心墙水力劈裂机理的离心模型试验研究

针对土石坝心墙水力劈裂机理问题的研究，提出并采用了直立土柱试样结合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分析研究。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，并最终产生渗透破坏。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。     

黏土心墙水力劈裂机理的离心模型试验及数值分析

采用与原型实际心墙边界条件、受力方式相同的土柱模型,进行了离心模型试验研究,同时采用数值计算分析的方法对土柱模型的应力变形特性进行研究以分析形成心墙水力劈裂的内在机理。分析结果表明：当心墙上游侧的库水压力大于心墙的土压力时,造成了心墙的水力劈裂破坏;该破坏是由于心墙在这种应力条件下,上游侧出现了有效应力拉应力区,并进而出现拉裂裂缝后所产生的;外部水压力大于心墙上游侧土压力是决定水力劈裂发生的重要因素。     

心墙堆石坝的水力劈裂分析

水力劈裂的常用计算方法分有效应力法和总应力法，但其计算结果却常有很大差异。本文详细分析了它们产生差异的原因，认为应该用心墙外水压力是否超过心墙上游面处土中的中主应力来判别水力劈裂的发生可能。提出应用有效应力法计算心墙堆石坝初期有效应力和水压力，通过叠加得到总应力，再与心墙前水压力比较来判别是否发生水力劈裂。该方法可以反映心墙渗透性、饱和度、库水位上升速度等对水力劈裂的影响。这样，通过控制这些因素就可避免水力劈裂的发生。最后通过实例计算表明了该方法的合理性。     

高土石坝心墙水力破坏机制研究进展

心墙是高土石坝防渗体系的关键部位,在高库水压力的作用下,心墙可能产生水力破坏从而造成过量渗漏乃至溃坝的严重后果。预防心墙水力破坏的关键在于揭示心墙中初始渗漏通道的产生机理和条件。水力劈裂曾被广泛认为是心墙中初始渗漏通道的产生原因,简要回顾了土石坝黏土心墙水力劈裂研究的进展,讨论了水力劈裂理论在解释土石坝黏土心墙水力破坏机制方面的不足。近年来,在心墙压实黏土的剪切渗流特性研究方面取得了新进展,发现严重超固结的压实黏土在剪切后会形成高渗透性剪切带的试验事实。在此基础上提出了高土石坝黏土心墙水力破坏的剪切渗透弱面机制。触发剪切渗漏弱面的应力条件较传统水力劈裂判别的应力条件更容易满足,并且预测的渗漏位置更符合工程实际,因此在实际工程设计中应更重视高渗透性剪切带的评价和处置。     

基于空间差异的沥青混凝土心墙水力劈裂数值模拟分析

水力劈裂是心墙土石坝设计研究中的关键性问题。文章以辽宁省拟建的双龙水电站沥青混凝土心墙为对象,利用考虑空间差异的随机有限元计算结果,对沥青混凝土心墙水力劈裂问题进行深入研究和分析。结果均显示,心墙不会发生水力劈裂,但是心墙的上部更容易发生水力劈裂,是施工质量控制的关键部位。     

沥青混凝土心墙坝水力劈裂发生机理及分析

土质心墙坝的水力劈裂问题对土石坝安全的影响已引起工程界的高度重视。本文分析了沥青混凝土心墙发生水力劈裂的机理,提出心墙碾压施工"松塔效应"产生的水平缝和沥青混凝土的低透水性是发生水力劈裂的重要物质条件,而过渡料与心墙相互作用产生的"拱效应"及强大的"水楔"作用是发生水力劈裂的力学条件。通过实例分析证明沥青混凝土防渗心墙与土质心墙一样也存在水力劈裂的风险,需引起水利界的高度重视,对于高沥青混凝土心墙坝应审慎研究并评价心墙的防渗安全可靠性。分析结果对沥青混凝土心墙坝的设计与施工有一定参考意义。     

土石坝砾石土心墙孔隙水压力变化分析

土石坝心墙作为坝体主要防渗结构,在施工期产生的孔隙水压力幅度、消散水平及初蓄期的防渗性能对大坝的初蓄和运行安全有着重要的影响。对某高土石坝砾石土心墙孔隙水压力监测资料的分析表明,砾石土心墙在施工期产生的孔隙水压力幅度与上覆土压力、土体饱和状态和渗透系数有密切关系,孔隙水压力消散水平与库水位变化幅度关系不大,主要与材料特性相关。初蓄期由于心墙土体未完成固结,库水位快速抬升,心墙易加速沉降,从而降低土体强度产生水力劈裂,因此心墙土石坝在初蓄期应严格控制库水位抬升过程,加强心墙中部孔隙水压力及下游侧渗透水压力监测,这对确保大坝的安全具有重要意义。     

