相 交，不会与其平行。 退一步说，小主应力作用面与心墙上游面不平行，沿该面劈 裂，是削水果皮，不会伤及防渗墙主体，不会产生集中水流。 （3）中主应力 中主应力作用面垂直于坝轴向，裂缝会造成集中水流，会垮坝 这是分析主要问题。 2. 水压力 内部水压力 外部水压力 关于内部水压力 h 竣工期 蓄水初稳定渗流 孔压分布 竣工期 施工期 尽管存在孔压，不会出现。 如果出现，填筑就坍塌。 理论计算、实际观测都表明， 施工期有相当大的有效应力。 0 3 ′σ       − 2 45tan 22 0 ϕ γ γ o c K c z a 无侧压力的最大填土高度 1 σ′ τ σ′ 蓄水初 设水没有渗入，水仅作为荷载作 用于心墙。水压力有所升高。 水荷载是从小主应力方向施加 的，只会增加 不会出现 3 σ′ 0 3 ′σ 如果能引起水力劈裂，那么推土 机推土就能引起水力劈裂。 蓄水初 蓄水后 水渗入，使心墙内孔压增加。 这种水压力不可能超过外水压力，如果 超过，水向上游面流动。 长时间后达到稳定渗流，孔压达到最 大。如果这时出现 是个渗流稳定问题，是流土；不是水力 劈裂。 渗流计算满足了，就不会出现 0 3 ′σ 0 3 ′σ 稳定渗流 关于外部水压力 蓄水初孔压分布 上游面 水压 u x 0 施工刚完孔压分布 稳定渗流孔压分布 蓄水初期，内外水压力是突变的 决定于上游水位 水力劈裂水压力超过土体应力（总应力），使土体劈开的现象。 水压力 指的外部水压力。劈裂后，内部开裂面水压力＝外水压力 机理水力劈裂不是心墙内部水压力超过了土应力，而是指 心墙外水压力超过了心墙上游面土中应力。 huγ＝ h h 3. 水力劈裂计算存在问题分析 （1）有效应力法 ≠ 现有计算方法计算心墙内部水压力、有效应力。 这相当于，用心墙内各点的水压力与总应力比较。 不能反映水力劈裂机理，不可能劈裂。 （总应力法用的是墙前水压力与墙内总应力比较的） 有限元用于连续体。有效应力、孔压在劈裂面上是不连续的。 固结计算用的是饱和土固结理论。 0 2 ′σ h 上游面 水压 u x 0 施工刚完孔压分布 水位上升后孔压分布 心墙粘性土，用了有效应力参数 邓肯模型参数是用排水剪试验确定的。 排水体积收缩，侧向膨胀小，泊松比小。 1 σ∆ 1 ε∆ 3 ε∆ 1 3 ε ε ν ∆ ∆− ＝ （在侧向应力增量 ＝0 的条件下） 泊松比小计算侧压力小。 0＝ν0 3＝ σ 5.0＝ν 13 σσ＝ 偏小的泊松比，导致偏小的 3 σ 偏小的 2 σ 导致u 排水剪有效应力侧压力系数小，泊松比也小。 心墙料邓肯－张模型参数 φ0Δφ C KPa KnKbmRfGFD 39.479.723700.461950.300.7550.360.082.89 CD试 验 UU试 验 小主应力φ0Δφ C KPa KnKbmRfGFD 0.5MPa25.3◦15.7◦9.02900.79481.400.940.27-0.201.80 0.43 i ν a p 3 log σ 0.36 0.5MPa CD UU 4. 推论 水力劈裂心墙外水压力超过了心墙上游面处土中的中主应力。 （1）心墙内水压力小，易于发生水力劈裂 墙内水压力所对应的那部分总应力侧向应力＝竖向应力， 墙内水压力高，侧向总应力相对较高，与外水压力比较，不易劈裂。 稳定渗流，内水压力大，不会水力劈裂。 蓄水初，内水压力来不及升高，是发生水力劈裂的时刻。 τ σ u 3 σ′ 1 σ′ 3 σ 1 σ （2）存在较大的心墙内外水压力差，是发生水力劈裂的必要条件。 水压力要有突变。渐变破坏是渗透破坏，不是劈裂。 （a）流土（b）劈裂 A B A B 蓄水初施工完 上游面 水压 u x 0 施工刚完孔压分布 蓄水初孔压分布 （3）心墙渗透性、饱和度、墙前水位上升速度，影响水力劈裂的发生 ≠ 心墙渗透性大，墙内外水压力差小，突变不明显，不会水力劈 裂。心墙如果是砂性的，只可能渗透破坏，不可能劈裂。 心墙饱和度高，施工刚完时心墙上游面附近，水压力高，墙内外 水压力差小，不易劈裂。 ≈ 水位上升慢，心墙内部孔压来得及上升，墙内外水压力差小，突 变不明显，不会水力劈裂。 上游面 水压 u x 0 施工刚完孔压分布 水位上升后孔压分布 上游面 水压 u x 0 施工刚完孔压分布 水位上升后孔压分布 （a）迅速蓄水时（b）缓慢蓄水时 5. 计算方法的改进 （1）总应力法 标准u 2 σ正确，水压力指上游面水压力 改用不排水剪指标。 存在问题 试验仅仅分排水和不排水，无法模拟实际是部分排水的情况， 不能反映影响水力劈裂的某些重要因素渗透性、饱和度、水位上 升速度 心墙用排 水剪指标 550 600 650 700 750 800 850 0123 水压力或中主应力MPa 高程m 水压力 中主应力 550 600 650 700 750 800 850 01234 水压力或中主应力MPa 高程m 水压力 竖向压力 550 600 650 700 750 800 850 012345 水压力或中主应力MPa 高程m 水压力 竖向压力 550 600 650 700 750 800 850 01234 水压力或中主应力MPa 高程m 水压力 竖向压力 550 600 650 700 750 800 850 012345 水压力或中主应力MPa 高程m 水压力 竖向压力 直心墙 斜心墙 E-B模型 E-v模型 E-B模型 E-v模型 心墙用不排 水剪指标 （2）有效应力法 ≠ 作固结计算施工期的应力变形、有效应力和孔压上升， 蓄水初期的应力变形、有效应力和孔压上升 计算总应力＝有效应力孔压 ≈ 用总应力与心墙前的水压力比较，判别水力劈裂的发生 （直接用来判断水力劈裂，相当于用单元总应力与单元孔压作比 较，不是与外水压力比较。） 本构模型参数用通常的固结排水剪试验确定的参数。 0 2 ′σ 墙前水压力与土中应力比较 固结计算用非饱和土固结理论 将有效应力法与总应力法相结合有效应力法，作固结计算，可以反 映孔压、有效应力和总应力随时间的变化；总应力用于判别。 竣工期蓄水初 心墙孔隙水压力（MPa）K ＝ 2*10-7 cm/s 550 600 650 700 750 800 850 -1012345 水压力，小主应力（MPa） 高程（m） 水压力 小主应力 竣工期蓄水初 550 600 650 700 750 800 850 -101234 水压力，小主应力（MPa） 高程（m） 水压力 小主应力 1 σ 3 σ 1 σ′ 3 σ′ u σ τ 1 σ 3 σ 1 σ′ 3 σ′ u σ τ 水渗入，孔压增大， 1 σ略增大，变成饱和容重 1 σ′显著减小 3 σ′大体按比例减小 3 σ显著增大 摩尔圆减小 水渗入，侧向总应力增 大， 水力劈裂可能性减小 水的侧压力系数为1.0。 这种方法能够反映心墙渗透性、上游水位上升速度、心墙料饱和度等 对水力劈裂的影响。 所提出的方法是一种较为精确的计算方法。它避免了前面所讲方法中的 许多弊端，符合水力劈裂发生机理。 困难非饱和土固结计算。还待实用化，还须要有一个较长研究过程。 6. 结论 （1）水力劈裂心墙外水压力超过了心墙上游面处土中的中主应 力。 （2）判别劈裂的标准要用总应力。建议用有效应力法计算墙内的水 压力和有效应力，叠加得总应力。用心墙上游侧总应力与墙前 水压力比较判别是否可能发生水力劈裂。 （3）水力劈裂随心墙渗透性、饱和度、心墙前水位上升速度等因素 而变化。 谢谢