心墙水力劈裂机理的离心模型试验研究

采用直立土柱试样进行离心模型试验的方法,对心墙发生水力劈裂的条件和过程进行了研究。试验结果表 明,当土柱上游侧外水压力大于土体压力时,土柱将产生水力劈裂,并 终产生渗透破坏。因此,在心墙土石坝工 程中,由于坝壳对心墙拱作用所导致的心墙土压力小于外部库水压力将是产生心墙水力劈裂的根本原因。

    关键词:水力劈裂;黏土心墙;离心模型试验

    中图分类号:TU411·93文献标识码:A

    1　研究背景

    水力劈裂系指由于水压力的作用,使土体产生裂缝,并进一步扩展,形成贯穿裂缝的过程。在土质 心墙堆石坝中,如果发生水力劈裂,将在防渗体内产生上下游贯穿的横向裂缝,形成心墙中隐秘的集中 渗流通道,从而导致防渗体的破坏,甚至整个大坝的溃决。20世纪中叶,有数座土石坝发生水力劈裂破 坏,其中, 为 的当属美国的Teton坝。近些年来,随着我国高土石坝建设的不断发展,在工程设计 中如何有效地分析判断土质心墙发生水力劈裂的可能性,如何采取相应的措施避免水力劈裂的发生,这 已经成为目前高土石坝设计、施工中亟待解决的关键技术问题。

    对于心墙水力劈裂问题,国内外学者曾作过大量的试验和分析研究,但是,究竟水力劈裂的内在机 理如何,在学者和研究人员中还存在着不同的看法,目前尚无定论。就研究的手段而言,目前主要是采 用室内试样试验和数值计算分析的方法。但是,由于土体水力劈裂问题的复杂性,现有的室内试验手段 尚难以较为清晰的模拟水力劈裂的发生、发展条件,而数值计算分析也存在着自身的局限性。

土工离心模型试验是一种新型的试验手段,是利用离心力场和重力场等价的原理,在小比尺模型中 再现原型结构物的应力、变形状态。离心模型试验由于可以在模型中再现原型结构的体积力,能够反映 原型复杂的边界条件,并充分考虑土体与外部水荷载之间的相互作用、土体应力随着水压力的增加而变 化的特点,以及蓄水加荷过程中渗流与变形的耦合作用等因素,因此,为研究水力劈裂现象提供了一种有效的研究手段。

    2　水力劈裂的试验研究现状

    在较早的水力劈裂试验研究中,大量的研究工作均集中在室内试样的试验研究。例如,陈愈炯等[1] 利用中心钻孔的黏土圆柱试样,进行了一系列的水力劈裂试验,研究了试样在不同渗流场下的水力劈 裂。杨斌等[2]利用三轴压缩、拉伸、扭剪试验仪进行了不同围压、不同应力比条件下的土的水力劈裂试 验,研究了有效小主应力与水力劈裂产生之间的关系。丁金粟等[3]利用改装的普通三轴试验仪进行了 中空圆柱试样的水力劈裂试验。刘令瑶等[4]采用空心圆柱试样对宽级配砾石土的水力劈裂特性进行了 室内三轴试验研究。在国际上,E. S. Nobari等利用三轴仪研究了中空圆柱试样产生水力劈裂的破坏方 式、劈裂面方向以及裂缝的扩展形式。J. K. Atkinson等[5]利用中空圆柱试样的三轴不排水试验研究了 土体的水力劈裂特性。W. Jawoski等[6]利用真三轴试验,采用立方试样,研究了垂直于击实层面的钻孔 注水水力劈裂现象。

    近几年,水力劈裂的试验方法和手段不断更新。沈珠江等[7]是 早进行离心模型试验的,通过离心 模型试验模拟了Teton坝的情况,但未能证实水力劈裂现象的发生。殷宗泽、曾开华[8-9]对中心开孔的 长方体黏土试样进行了真三轴水力劈裂试验。得出了中主应力和小主应力对劈裂压力的影响规律。