前坪水库大坝应力变形及抗水力劈裂研究

心墙土料与坝壳砂卵砾石料、堆石料模量差别较大,为研究大坝心墙拱效应对心墙的应力变形及抗水力劈裂的影响,根据大坝材料分区及坝基地质情况,考虑施工填筑及蓄水过程分级加载,采用非线性邓肯-张模型对大坝应力变形进行研究分析,对前坪水库心墙的应力变形、抗水力劈裂进行分析。计算结果表明,坝体应力和变形分布符合一般规律,坝体最大竖向沉降发生在1/2～2/3坝高范围内,考虑心墙拱效应后,心墙抗水力劈裂是安全的。同时,结合已建工程经验,在大坝易出现裂缝部位可采取填筑高塑性土等工程措施,防止因裂缝而引发集中渗流破坏,避免心墙与基岩面产生裂缝。     

印度尼西亚Jatigede坝心墙应力和水力劈裂研究综述

已有研究显示,土石坝水力劈裂是否发生与心墙小主应力和抗拉强度有关,且与小主应力成线性关系。在土石坝工程中,大多数部位心墙土料的抗拉强度远低于小主应力。因此在印度尼西亚Jatigede坝水力劈裂研究中,以心墙主应力为重点,忽略心墙土料抗拉强度,在不考虑心墙密度、抗剪强度(c、ф)、坝壳堆石与心墙模量比、泊松比等应力影响因素的交叉作用下进行有限元计算,结果表明:心墙土料的泊松比对应力影响最大,其次是心墙的密度,然后是心墙土料抗剪强度指标值,最小的是心墙土料凝聚力。在这5种影响因素中,模量比对心墙应力的影响仅比心墙土料凝聚力c明显,计算初步判断该心墙不会发生水力劈裂。     

土石坝心墙水力劈裂影响因素分析

基于水力劈裂的断裂力学判定准则和有限元判定模拟方法,以假想的直心墙土石坝为例,在考虑心墙内存在裂缝的条件下,计算分析了库水位、裂缝长度、裂缝位置和心墙材料特性(包括弹性模量、泊松比和密度)等因素对土石坝心墙水力劈裂的影响。计算中假定心墙料、坝壳料和裂缝材料的本构关系均具有线弹性特性。结果表明,发生水力劈裂的可能性随库水位的抬高、裂缝长度的增大而增大;随裂缝位置的不同而异。提高心墙材料的弹性模量、泊松比和密度,均有利于提高心墙的抗水力劈裂能力。     

高砾石含量心墙土的水力破坏试验研究

心墙水力破坏是高心墙堆石坝主要安全问题之一,采用中型应力路径三轴仪开展高砾石含量心墙土的水力破坏试验,研究了围压、砾石含量和注水速率等因素对其特性的影响,提出了砾石土内部组成的抽象模型和高砾石含量下水力击穿破坏的发生机理,并探讨了水力击穿演进过程及其与水力劈裂的联系。结果表明:试样在偏应力作用下固结后,通过试样中心预置的水流通道不断提高试样内部水压力,当内部水压力升至略高于围压时,试样出现水力破坏;以注入试样中的水量大幅度增加,但注水压力不增加时对应的内部水压力作为水力破坏压力,其与围压的比值随砾石含量的增大而减小,并随围压和注水速率的增大而增大;试验在高砾石含量范围内(砾石含量35%~50%),试样破坏时外表面有分散出水点,破坏路径在试样内部呈不规则线,水力破坏模式为水力击穿。     

高混凝土坝考虑水表面张力影响的水力劈裂研究

水力劈裂是200m以上高混凝土坝、高碾压混凝土坝需要重点关注的安全隐患。为深入研究高混凝土坝的水力劈裂机理,研发了一种新型混凝土高压水劈裂试件,利用该试件进行了相同条件下水力劈裂及气压劈裂对比试验。研究表明,在静态加压条件下,混凝土发生破坏的水力劈裂水压显著大于气压劈裂的气压,混凝土断裂过程区中水的表面张力对裂缝扩展有抵抗作用。基于试验,提出了水表面张力抵抗劈裂作用的表达式,利用混凝土断裂力学中的裂纹尖端应力强度因子法,构建了考虑水表面张力作用的混凝土水力劈裂模型,该模型计算结果与试验结果吻合良好。应用水表面张力模型分析200m级重力坝水力劈裂影响,可进一步改进考虑高压水劈裂的特高混凝土坝设计。     

Mechanisms of hydraulic fracturing in cohesive soil

Hydraulic fracturing in the soil core of earth-rockfill dams is a common problem affecting the safety of the dams. Based on fracture tests, a new criterion for hydraulic fracturing in cohesive soil was suggested. Using this criterion, the mechanisms of hydraulic fracturing in cubic soil specimens were investigated. The results indicate that the propagation of the crack in a cubic specimen under water pressure occurs in a mixed mode I-II if the crack face is not perpendicular to any of the principal stresses, and the crack most likely to propagate is the one that is perpendicular to the minor principal stress and propagates in mode I.     

