黏土心墙坝水力劈裂特性试验研究

廖会文

（江西省水利水电建设集团有限公司，南昌 330000）

0 引 言

水压力抬升后使土体或岩体产生裂缝且持续扩展的物理现象即为水力劈裂。现有试验主要采用三轴试验对水力劈裂展开分析。事实上，黏土心墙坝蓄水期间应力状态颇为复杂，单纯依靠三轴试验展开黏土心墙坝水力劈裂分析，结果必定缺乏可靠性与合理性，对具体水利工程安全评价也较为不利。

针对目前水力劈裂试验存在的不足，文章通过设计并制作模型，对黏土心墙坝上游面在蓄水期间的状态展开模拟，并对坝体蓄水期间受力及蓄水状态不同的水力劈裂特性展开研究，以期对心墙坝防渗及抗水力劈裂实践提供借鉴参考。

1 试验设计

1.1 试验装置及材料

离心模型试验装置布置，见图1。为展开对黏土心墙坝上游迎水面蓄水过程及应力条件的模拟，本研究采用图1 所示离心机展开水力劈裂模拟试验，装置具备明确的应力边界与渗流边界，能准确模拟黏土心墙坝上游迎水面土体单元蓄水条件和应力条件，并通过上下两端气压孔施加侧向压力以模拟土体自重应力。

图1 离心模型试验装置布置

以中国南方某水库工程黏土心墙料为试验土料，其比重为2.74g/cm³，液限和塑限为34.5%和17.8%，最大干密度1.86g/cm³，最佳含水率16.0%。将黏土心墙料制成相应尺寸的试样，以研究黏土心墙内存在渗透弱面或裂缝时的水力劈裂情况。试验采用模型比尺为50 倍，将制作好的模型按照离心机加速度50g 展开试验，模型土柱高度为0.4m，相当于20m 的原型高度，试验设计加水高度为0.55m，相当于27.5m 的原型水头。

1.2 试验方案

在不同含水率、干密度、尺寸及加压速率下展开系列试验，分析试样抗水力劈裂规律。试验开始后，先向试样上游迎水面及侧面施加压力，读取和记录水压力及量筒内渗水量。当试验进行至量筒内渗水量陡增时，意味着出现水力劈裂[1]，试验结束。试验过程中，向试样施加的水压力应≤800kPa，且当试验水压力接近最大水压力时，不论渗水量是否陡增，均应结束试验并卸载。

2 试验结果分析

结合既有研究成果，影响黏土心墙坝抗水力劈裂性能的因素主要包括土料含水率、干密度、试样尺寸、加压速率等，此处分因素展开量化分析。

2.1 含水率的影响

根据模型试验结果，不同含水率的均质试样渗流速率均随水压力的增大而递增，满足达西渗流定律[2]；且不同含水率试样间渗流速率差距不大，无明显规律性。当水压力升至600kPa 时，渗流基本趋于稳定，此时即可结束加压并结束试验。

试样含水率越接近最优含水率，劈裂压力越大，基于此，随着含水率的增减，引发渗流突变的水压力均减小。

2.2 干密度的影响

试验过程中，随着时间的推移，均质试样渗流速率和水压力表现出较好的线性关系。因试验试样为不饱和试样，试验历时短，不同干密度试样渗流速率较为接近，无明显规律性。整体而言，试样干密度越小，土质也越疏松，渗流通道多，渗流速率也相对较大。

而裂缝试样渗流速率变化比均质试样更为明显，当水压力增至500kPa 时，不同干密度试样渗透速率均陡增，标示着水力劈裂的发生。根据试验结果，不同干密度试样渗流速率陡增时水压力不尽相同。干密度越大，裂缝试样发生水力劈裂的压力也持续增大，原因在于土体颗粒间净距随干密度的增大而减小，土粒吸力和土体强度均增大，抗水力劈裂性能显著增强。

2.3 试样尺寸的影响

为分析试样尺寸对黏土心墙料抗水力劈裂性能的影响，在试验之初必须制备厚度为40mm、50mm、60mm 和70mm 的试样，并按试样厚度的40%确定人工裂缝深度。

随着试验过程的推进，均质试样渗流速率随水压力的增大而持续升高，期间无渗流陡增出现，也未发生水力劈裂。但裂缝试样在试验开始后较早发生渗流陡增和水力劈裂。

试样尺寸对试样抗水力劈裂性能存在正向影响，即试样厚度越大，压力水需要劈开土体并形成贯穿性裂缝所需压力也越大，抗水力劈裂性能也越强。但是随着试样厚度的增大，造价提高，经济性降低，为此，具体水利工程中必须在黏土心墙坝尺寸和造价之间寻求平衡。

2.4 加压速率的影响

在分析黏土心墙坝水力劈裂性能时，通常将蓄水条件视为引发水力劈裂的主要原因之一。故此处按照5kPa/min、20kPa/min、50kPa/min、100kPa/min等水压力加载速率对心墙坝蓄水过程展开模拟。