    Alfaro和Wong[10]通过对预制水平或垂直裂缝试样进行水力劈裂试验,再次证明水力劈裂拉裂破坏的机 理,并且认为预设裂缝的存在会降低起始劈裂压力但其并不影响裂缝的发展方向。朱俊高、张辉 等[11-12]进行了厚壁圆筒水力劈裂试验,通过预设裂缝的方法证明土体发生水力劈裂的原因是土体中存 在微裂缝或缺陷;通过测试试样在劈裂过程中的电导率的变化规律,证明水力劈裂的破坏形式是土体局 部达到塑性破坏后的渐进拉裂破坏。张丙印,李娜等[13-14]研制了新型的研究水压力沿渗透弱面渗入土 体形成水压楔劈效应并诱发水力劈裂发生的试验装置。试验采用糯扎渡高土石坝心墙混合土料和掺砾 石土料,在模拟土石坝心墙上游面单元应力和变形条件下,实现了发生水力劈裂现象,证实渗透弱面水 压楔劈效应模型的正确性,并得到土体中存在初始渗透弱面情况下水力劈裂压力和土体应力状态的关 系。曹建建[15]进行了黏性土水力劈裂试验和黏性土轴向压裂试验。实验结果表明:水力劈裂破坏后形 成的劈裂面平行于小主应力的作用面,且劈裂面受小主应力控制。

    上述的试验研究,对于分析土体发生水力劈裂破坏的内在机理、研究水力劈裂产生的应力条件等具 有一定的意义。但是,从另一方面看,三轴条件下的空心圆柱试样与实际心墙堆石坝的应力条件还是有 着较大的差别,而且,试样的渗流场较为复杂,试验中的各项因素的相互作用关系难以区分,因此,利用 这样的试验模拟心墙堆石坝水力劈裂的发生条件和发展过程将具有较大的难度,其相关成果也很难应 用于土石坝的工程实践。

    由于心墙水力劈裂问题的复杂性,目前,尚无一套有效的试验方法能够对心墙发生水力劈裂的条件 和过程进行判断与预测。因此,从针对心墙水力劈裂机理研究的角度看,应该采用一种边界条件、荷载 作用方式、应力状态简单明确的试验手段进行分析研究。根据这一思路,在本文的研究中,提出并采用 了直立土柱的试样结合离心模型试验的研究方法。

    3　水力劈裂的离心模型试验

    土石坝的心墙土料作为一种非线性、非饱和的低透水性材料,其受力和变形的影响因素十分复杂 特别是在坝体的心墙中,各种因素如压实密度、初始含水量、渗透性、结构形式、反滤料及过渡料的特性、 坝壳的变形、上游水位的变化、施工过程的影响等等,都会对心墙的应力状态和变形趋势产生影响。为 突出研究的重点,简化心墙的受力条件,在研究心墙水力劈裂机理的离心模型试验中,采用了直立土柱、 单面迎水的模型设计。这样的模型具备了与心墙实际受力状态基本形似的过程,同时,土柱的受力条件 也较为简单、明确,便于进一步的深入分析。

    根据通常的概念,当心墙上游面库水压力超过了心墙表面的土体压力时心墙的水力劈裂发生。由 于土的容重大于水的容重,在常规情况下,这样的应力关系不会出现,而当心墙与坝壳堆石的模量差别 较大,心墙的变形受到坝壳堆石一定程度的约束,从而产生“拱作用”时,就有可能出现水压力大于土压 力的情况,这时,就有可能出现水力劈裂。根据这一初步的判断,在离心模型试验中,应该通过调整土柱 侧边的接触条件,人为制造“拱作用”,使土柱的竖向应力小于上游面外水压力。但是,在模型试验的实 践过程中发现,通过调整土柱侧边接触条件产生的拱作用并不明显,土柱不会发生水力劈裂。而随着试 验的过程,上游水将持续向下游渗透。试验停机后的土柱切面可看到较为明显的渗透浸润面。

    通过上述试验现象,促使我们从另一个角度重新规划模型方案和离心试验的方式。即采用上游水 头高于土柱高度的方式,人为制造高于土体竖向应力的外水压力,在这种应力关系条件下,观察土体是 否发生水力劈裂。如果土柱产生水力劈裂现象,这样,就可以证明当外水压力大于土体竖向压应力时 将会产生水力劈裂。从而也就可以从另一个角度说明:当坝壳对心墙产生拱作用,并进而导致心墙竖向 应力小于外水压力时,就会产生水力劈裂。