湖北省青山水库大坝渗流及稳定计算

本文对青山水库主、副坝断面进行了有限元渗流计算及下游坝坡抗滑稳定计算，计算结果显示：由于青山水库各坝心墙很薄，所以心墙处渗透坡降很大，可能发生渗透破坏；各坝坝壳与排水体交界位置的渗透坡降较大，存在渗流安全隐患；由于坝体及坝基的渗透性较大，渗漏问题比较突出；由于渗流的作用，当水库水位较高时，下游坝坡的最小抗滑稳定安全系数随水库水位的上升而下降较快，由此导致下游坝坡在水位较高时不能满足抗滑稳定要求。通过对青山水库大坝的渗流分析可知，对于薄心墙土坝，在心墙的下游侧渗透坡降很大，如不采取有效的反滤处理措施，则容易发生渗透破坏，该问题应该引起足够的重视。对青山水库大坝的抗滑稳定分析则揭示出渗流对于土坝下游坝坡的抗滑稳定影响很大，对任何土坝坝坡进行抗滑稳定分析时必须考虑渗流的影响。计算结果为青山水库主、副坝的工程处理提供了依据，也为其它土坝的渗流及稳定安全分析提供了可供借鉴的资料。     

裂隙岩体水力劈裂临界水压力试验研究

许多水工建筑物建于基岩上,天然岩体大多存在节理裂隙,在高水压力作用下易发生水力劈裂破坏。为研究裂隙岩体的水力劈裂特性,以水泥砂浆代替岩石、制作预制裂缝试样,研制了高压水密封装置和水压力加载系统,开展了不同缝长和缝宽的砂浆试件水力劈裂试验研究,测定了预制裂缝起裂临界水压力、水力劈裂临界水压力,分析了两者关系,提出了预测表达式。试验结果表明,试件水力劈裂临界水压力为0.441~1.542 MPa,相同条件下,试件水力劈裂临界水压力与初始缝长及缝宽呈负相关关系;预制裂缝起裂临界水压力与水力劈裂临界水压力比值为61.57%~64.17%,与预制裂缝初始缝长和缝宽无关。应用应力强度因子计算公式,综合试验结果,分析得到了考虑预制裂缝宽度影响的裂缝起裂临界水压力和试件水力劈裂临界水压力的计算表达式。     

重力坝坝踵裂缝水力劈裂耦合分析

大坝运行期间,重力坝坝踵裂缝在较高水头作用下易发生水力劈裂破坏。建立扩展有限元法框架下重力坝坝踵裂缝水力劈裂耦合数值模型,并采用扩展有限元法模拟水力劈裂耦合作用下重力坝坝踵裂缝扩展过程。计算结果表明:重力坝坝踵初始裂缝逐渐向坝基底部扩展,且裂缝扩展方向朝向下游;无水力劈裂作用下的裂缝开裂角大于水力劈裂作用下的,无水力劈裂耦合作用下的裂缝开裂角小于水力劈裂耦合作用下的;重力坝坝踵裂缝扩展前,裂缝内水压力基本与边界水压力相同,当裂缝开始扩展时,裂缝内水压力会降低,而后裂缝张开宽度不断增大,裂缝内水压力又会变成边界全水头;裂缝水力劈裂导致裂尖Ⅰ型应力强度因子增大,降低了重力坝裂缝的稳定性。研究结果可为重力坝坝踵裂缝水力劈裂防治提供理论依据。     

瀑布沟大坝蓄水期心墙应力分析

以瀑布沟水电站蓄水期监测资料为基础,对大坝心墙内孔隙水压力、土压力及两者的关系进行分析。分析结果表明：在瀑布沟水电站的整个蓄泄水过程中,孔隙水压力随水位的升高而增大,反之亦然;大坝横断面方向,从上游往下游,渗压与库水位的相关性依次减小,库水的入渗是心墙渗压变化的决定性因素;土压力变化与孔隙水压力变化规律基本一致,土压力值调整是蓄水引起的渗流、固结共同作用的结果,主要受上游水位的影响;在水库蓄水过程中,有效应力下降, 孔隙水压力占土压力的百分比达到100%,可能发生局部水力劈裂。总结蓄水期砾石土心墙渗压和土压力变化规律,可供其它同类工程参数。