黏土心墻土石壩水力劈裂的有限元分析

黏土心墻土石壩水力劈裂的有限元分析

由于粘土心墻水庫(kù)儲(chǔ)存可能發(fā)生的高暴露，可能會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，近年來(lái)，隨著我國(guó)高土石壩工程的快速發(fā)展，這一問(wèn)題已成為項(xiàng)目中的中心問(wèn)題之一。一旦發(fā)生水壓裂，裂縫中的間隙就會(huì)關(guān)閉、開(kāi)放。人們無(wú)法直接觀察到水庫(kù)中是否有水壓裂的情況。此外，隨著水庫(kù)的侵蝕，可以證實(shí)水庫(kù)中存在水壓裂的形成和破壞。這并不清楚。由于水壓裂的復(fù)雜性，學(xué)術(shù)界在國(guó)內(nèi)外對(duì)水壓裂的發(fā)生、形成機(jī)制和評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了大量研究，并得出了許多有價(jià)值的研究成果。由于水壓裂的復(fù)雜性，學(xué)術(shù)界對(duì)水壓裂的發(fā)生、形成機(jī)制和評(píng)價(jià)方法仍有爭(zhēng)議，因此沒(méi)有得出公認(rèn)的結(jié)論。由于水壓裂的復(fù)雜性，學(xué)術(shù)界對(duì)水壓裂的發(fā)生、形成機(jī)制和評(píng)價(jià)方法仍有爭(zhēng)議，這是不可否認(rèn)的。施萊爾等人通過(guò)分析了心墻大壩的拱效應(yīng)。高.c.v.v.v.心墻是受水壓上升的一個(gè)近似現(xiàn)象。他指出，心墻是由輕微的主應(yīng)力量引起的。曾開(kāi)華等人認(rèn)為，增加壩體和心墻之間的彈性模量比可以更好地防止水壓裂。斜室和地壓的抗彎能力比直心墻強(qiáng)。張丙印等人認(rèn)為，隨著心墻的設(shè)計(jì)，提高了壩體和心墻的彈性模量比，以及降低了彈性模量比對(duì)心墻的不利沖擊。其次，通過(guò)有效的壓力法和總壓力法的差異，應(yīng)考慮心墻中潛在滲透的要素和渣體在快速儲(chǔ)水過(guò)程中產(chǎn)生的渣面的抗彎能力。尹宗澤等人認(rèn)為，堆垛巖和渣體在心墻中的“拱效應(yīng)”以及滲透弱者的“楔形效應(yīng)”是克服的。其次，這取決于是否可能存在滲透阻力和快速儲(chǔ)水過(guò)程中心墻的弱化，以及水庫(kù)快速蓄水過(guò)程中可能存在的弱面壓力的一般效應(yīng)。王俊杰等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)斷裂法和一般力學(xué)法的差異，分析和研究了心墻中不可避免的低滲、裂縫和快速儲(chǔ)存的初始、垂直于裂面的足夠水梯度，這是水壓裂的可能性。通過(guò)分析非穩(wěn)定流和超面斷裂的。1土體滲流的破壞機(jī)理作者在中國(guó)水科院進(jìn)行黏土心墻水力劈裂機(jī)理離心模型試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)當(dāng)土體上游側(cè)的水壓力大于其相應(yīng)位置的土壓力時(shí),土體上游側(cè)將會(huì)產(chǎn)生水力劈裂裂縫,裂縫的持續(xù)發(fā)展將最終導(dǎo)致土體的滲透破壞.由此得出,在心墻堆石壩工程中,由于壩殼堆石與心墻土體變形不協(xié)調(diào)所引起的壩殼對(duì)心墻的拱作用是導(dǎo)致心墻發(fā)生水力劈裂的根本原因.心墻的水力劈裂一般發(fā)生在水庫(kù)蓄水初期,水力劈裂裂縫的持續(xù)發(fā)展取決于外水壓力在裂縫表面的作用.