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粘土心墙土石坝水力劈裂特性研究

张少英  
【摘要】:土石坝在初次蓄水过程中产生的水力劈裂现象一直是工程研究的热点和难点问题,基于水力劈裂已有研究成果的认识,分别从水力劈裂试验、理论分析和数值模拟等方面研究水力劈裂的发生机理。本文通过离心模型试验,验证粘土心墙土石坝在竣工期与初次蓄水期软弱结构面发生水力劈裂的现象,根据采集的数据进行水力劈裂机理的理论分析和数值模拟研究。坝体中不同刚度的材料在相同应变条件下形成的土拱效应,以及初次蓄水过程中软弱带中存在的通道为水流形成楔劈效应提供了必要的条件,基于渗流-应力耦合土石坝模型和非饱和土心墙渗流模型,探讨土拱效应和水力楔劈效应的成因及其主要影响因素,分析发生水力劈裂所需的物质条件及不同物理条件下发生劈裂的危险位置。主要研究成果如下:(1)土石坝模型比尺取1:200,设计离心加速度为200g,等效坝高为102m,试验过程分施工期与初次蓄水期。施工期心墙粘土与坝壳土料竖向应力均随模型运行加速度阶梯式逐级增加,且同一高程处心墙土压力略高于坝壳土压力,为坝体不均匀沉降后产生拱效应提供力学条件。初次蓄水运行后,上游蓝色墨水沿着裂隙渗透至下游坝壳料区并产生集中渗漏,同时监测到下游孔隙水压力骤升、上游水压力骤降,视为土石坝模型发生水力劈裂。蓄水期土应力监测值出现心墙竖向应力小于同一高程处水平应力的情况,分析认为侧向水荷载增大及拱效应显著,使得心墙局部发生应力偏转。证明在现有的水力劈裂判据中,无论是使用竖向应力或小主应力与水压力相比,均有其合理性;(2)基于非饱和土力学渗流原理,渗流-应力耦合土石坝模型计算结果表明:心墙与坝壳料的弹性模量差值越大,产生拱效应越显著,且心墙坡比突变处是最危险的位置。对比竣工期与蓄水期心墙上游面竖向应力和拱效应系数分布情况,蓄水期拱效应程度相比竣工期呈减弱趋势,即坝体在蓄水期应力重分布进程中,发生水力劈裂的危险是逐渐降低的,因此水力劈裂只发生在初次蓄水期间;(3)调整数值模型心墙形态及坡比,结果表明:心墙形态变化比心墙上游面坡比变化对拱效应的影响更显著。上游面无突变心墙拱效应最严重的位置在85m高程以上,有突变的心墙拱效应最严重的位置则在突变处。因此在坝型设计中应尽量避免心墙上游面出现坡比突变的情况;(4)楔劈效应形成的主要原因是库水与心墙裂缝联通后,局部水力梯度升高。建立非饱和土心墙渗流模型,计算结果表明:裂缝开度增大,局部水力梯度增长不显著。裂隙越长,局部水力梯度变化范围扩大,且在裂隙周围出现竖向渗透力,加剧裂隙处竖向应力降低的趋势,对发生水力劈裂产生积极影响。裂隙位置越低,形成的局部水力梯度越大,但裂隙扩展受限于上覆土压力的大小,并不是位置越低,越容易发生水力劈裂。


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