沥青混凝土心墙土石坝水力劈裂计算分析

代凌辉，张营营，吴佳

沥青混凝土心墙土石坝水力劈裂计算分析

代凌辉1，2，张营营1，2，吴佳3

（1.黄河水利职业技术学院，河南开封475004；2.小流域水利河南省高校工程技术研究中心，河南开封475004；3.河南省驻马店水文水资源勘测局，河南驻马店463000）

分析了土石坝水力劈裂原理，针对新疆吐鲁番二塘沟沥青混凝土心墙土石坝，选取河床部位最大断面为典型断面，采用有限元法对其进行水力劈裂计算分析，得出：该土石坝心墙任一高程处的中主应力都小于竖向应力，且中主应力和竖向应力都大于水压力。因此，该坝的心墙不会发生水力劈裂。

土石坝；沥青混凝土心墙；水力劈裂；有限元法；中主应力；竖向应力

0　引言

沥青混凝土心墙土石坝是一种人工材料防渗体坝，由于防渗结构处于坝体的内部，具有受外界环境影响小，耐久性良好，适应地基及坝体变形的能力比较强，抗震性比较好等优势，所以采用沥青混凝土防渗的土石坝工程常常采用心墙方案，如三峡工程茅坪溪沥青混凝土心墙坝［1～2］。

水力劈裂是指水压力超过岩石、土体或防渗体内部的应力，而将其劈开的现象。沥青混凝土心墙坝内部的心墙会导致土拱效应的发生，如果土拱效应过于强烈，将会使心墙发生水力劈裂而破坏。因此，沥青混凝土心墙坝的水力劈裂问题不容忽视。历史上曾发生过多次水力劈裂破坏的案例，如美国著名的Teton坝失事事件，就是水力劈裂引起的［3］。

在土力学领域，土拱效应是用来描述应力转移的一种现象。即，由于支撑结构与围护结构刚度相差较大，围护结构土压力局部增大或减小而致使应力转移的现象。这种应力转移是通过土体抗剪强度的发挥而实现的。沥青混凝土心墙位于土石坝内部，因而需要判别心墙是否可能发生水力劈裂［4］。笔者依据有限元法，采用Duncan－Chang E－μ材料本构模型和Goodman单元接触模型对新疆吐鲁番二塘沟沥青混凝土心墙坝进行计算，分析其发生水力劈裂的可能性。

1　水力劈裂的基本原理

水力劈裂是水压力超过土中应力而将土体劈开的现象。水力劈裂裂缝的产生一般是水压力作用面上的小开口被高压水劈开。土的总应力包括3个主应力分量：大主应力、中主应力和小主应力。小主应力的作用方向与心墙上游面水压力的作用方向一致，在判断水力劈裂时，一般不考虑。大主应力和中主应力的方向基本上都与心墙上游面水压力的方向垂直，如果心墙上游面水压力大于二者之一，则有可能发生水力劈裂。由于大主应力的值比中主应力的值大，因而将中主应力是否小于水压力作为判别水力劈裂的标准［5～6］。根据《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》（SL501－2010）中的规定，将心墙上游面的竖向应力与水压力进行比较，判断是否发生水力劈裂。它依据的观点是，拱效应会使防渗体的竖向应力减小。事实上，竖向应力和中主应力的方向都与水压力的方向垂直（如图1所示），而中主应力的方向与坝轴线方向大体一致。水进入裂缝之后，作用方向分别与竖向应力和中主应力的方向相反。如果将竖向应力与水压力进行比较，可以判别水压力是否为竖直方向，并将心墙劈开水平裂缝；如果将中主应力与水压力进行比较，可以判别水压力是否为坝轴线方向，并将心墙劈开竖向裂缝［2］。

2　工程算例

2.1工程概况

二塘沟土石坝位于新疆吐鲁番地区鄯善县境内，大坝为沥青混凝土心墙坝，坝顶高程为1 478.8m，防浪墙高为1.2m，坝顶宽为8m，最大坝高为64.3m，坝顶长为337m，上游坝坡为1∶2.25，下游坝坡为1∶2。河床覆盖层厚为64m。大坝碾压式沥青混凝土心墙为垂直式，心墙轴线位于坝轴线上游2m处，顶宽为0.5 m，底宽为1.2 m，顶部高程为1 477 m，底部高程为1 414m。心墙上、下游两侧各设3m厚的过渡层。坝基防渗主要采用混凝土防渗墙，防渗墙最大深度为66m，厚度为1m。坝体总填筑量为220万m3，其中沥青混凝土心墙总填筑量为1.25万m3，混凝土防渗墙面积为5 500m2。

图1　二维数学模型网格布置图Fig.1 The effect direction ofwater pressure,intermediate principal stressand vertical stress