只有當(dāng)心墻土體滲透系數(shù)較低,庫(kù)水來(lái)不及在土體中形成滲流,才會(huì)對(duì)裂縫形成楔劈作用,并不斷向心墻內(nèi)發(fā)展.從目前關(guān)于水力劈裂的認(rèn)識(shí)上看,土體的劈裂方式主要有拉裂破壞和剪切破壞2種,從離心模型試驗(yàn)所揭示的機(jī)理看,拉裂破壞可能會(huì)是更為主要的因素.從土樣試驗(yàn)的結(jié)果看,證實(shí)了水力劈裂發(fā)生條件的正確性,即土體的有效小主應(yīng)力小于土體的抗拉強(qiáng)度,但是,在土石壩工程中,這一判別準(zhǔn)則的適用性卻未必準(zhǔn)確.因?yàn)?如果在心墻內(nèi)部的局部區(qū)域由于孔壓升高而導(dǎo)致有效小主應(yīng)力小于土體的抗拉強(qiáng)度,將只會(huì)在心墻內(nèi)產(chǎn)生局部拉裂縫,只會(huì)造成局部拉裂破壞,這和心墻表面因?yàn)閴螝さ墓白饔脤?dǎo)致庫(kù)水壓力大于土柱上覆土壓力而產(chǎn)生的水力劈裂并非是相同的概念.通過(guò)對(duì)心墻進(jìn)行數(shù)值分析可以發(fā)現(xiàn),在未蓄水之前,土體靠近壩殼的兩側(cè)主應(yīng)力的方向已經(jīng)發(fā)生了明顯的偏轉(zhuǎn),大小主應(yīng)力分別與豎直方向和水平方向分別形成了一定夾角.心墻上游側(cè)蓄水之后,在水壓力的作用下,土體主應(yīng)力的方向進(jìn)一步偏轉(zhuǎn),大主應(yīng)力方向由通常的豎直方向已經(jīng)偏轉(zhuǎn)到接近于水平方向.在這種情況下,如果土體表面的有效小主應(yīng)力出現(xiàn)拉應(yīng)力,土體產(chǎn)生裂縫的方向?qū)⒔咏?傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為在堆石壩心墻中的大主應(yīng)力方向基本為豎直方向,小主應(yīng)力方向基本為水平方向,并未考慮壩殼對(duì)心墻的“拱作用”會(huì)導(dǎo)致心墻主應(yīng)力方向的偏轉(zhuǎn),也因此判斷出來(lái)的水力劈裂發(fā)生方向與實(shí)際工程中發(fā)生水力劈裂的方向不一致,主應(yīng)力方向偏轉(zhuǎn)的提出成功解決了這一矛盾.2計(jì)算結(jié)果的不足利用有限元計(jì)算結(jié)果對(duì)心墻是否發(fā)生水力劈裂進(jìn)行判定的方法通常包括有效應(yīng)力法和總應(yīng)力法.有效應(yīng)力法是以心墻中有效小主應(yīng)力小于0作為判斷條件;總應(yīng)力法是用心墻內(nèi)的總應(yīng)力與上游水壓力相比來(lái)判斷是否發(fā)生水力劈裂.對(duì)于2種分析方法的合理性始終存在爭(zhēng)議.殷宗澤等認(rèn)為總應(yīng)力法間接的考慮了水楔作用,但是無(wú)法模擬施工填筑期孔壓的消散,也不能反映水力劈裂受心墻材料性質(zhì)(包括滲透性、飽和度和填筑速度等)的影響,過(guò)大估計(jì)了水力劈裂的可能性;有效應(yīng)力法是使用了不正確的內(nèi)部水壓力來(lái)比較,因此需要改進(jìn);提出將總應(yīng)力(由心墻固結(jié)計(jì)算出的孔隙水壓力和有效中主應(yīng)力進(jìn)行疊加而得到)與上游水壓力作比較來(lái)判斷是否會(huì)發(fā)生水力劈裂.為了進(jìn)一步分析研究心墻土石壩水力劈裂的發(fā)生機(jī)理,本文以某心墻高土石壩為例,采用基于Biot固結(jié)理論的有效應(yīng)力分析方法對(duì)其進(jìn)行數(shù)值分析,根據(jù)心墻拉裂破壞造成水力劈裂的機(jī)理,通過(guò)有效應(yīng)力的大小來(lái)判斷水力劈裂是否發(fā)生,并且,通過(guò)比較小主應(yīng)力(由有效小主應(yīng)力與壩體中相應(yīng)位置的孔隙水壓力進(jìn)行疊加得到)與心墻前相應(yīng)位置的外水壓力,判斷水力劈裂是否發(fā)生.