土石壩水力劈裂的發(fā)生機(jī)理與影響因素

土石壩水力劈裂的發(fā)生機(jī)理與影響因素

1高土石壩壩體安全問題由于土石壩適用于廣泛的應(yīng)用條件，可以利用當(dāng)?shù)夭牧闲藿ㄋ畮?，對?fù)雜地形的地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)，成本低。因此，我國的節(jié)水工程建設(shè)一直是水庫的主要類型。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，土石壩的高度也在增加。但是隨著高土石壩的出現(xiàn),壩體的安全問題也得到了人們的重視。目前在高土石壩的設(shè)計和興建中,土質(zhì)心墻的水力劈裂問題是工程界普遍關(guān)注又亟待解決的關(guān)鍵問題之一。本文從水力劈裂的發(fā)生機(jī)理、發(fā)生條件及影響因素對這一問題進(jìn)行了報道。2teon壩事故水力劈裂是指在高水壓力下巖體或土體中引起裂縫發(fā)生與擴(kuò)展的過程,是土石壩建成后導(dǎo)致壩體破壞的重要原因之一,最著名的是1976年的美國Teton壩失事事件。在這次事件中,調(diào)查該壩失事原因的一個研究小組提出,水力劈裂發(fā)生在土的抗拉強(qiáng)度與最小主應(yīng)力之和小于靜水壓力的區(qū)域,即產(chǎn)生水力劈裂的條件為式中:uf為產(chǎn)生水力劈裂時的靜水壓力,即劈裂壓力;σ3為土體的最小總主應(yīng)力;σt為土的抗拉強(qiáng)度。針對水力劈裂的發(fā)生機(jī)理,多年來許多國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了較多的研究工作,目前對水力劈裂發(fā)生機(jī)理的解釋主要分為兩個方面:張拉破壞機(jī)理和剪切破壞機(jī)理。2.1土體應(yīng)力作用的彈性統(tǒng)一與強(qiáng)度關(guān)系張拉破壞機(jī)理主要是基于最小有效應(yīng)力與土體抗拉強(qiáng)度的比較,當(dāng)最小有效應(yīng)力成為負(fù)值且超過土體的抗拉強(qiáng)度時,則發(fā)生水力劈裂,即式中:u為超靜孔隙水壓力。等、孫亞平和曾開華都分別提出了相關(guān)的理論。P.R.Vanghan認(rèn)為水力劈裂產(chǎn)生時,有效小主應(yīng)力σ3′必須在張拉區(qū)。當(dāng)有效小主應(yīng)力變?yōu)槔瓚?yīng)力,且其數(shù)值大于土的抗拉強(qiáng)度時,就會形成劈裂縫,而要保持裂縫張開,縫中的水壓力必須大于邊界上的總應(yīng)力。W.Jawoski等假定土為不透水的線彈性材料、水力劈裂發(fā)生時有效應(yīng)力為拉應(yīng)力,且在數(shù)值上等于土的抗拉強(qiáng)度。通過平面應(yīng)變分析得出土中鉆孔的開孔和鉆孔中水壓力的施加產(chǎn)生的總應(yīng)力變化,推導(dǎo)出起裂壓力的近似解為并認(rèn)為,水力劈裂是弱鏈破壞現(xiàn)象,劈裂起始于抗劈裂最弱的點。KH..Andersen等認(rèn)為,土體的最小有效主應(yīng)力為負(fù)(張力),且數(shù)值大于土體的抗拉強(qiáng)度時,土體發(fā)生水力劈裂。并強(qiáng)調(diào)了土體應(yīng)力-應(yīng)變非線性、土體平均總應(yīng)力和剪切應(yīng)力變化引起的超靜孔隙水壓力對水力劈裂的影響。孫亞平推導(dǎo)了平面應(yīng)變條件下,滲水體積力作用的中空圓柱土體在等圍壓下的起裂壓力彈性解。