    3·1　模型的规划与制作　

    根据上述研究思路,离心模型试验的 模型规划如图1所示。试验土柱的长度为400mm,宽度为 200mm,高度为400mm。试验使用的模型箱为二维模型箱,模型 箱尺寸为:1 350mm×400mm×910mm。土柱两侧为透水钢板。 土柱上游侧设置高度为300mm的不透水密封板,其中,下部 150mm与土柱上游面相接,上部150mm高出土柱顶面。

               

    试验的土料取自南方某高心墙堆石坝的心墙土料(去除了 其中掺杂的碎石部分),其级配分布如图2所示,基本物理力学 性质指标如表1所示。在试验进行前重新确认的制样密度为 1·89g/cm3,含水率为12·3%。



                   

    在土柱的顶部,布置了2只激光位移传感器,用于监测土柱顶部的沉降变形,土柱的上游侧布置了 2只孔压传感器,用于监测土柱上游面水位变化。另外,还在土柱的下游侧布置了1只摄像头,用于监 视土柱下游渗水情况。

    3·2　试验设备　试验研究工作是在中国水利水电科学研究院的 LXJ-4-450大型土工离心机上进行。该离心机的 大设计加速度 300g,有效负载450g-ton,有效转动半径5m,电机功率700kW,自从 1991年投入运行以来,已经为几十座高土石坝进行过试验研究工 作。

    3·3　试验步骤　在试验过程中,心墙土料在模型制作之前1天, 配制成试验要求的含水率,然后按照图1所示的模型断面,每隔 100mm填筑一层并压实到要求的密度。在土料填筑之前,先在模 型箱侧壁和底部涂一层凡士林用于止水,防止试验过程中在土料 和模型箱的接触部位漏水,在两个支撑挡板上,用高强粘接剂粘贴 一层中粗砂。

    制作好的模型将在离心机加速度50g下进行试验,即原型尺寸相当于模型尺寸的50倍。土柱的高 度为400mm,相当于原型为50×0·4m=20m。设计的试验加水高度为550mm,相当于原型水头为50× 0·55m =27·5m。

    土柱模型制作完成以后,吊装到离心机模型吊篮中,接通数据采集系统,调整位移传感器的位置,检 查各数采通道、加水系统及安全防护系统,调整离心机配重,然后开机试验。离心机在10min升速至 50g,然后,模型在50g下稳定运转5min左右,待心墙的顶部变形趋于平缓后,打开加水开关,在模型上 游侧加水,当模型发生大量渗漏时,模型试验终止。如果没有发生大量的渗漏,则适当延长离心机的运 转时间,直到模型沉降变形稳定,或上游水位基本稳定为止。

    3·4　试验结果　试验过程中测得的模型顶部竖向位移(沉降变形)如图3所示。由图中可以看出,随着 离心机加速的过程,土柱顶部的沉降变形逐步增加,但总体而言,变形数值较小。当离心机加速度增至 试验所规定的加速度值(50g)时,离心机稳定运转约5min,此时,土柱顶部沉降变形增幅趋缓,位移基本 稳定。此后,随着土柱上游面的加水过程,土柱顶部沉降变形略有增加。当上游水位超过土柱顶部高 程,并运行一段时间后,水力劈裂发生,土柱中上部产生集中渗漏,并由此导致土柱顶部的沉降变形有一个较为明显的增加。

    试验过程中测得的模型上游侧孔压(水位)变化过程如图4所示。为防止饱和后的孔压测头失水, 在土柱上游侧未加水时,孔压传感器测头置于一个盛有水的小容器中。因此,由图中可以看出,在上游 未加水时,孔压传感器的测值也随离心的加速过程上升,并随离心机加速至50g时的稳定运转而稳定。 当上游开始加水,并且水位超过盛水容器高度后,孔压传感器的测值随着水位增加而增大,并在到达指 定水位后平稳。随后,土柱发生水力劈裂,并产生集中渗漏,土柱上游水位急剧下降,孔压传感器的测值也急剧降低。

                     

                     

    从离心机运转过程中土柱下游安放的摄像头的录像中可以看出,当水位升至高于土柱顶面150mm 后,在很短的时间内,土柱下游侧观察到清水渗出,说明土柱已发生水力劈裂,并发展成贯穿性裂缝。随 后,随着渗漏量的加大,土颗粒被带出,渗水开始变混浊。 终,大量渗水突然涌出,上游水位急剧下降, 土柱发生渗透破坏。从试验结束后拆除土柱下游挡板后的情况可以看出,在土柱下游约220mm高处有 一条明显的线状渗水通道,其位置与土柱侧边观察到的贯穿裂缝位置相同。同时,在土柱的左侧偏下位 置(与模型箱边壁接触处)也有一个渗透破坏的出口。