同時(shí),考察壩體的應(yīng)力水平分布情況.當(dāng)靠近心墻上游表面位置的應(yīng)力水平很大甚至達(dá)到1時(shí),則心墻會(huì)產(chǎn)生由剪切破壞引起的裂縫,進(jìn)而存在心墻發(fā)生水力劈裂的危險(xiǎn).3粘土墻水庫(kù)的水力開(kāi)裂分析3.1土石體非線性模型土石料是非線性材料,Duncan-Chang雙曲線模型因其參數(shù)簡(jiǎn)單,物理意義明確,也能較好地反映這種非線性,因此在工程界得到了廣泛應(yīng)用.本文采用Duncan-ChangE-B模型反映土石體的非線性,模型中切線彈性模量Et和切線體積模量Bt計(jì)算公式分別為式(1)～(2)中,P為大氣壓力;K為彈性模量數(shù);n為彈性模量指數(shù);R為破壞比;SL為應(yīng)力水平,表達(dá)式為SL=(σ1-σ3)/(σ1-σ3);Kb為體積模量數(shù);m為體積模量指數(shù);σ1和σ3是最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力,σ1-σ3為破壞偏應(yīng)力,其表達(dá)式為σ1-σ3=(2ccosΦ+2σ3sinΦ)/(1-sinΦ),c和Φ為強(qiáng)度指標(biāo).3.2土體結(jié)構(gòu)變形控制理論本文選取某壩高為295m,壩頂寬度為16m的黏土心墻堆石壩作為研究對(duì)象.防滲體采用直心墻,壩殼采用堆石填筑,心墻與上、下游壩殼堆石之間均設(shè)有反濾層和過(guò)渡層.計(jì)算分析中采用基于Biot固結(jié)理論的有效應(yīng)力分析方法,認(rèn)為土體(堆石體)的變形受有效應(yīng)力控制,孔隙流體的流動(dòng)遵守Darcy定律,同時(shí)考慮了土骨架在有效應(yīng)力作用下的變形、飽和狀態(tài)下的孔隙流體在孔隙壓力及其梯度作用下的變形和流動(dòng)、土骨架與孔隙流體之間的相互作用(如孔隙壓力對(duì)有效應(yīng)力的影響、土體孔隙變化對(duì)孔隙壓力發(fā)展的影響等).以分級(jí)填筑的方式進(jìn)行施工過(guò)程的模擬,共分為33級(jí)填筑施工,蓄水過(guò)程如圖1所示,最高水位高度為285m,水荷載按照該過(guò)程分級(jí)施加.壩體材料按材料性質(zhì)分為4個(gè)區(qū),分別為堆石料區(qū)、過(guò)渡區(qū)、反濾層及黏土心墻區(qū),計(jì)算過(guò)程中采用的材料參數(shù)如表1所示.壩體底端是位移邊界和不透水邊界.3.3壩體應(yīng)力分析壩體在竣工期和滿蓄期的有效小主應(yīng)力分別如圖2、3所示.竣工期,由于庫(kù)水已經(jīng)蓄至了一定高程,在庫(kù)水對(duì)壩體造成的浮托作用下,上游側(cè)有效小主應(yīng)力已經(jīng)減小.并且,在庫(kù)水推力作用下,心墻向下游發(fā)生水平位移,同時(shí)存在一定的彎曲,在心墻變位造成的推力作用下,壩體下游側(cè)堆石體的有效小主應(yīng)力有所增大,其值大于上游側(cè)對(duì)應(yīng)位置的值.由于壩殼堆石對(duì)心墻的拱作用,心墻上游側(cè)的有效小主應(yīng)力有著較為明顯地減小,但是,從應(yīng)力的數(shù)值上看,心墻上游側(cè)的有效小主應(yīng)力雖然有所降低,但是未出現(xiàn)拉應(yīng)力區(qū),以有效小主應(yīng)力小于0為判斷依據(jù),則尚未達(dá)到水力劈裂發(fā)生的條件,不會(huì)有水力劈裂現(xiàn)象發(fā)生.