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堆石坝心墙水力劈裂试验与数值模拟研究

张辉  
【摘要】:心墙水力劈裂问题是堆石坝设计中人们尤为关注的问题,同时也是最具有争议性且亟待解决的关键性问题之一。水力劈裂被普遍认为是堆石坝蓄水初期产生集中渗漏的重要原因,是堆石坝建成后产生内部侵蚀或管涌现象从而导致坝体破坏的重要因素。至今,人们对水力劈裂的发生机理、发生条件、发展过程以及判别方法等问题仍没有很好地解决。因此,对水力劈裂问题进行深入研究,论证心墙水力劈裂的发生条件、发生机理及发展过程,进而提出合理的水力劈裂判别标准和切实有效的预防和治理措施,对堆石坝的设计、施工和安全运行有十分重要的意义。本文主要围绕土质心墙堆石坝水力劈裂的发生条件、发生机理和判别标准等进行试验研究、理论分析和数值模拟。 首先,在现有设备的基础上,设计了一套进行粘性土抗拉强度试验的夹具,分别对不同干密度、含水率和前期固结应力下的粘性土进行了抗拉强度试验。试验结果表明,土的抗拉强度随着干密度和前期固结应力的增加而增加,随着含水率的增加而减小。同时,总结出了可以综合考虑干密度和含水率的抗拉强度计算公式,并且分析了本文所研究的粘性土的拉应力应变关系特征。 其次,进行了厚壁圆筒水力劈裂试验。通过预设裂缝的方法证明了土体中微裂缝或缺陷的存在会促进水力劈裂的发生,而且,通过测量试样在劈裂过程中电导率的变化规律的方法,证明了水力劈裂的破坏形式是局部土体达到塑性破坏后的渐进拉裂破坏。然后,利用真三轴试验仪进行了非饱和粘性土三维应力状态下的水力劈裂试验。土体发生水力劈裂时的劈裂压力与土的抗拉强度和土体所处的应力状态之间有着密切的关系,劈裂压力随着土的抗拉强度和小主应力的增加而增加。并且,依据试验结果得到了水力劈裂压力的经验表达式。 再次,推导出了平面应变状态下中心开孔的长柱水力劈裂压力的弹性解和弹塑性解,并将理论解答和试验结果进行了比较分析。结果显示,水力劈裂压力的试验结果介于弹性解和弹塑性解之间,低压力下试验值偏向弹性解,而高压力下偏向弹塑性解。通过试验结果验证了水力劈裂压力理论解答的正确性和合理性。相比之下,弹性解答和弹塑性解答的适用性会更为广泛些。 最后,本文运用平面有限元方法对糯扎渡堆石坝心墙水力劈裂进行了数值模拟,对目前有限元法中总应力法和有效应力法进行水力劈裂判别的问题进行了讨论。从计算的结果得知,随着心墙模量的降低,心墙的拱效应越来越明显,有效应力法计算出的心墙中的竖向有效应力(或有效小主应力)始终没有出现拉应力,因此不能模拟水力劈裂的发生情况;但是,采用四种不同水力劈裂判别标准所进行的总应力法却能够在一定程度上模拟心墙水力劈裂的发生。因此,作者认为在目前的研究水平下,总应力方法更为合理,建议采用总应力分析法进行水力劈裂的发生判别。


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