    4　心墙水力劈裂机理的初步分析

    上述模型试验的结果,第1次在与心墙堆石坝运行状态相同的应力条件下再现了水力劈裂发生、发 展过程。为保证试验结果的可靠性,在离心模拟试验室相继进行了3次同样的试验,3次试验结果、现 象完全相同,表现出了非常好的一致性和可重复性。

    从试验结果中可以直观地看出,当土体上游侧的水压力大于其相应位置的土压力时,就会在土体中 产生水力劈裂,在外水压力不解除的情况下,裂缝将持续发展,直至贯通。此时,水流通过裂缝渗出,开 始时为清水,但很快就会导致细粒带出,裂缝扩大, 终导致渗透破坏。从水力劈裂产生到发生渗透破 坏,其间的过程十分迅速, 终的表现是渗漏量的突然增大。这一现象与现实土石坝工程中的水力劈裂 失事过程完全一致。

    在现实的土石坝工程中,心墙上游的库水位是不可能超过坝顶高程的,但是,由于坝壳堆石与心墙 土体变形的不一致,将有可能在心墙的局部区域造成库水压力大于上覆土压力,从而也就有可能存在水 力劈裂的可能性。

    从土的特性看,土体如果发生裂缝,必定存在拉裂破坏或剪切破坏,而裂缝的扩展,也应该有作用于 裂缝表面的扩张力的作用。从对土柱单元的数值计算分析中可以得出(相关内容另文发表),当大于上 覆土压力的外水荷载作用于土柱上游侧时,水荷载的作用将使土体中的主应力方向发生偏转,而在土柱 上游侧将出现一片有效小主应力小于零的区域,也就是说土柱上游侧将因拉裂破坏而产生裂缝,而此时 土体的压力又不足以抵抗库水压力,在水压力的作用下,裂缝将不断向内扩展,直至贯通。

    从目前关于水力劈裂的认识上看,主要由拉裂破坏和剪切破坏两种,但从离心模型试验所揭示的机 理看,拉裂破坏可能会是更为主要的因素。以往的观点认为,水力劈裂发生的条件是土体的有效小主应 力的 值大于土体的抗拉强度,从试验室土样试验的结果看,这一结论无疑是正确的,但是,真正在土 石坝工程中,这一判别准则的适用性却未必正确。因为,如果在心墙内部的局部区域由于孔压升高而导 致有效小主应力的 值大于土体的抗拉强度,将只会在心墙内产生局部拉裂缝,这只是局部拉裂破 坏,和心墙表面因拱作用导致库水压力大于上覆土压力而产生的水力劈裂并非相同的概念。本文作者 对试验条件下的土柱进行了数值模拟分析[16],结果是当心墙表面的外水压力大于相应位置的土压力 时,在心墙表面产生了有效小主应力的拉应力区,具备了出现水力劈裂破坏的一个条件。当上游水压力 进一步加大,在外部水压力与初始拉裂缝综合作用下,土柱发生了水力劈裂现象。可见,外部水压力大 于心墙土压力既是水力劈裂出现的原因,也是促使水力劈裂裂缝进一步扩展的动力。

    5　结论

    根据本组心墙水力劈裂机理的离心模型试验研究结果进行分析,可以得出以下几点初步的结论: (1)当土体上游侧的水压力大于其相应位置的土压力时,土体上游侧将会产生水力劈裂裂缝,裂缝的持 续发展将 终导致土体的渗透破坏;(2)在心墙堆堆石坝工程中,由于坝壳堆石与心墙土体变形不协调 所引起的坝壳对心墙的拱作用是导致心墙发生水力劈裂的根本原因;(3)心墙的水力劈裂一般发生在 水库蓄水初期,水力劈裂裂缝的持续发展取决于外水压力在裂缝表面的作用。只有当心墙土体渗透系 数较低,库水来不及在土体中形成渗流,裂缝才能形成劈楔作用,并不断向内发展, 终形成劈裂;(4)水 力劈裂 终发展形式是渗透破坏。