竣工期及滿蓄期壩體孔隙水壓力分布如圖4、5所示,由圖可見(jiàn),由于壩體填筑速度控制較慢,填筑期歷時(shí)較長(zhǎng),心墻料排水固結(jié)性能較好,壩體填筑期間已基本完成固結(jié),因此心墻內(nèi)基本沒(méi)有累積超孔隙水壓力.滿蓄期,庫(kù)水位上升至正常蓄水位后,心墻上下游之間的穩(wěn)定滲流場(chǎng)很快建立,心墻內(nèi)的滲透力沒(méi)有導(dǎo)致心墻發(fā)生大的變形.由孔隙水壓力與有效小主應(yīng)力的疊加獲得壩體的總小主應(yīng)力,其等勢(shì)線如圖6、7所示.同樣,竣工期,由于庫(kù)水已蓄至一定高程,壩體上游側(cè)總小主應(yīng)力略高于下游側(cè).滿蓄期,庫(kù)水位上升,壩體總重量增加,上游的總小主應(yīng)力有所增加.在庫(kù)水推力作用下,心墻向下游發(fā)生水平位移,同時(shí),存在一定的彎曲,在心墻變位造成的推力作用下,壩體下游側(cè)堆石體的總小主應(yīng)力有所增大,但總主應(yīng)力仍小于上游側(cè).從竣工期到滿蓄期,壩體上游側(cè)靠近心墻位置的小主應(yīng)力比該位置的墻前的靜水壓力高,尚未達(dá)到水力劈裂發(fā)生的條件,不會(huì)有水力劈裂現(xiàn)象發(fā)生.可見(jiàn),采用總應(yīng)力法和有效應(yīng)力法進(jìn)行心墻水力劈裂判斷所得結(jié)果是一致的.壩體內(nèi)部應(yīng)力水平在竣工期的等勢(shì)線如圖8所示,其分布相對(duì)均勻,僅在心墻上游側(cè)部分區(qū)域由于心墻向下游位移而出現(xiàn)了主動(dòng)土壓力狀態(tài),應(yīng)力水平最大的區(qū)域的值約為0.8,其他區(qū)域應(yīng)力水平均不高.在滿蓄期,壩體內(nèi)部應(yīng)力水平的等勢(shì)線如圖9所示,在庫(kù)水推力作用下,透水性較小的心墻出現(xiàn)較大的朝向下游側(cè)的水平位移,從而減小了上游堆石的側(cè)向約束,加大了下游堆石的側(cè)向約束.在此效應(yīng)作用下,心墻上游側(cè)堆石體小主應(yīng)力有所減小,同時(shí)剪應(yīng)力水平上升,主動(dòng)土壓力區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)大;同時(shí),心墻下游側(cè)堆石體小主應(yīng)力上升,剪應(yīng)力水平減小,成為被動(dòng)土壓力區(qū).心墻上游側(cè)堆石體的中上部區(qū)域剪應(yīng)力水平較高,甚至達(dá)到1.0,因此,壩體上游側(cè)可能發(fā)生剪切破壞,需要防范水力劈裂現(xiàn)象的發(fā)生.黏土心墻壩在蓄水過(guò)程中,雖然壩體靠近心墻上游面未出現(xiàn)有效小主應(yīng)力為拉應(yīng)力的區(qū)域,有效小主應(yīng)力與相應(yīng)位置孔隙水壓力疊加后仍然比相對(duì)應(yīng)位置的外水壓力小,不具備發(fā)生水力劈裂的條件,不會(huì)發(fā)生由拉裂破壞引起的心墻水力劈裂.但是,在水壓力作用下,心墻上游側(cè)區(qū)域出現(xiàn)較大的應(yīng)力水平區(qū)域,可能造成壩體發(fā)生剪切破壞.剪切破壞形成的心墻表面的裂縫在外水壓力作用下有可能進(jìn)一步擴(kuò)展,從而引發(fā)水力劈裂.4主應(yīng)力方向偏轉(zhuǎn)在心墻堆石壩工程中,由于壩殼堆石與心墻土體變形不協(xié)調(diào)所引起的壩殼對(duì)心墻的拱作用是導(dǎo)致心墻發(fā)生水力劈裂的根本原因;并且由于壩殼對(duì)心墻的“拱作用”會(huì)導(dǎo)致心墻主應(yīng)力方向