推導(dǎo)中假定孔內(nèi)壁的環(huán)向應(yīng)力等于土的極限抗拉強(qiáng)度時孔內(nèi)壁出現(xiàn)裂縫。曾開華則在漸進(jìn)拉裂破壞機(jī)理的基礎(chǔ)上,并考慮中主應(yīng)力σ2的影響,推導(dǎo)了三向應(yīng)力作用下中空圓孔土體水力劈裂的彈性和彈塑性理論解。起裂壓力的彈性解是發(fā)生水力劈裂的下限值,而彈塑性解是發(fā)生水力劈裂的上限值。三向應(yīng)力作用下的起裂壓力為式中:1m,2m為比例系數(shù);s為強(qiáng)度因素項。前文美國調(diào)查Teton壩失事事件的研究小組得出的結(jié)論的依據(jù)也是張拉破壞機(jī)理。2.2利用moh-coolombc對土體的抗壓強(qiáng)度剪切破壞機(jī)理指出土中水力劈裂是由于土受剪切破壞所致。N.R.Morgenstern等、J.P.Cater等、A.Mori等都認(rèn)同這種觀點。N.R.Morgenstern等指出,當(dāng)孔隙水壓力上升時,有效應(yīng)力圓向Mohr-Coulomb破壞包絡(luò)線方向移動,直到與其相切時發(fā)生水力劈裂。在土體是均質(zhì)材料、且服從Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則和土中鉆孔的存在不影響地層應(yīng)力的假定下,推導(dǎo)出水力劈裂的起裂壓力的表達(dá)式為式中:c′為有效黏聚力;φ′為有效摩擦角。J.P.Cater等得到了理想彈塑性材料中圓孔擴(kuò)張理論的解析解。假定土體為各向同性,并服從Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則,發(fā)生水力劈裂的起裂壓力就是最終極限擴(kuò)孔壓力。對于純黏性材料,起裂壓力為式中:σH為圍壓;c為土體黏聚力;G為土體剪切模量。A.Mori等認(rèn)為,水力劈裂是由于剪切破壞所致,建議采用如下的經(jīng)驗計算式計算起裂壓力式中:uq為土體的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。此外,試驗結(jié)果表明,只要施加(液體)壓力的速率足夠快,以致使得注入的液體來不及滲入土體的微裂隙中,就可以忽略注入液體的黏性、土樣大小及土樣中的初始裂隙對起裂壓力的影響?；谏厦鎯煞N破壞機(jī)理,也有學(xué)者認(rèn)為,水力劈裂是兩種機(jī)理的共同作用。謝興華等指出,地下巖土體存在原始裂隙,在滲透水壓力作用下,這些裂隙發(fā)生擴(kuò)展。其破壞的力學(xué)機(jī)理是拉還是剪,取決于發(fā)生水力劈裂時哪一種作用占優(yōu)。3物質(zhì)條件和力學(xué)條件土石壩心墻水力劈裂的發(fā)生條件至少包括兩個方面:物質(zhì)條件和力學(xué)條件。物質(zhì)條件是指心墻中存在裂縫或缺陷和心墻材料的低透水性,而力學(xué)條件指的是足夠大的所謂“水楔”作用。3.1心墻的水力煙裂產(chǎn)生原因心墻中存在裂縫或缺陷是心墻發(fā)生水力劈裂最主要的物質(zhì)條件,因為存在的裂縫或缺陷可以使“水楔”作用成為可能,從而可能導(dǎo)致水力劈裂的發(fā)生。其實心墻中存在的裂縫或缺陷在土石壩中是普遍存在的,其產(chǎn)生的原因最可能的有兩種,一種是施工原因,另一種是不均勻沉降。施工中各碾壓層之間及同層的不同施工段之間均是易形成裂縫或缺陷的部位,施工進(jìn)度及施工環(huán)境(如環(huán)境溫度、濕度等)的變化也有一定影響,這些裂縫在施工中應(yīng)是閉合的。