2.2建立模型

建立有限元二维计算模型时，选取河床部位最大断面为计算的典型剖面，水平方向从上、下游坡脚分别向上游和下游取1.5倍坝高的长度，坝基向下取至覆盖层与基岩交界处，底部采用固定约束。整个模型共划分了2 396个节点，2 231个单元，类型为四节点四边形平面应变有限单元，计算网格如图2所示。

图2　大坝有限元计算网格图Fig.2 Finite elem ent calculation grid of the dam

2.3参数选取

参照大坝的施工顺序，采取逐级加载的计算方式［4］。坝壳料、过渡料、坝基沙砾石和沥青混凝土心墙均采用Duncan－Chang E－μ本构模型；混凝土防渗墙采用弹性模型。各种材料的Duncan－Chang E－μ模型参数取值如表1所示。混凝土防渗墙的弹性模型为25.5GPa，泊松比为0.17，密度为2.4 g／cm3。心墙与过渡料之间采用Goodman单元接触模型，接触参数K1为3 200，K2为3 200，n为0.42，Rf为0.7，φ为27°。

表1　Duncan－Chang E－μ模型参数Tab.1 M odel Parameters of Duncan-Chang E-μ

3　计算成果与分析

在土石坝数值计算中，主应力比是反映心墙或土体工作状态的一个重要参数，本工程心墙的主应力比如图3所示。

图3　心墙主应力比沿高程分布图Fig.3 Core-wall principal stress ratio distribution along the height

根据《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范》（SL501－2010）中的规定，沥青混凝土心墙大部分范围的静止侧压力系数λ＝σ3／σ1，即主应力比应控制在0.3～0.5范围内，以防心墙产生过量体积变形而失稳。从图3中可以看出，心墙大部分范围的主应力都在这个区间内，符合规范规定。为了全面考虑，本文判断水力劈裂时，用竖向应力和中主应力与水压力进行比较。同时，提取心墙上游面单元节点的中主应力和竖向应力，并计算相应高程的水压力。3种应力沿高程的分布如图4所示。从图4中可以看出，心墙任一高程处的竖向应力和中主应力都大于水压力。因此，心墙不会发生水力劈裂。

4　结语

本文采用有限元法对新疆吐鲁番地区的二塘沟土石坝进行水力劈裂计算分析。通过对心墙上游面单元节点的中主应力、竖向应力和相应高程水压力的比较发现，心墙任一高程处的竖向应力和中主应力都大于水压力。因此，心墙不会发生水力劈裂。由于心墙同一高程处的中主应力都小于竖向应力，在二维有限元计算的前提下，宜用中主应力与水压力进行比较，判别水压力是否为坝轴线方向，并将心墙劈开竖向裂缝。

图4　心墙上游面三种应力沿高程分布图Fig.4 Three kinds of core-wall upstream stress distribution along the height

［1］春林，胡安明，李友华.茅坪溪土石坝沥青混凝土心墙的力学特性与施工控制［J］.岩石力学与工程学报，2001，20（9）：742－746.

［2］代凌辉.二塘沟水库深厚覆盖层上沥青混凝土心墙坝应力与变形计算分析［D］.乌鲁木齐：新疆农业大学，2011.

［3］曾锃，党发宁，黄荣卫，等.TETON水库土石坝破坏机理分析［J］.人民黄河，2010，32（12）：215－216.

[责任编辑杨明庆]

Calculation and Analysis on Hydraulic Fracturing of Asphalt Concrete Core－wall Earth－rock fill Dam

DAI Ling-hui1，2，ZHANG Ying-ying1，2，WU Jia3
（1.Yellow River Conservancy Technical Institute，Kaifeng 475004，Henan，China；2.Engineering Technology Research Center of Small Watershed Conservancy University of Henan Province，Kaifeng 475004，Henan，China；3.Bureau of Hydrology and Water Resource Survey of Zhumadian，Zhumadian 463000，Henan，China）

This paper analyzes the principle of earth－rockfill dam hydraulic fracturing，selects the biggest section in river area for typical sections and conducts the calculation and analysis of hydraulic fracturing by using the finite element method for Xinjiang turpan ertanggou asphalt concrete core－wall earth－rockfill dam.It comes to the conclusion that the intermediate principal stress of any elevation in core－wall earthrockfill dam is less than the vertical stress，and the intermediate principal stress and vertical stress is greater than the water pressure.So，the core－wall hydraulic fracturing of the dam is not going to happen.

Earth－rockfill dam；asphalt concrete core－wall；hydraulic fracturing；finite element method；intermediate principal stress；vertical stress

TV642

A

1008-486X（2016）01-0015-03

2015－09－04

黄河水利职业技术学院校内科研基金：深厚覆盖层上沥青混凝土心墙坝应力应变仿真分析（2014QNKY013）

代凌辉（1984－），男，河南开封人，助教，硕士，主要从事水利工程专业的教学与研究工作。