不均勻沉降主要是因為壩體材料和心墻材料的不同而造成的,其結(jié)果是心墻中產(chǎn)生拱效應(yīng),引起心墻應(yīng)力重分布,導(dǎo)致產(chǎn)生新的裂縫和使施工期產(chǎn)生閉合的裂縫張開。產(chǎn)生心墻水力劈裂的另一物質(zhì)條件是心墻材料的低滲透性。心墻材料的低透水性與心墻裂縫或缺陷的高透水性使得“水楔”作用容易形成,而“水楔”作用正是心墻發(fā)生水力劈裂的力學(xué)原因所在。3.2心墻材料透水性能在物質(zhì)條件存在的前提下,水力劈裂就有了發(fā)生“水楔”作用的可能。所謂“水楔”作用是指具有一定壓力的水體進(jìn)入不透水性材料的裂縫后,裂縫表面作用水壓力,當(dāng)水壓力增大,大到足以克服裂縫擴(kuò)展阻力時,裂縫就擴(kuò)展,水體隨即進(jìn)入新的裂縫,水壓力也作用于新的裂縫面,如果該水壓力仍大于當(dāng)前裂縫的擴(kuò)展阻力,裂縫繼續(xù)擴(kuò)展,直到水壓力不再大于當(dāng)前裂縫擴(kuò)展阻力為止。對于實際的心墻材料不可能是完全不透水的,只是滲透系數(shù)相對堆石區(qū)而言小幾個數(shù)量級的具有一定透水性的材料。當(dāng)心墻中存在水平裂縫時,庫水位急劇上升,類似于“水楔”作用中水壓力的急劇增加,則裂縫的發(fā)展過程就類似于上述“水楔”作用的發(fā)生情況。如果庫水位繼續(xù)上升,作用于裂縫面使裂縫擴(kuò)展的水壓力增大,裂縫將進(jìn)一步擴(kuò)展,最終可能形成貫穿心墻的裂縫,導(dǎo)致心墻發(fā)生集中滲漏,進(jìn)一步可能導(dǎo)致潰壩事故。4心墻與壩殼的泊松比對心墻防止水力第三人力力的影響水力劈裂的影響因素與其發(fā)生條件有關(guān),因而研究者們從發(fā)生條件入手,對水力劈裂的影響因素進(jìn)行了研究。曾開華和殷宗澤、劉令瑤等在這方面取得了一定的成果。曾開華和殷宗澤通過數(shù)值分析計算,對水力劈裂影響因素進(jìn)行了分析。他們認(rèn)為影響水力劈裂的因素有3個:心墻與壩殼的泊松比、心墻與壩殼的彈性模量以及心墻的傾斜程度。(1)心墻與壩殼的泊松比。在其他條件相同的情況下,分別增大心墻與壩殼的泊松比,均可以提高心墻抵抗水力劈裂的能力,但是改變心墻的泊松比比改變壩殼的泊松比對心墻側(cè)向變形的影響更敏感,因此提高心墻泊松比比提高壩殼泊松比更能增加水平應(yīng)力,從而對心墻防止水力劈裂更有效。(2)心墻與壩殼的彈性模量。一般心墻材料的壓縮性比壩殼的高,也即壩殼的彈性模量比心墻的大,在其他條件相同的情況下,當(dāng)壩殼的彈性模量與心墻彈性模量之比越大時,心墻抵抗水力劈裂的能力就越弱,這實際上可歸因于土質(zhì)心墻堆石壩“拱效應(yīng)”的影響。(3)心墻的傾斜程度。通過計算分析認(rèn)為,隨著心墻傾斜程度的加大,心墻產(chǎn)生水力劈裂的可能性也相應(yīng)降低,因此,斜心墻比直心墻更利于防止水力劈裂。劉令瑤等認(rèn)為對于寬級配礫石土的土質(zhì)心墻,其水力劈裂的破壞形式既不完全與黏性土相同,也不完全與非黏性土相同,而是隨含礫量(>5mm)變化而變化。含礫量小于等于15%時,其破壞形式為水力劈裂,含礫量大于20%時,破壞形式轉(zhuǎn)變?yōu)樗舸?。另?也有研究者指出蓄水初期發(fā)生水力劈裂的危險性大于穩(wěn)定滲流期。這是因為水力劈裂的發(fā)生不僅與水壓力的大小有關(guān),而且更重要的是與可能劈裂面附近土體內(nèi)的水壓力梯度直接相關(guān),這種水壓力梯度影響滲流力的大小和方向。從受力的角度看,高水力梯度及合適的滲流(力)方向是水力劈裂發(fā)生的必要條件。5水力第三、水力