试验结果显示，均质试样与裂缝试样具备相似的渗流规律，且试验中均无渗流陡增迹象发生，说明试样均未发生水力劈裂。拆样后试样表面无明显新增裂缝，但因试验历时长，试样长期浸泡后存在表面隆起、剥落；既有裂缝也被软化脱落的土粒所填充；试样内无应力集中区域，孔隙水压力也基本消散，试样中渗流稳定，土料有效应力增大，不存在水力劈裂发生的可能。

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水压力增速对裂缝试样水力劈裂性能影响较大。在较小加压速率下，无明显渗流出现，试样劈裂的可能性较小；而随着加压速率的持续增大，蓄水量在试样表面快速形成较大水力梯度，孔隙水压也因时间较短而无法消散，裂缝处水楔现象[3]凸显，水力劈裂发生的可能性也大大增加。

3 有限元分析

3.1 模型构建

为展开黏土心墙坝水力劈裂特性模拟，以验证模型试验结果的准确性，拟定出以下几种工况。因为实验室条件受限而无法展开黏土心墙“拱效应”试验[4]，故以上分析结论存在一定的局限。为增强结论的合理性与普遍适用性，必须在有限元模拟阶段，更对地展开拱效应的模拟分析。

1）工况1：分析拱效应受心墙弹性模量的影响。黏土心墙坝高102m，坝顶、底宽15m 和307m，心墙顶、底宽10m 和28m；坡比为1∶0.36，并在49m处上游面突变为直心墙。通过调整心墙及坝壳料弹性模量，展开蓄水期和竣工期坝体应力变动情况分析，并比较拱效应受不同弹性模量的影响程度，推测拱效应和水力劈裂的关系。

2）工况2：分析拱效应受心墙上游面形态和坡比的影响。在工况1 模型的基础上将心墙坡比调整为1∶ 0.2 和1∶ 0.25。模拟期间，将坝体简化为均质结构，无裂缝。

3.2 弹性模量的影响

采用总应力法展开模型计算，并使用线弹性模型确定土料应力应变关系。为深入分析心墙及坝壳材料压缩属性对拱效应的影响，设计出5 种方案，材料参数取值情况，见表1，各算例中仅黏土材料弹性模量不同，其余参数取值均相同；泊松比与弹性模量值并不随坝体蓄水期和竣工期应力的变化而变化。

表1 材料参数取值情况

针对表1 中5 种计算方案，应用总应力分析法展开心墙及坝壳区竖向应力等值线图变化趋势的比较，如果心墙Y 向黏土总应力小于上覆土压力，且坝壳区Y 向土料总应力大于坝体拱效应，则表明拱效应越大。通过对坝体竣工期及蓄水期拱效应变化程度的模拟以及对蓄水结束后坝体拱效应变化情况的分析，可以得出蓄水期发生水力劈裂的原因，并以上游库水压力是否超出对应高程土体竖向压力为水力劈裂发生的判据。

根据计算方案，可以得出心墙弹性模量不同情况下黏土心墙坝在竣工期、蓄水期对应的竖向应力云图以及X 向和Y 向位移云图。由计算结果可知，在坝壳料弹性模量保持不变时，随着心墙弹性模量的减小，拱效应增大。尤其是当心墙和坝壳料弹性模量完全一致时，竣工期和蓄水期竖向应力云图内的等值线均较为光滑，无突变发生，也无拱效应。进一步分析蓄水期X 向和Y 向位移云图看出，心墙弹性模量值越小，沉降均匀性越差，说明坝壳土料和心墙黏土不均匀压缩程度对拱效应影响较大。坝体蓄水后应力重分布现象十分明显。

1）方案1：心墙弹性模量取200MPa 时，心墙和坝壳料弹性模量一致，竣工期和蓄水期土压力均等同于对应高程处覆土压力计算结果，拱效应系数基本位于0.95～1.20 之间，无拱效应出现。

2）方案2：心墙弹性模量取100MPa 时，竣工期和蓄水期土压力整体呈减小趋势，特别是心墙突变点处土压力陡降，心墙突变点处的竣工期和蓄水期拱效应系数最小值分别将至0.65 和0.78，拱效应最为突出。

3）方案3：心墙弹性模量减小至50MPa 时，分别于49m 和55m 的坝体高程处出现静水压力超出竣工期心墙竖向土压力的局面，心墙突变点处的竣工期和蓄水期拱效应系数最小值分别减至0.42和0.64。

4）方案4：心墙弹性模量减小至30MPa 时，静水压力比竣工期竖向土压力高的现象集中发生在坝体高程35～58m 处，心墙突变点处的竣工期和蓄水期拱效应系数降至0.44 和0.63，拱效应系数最小值0.36 出现在心墙79m 高程段。

5）方案5：心墙弹性模量减小至25MPa 时，静水压力比竣工期竖向土压力高的现象集中发生在坝体高程28～60m 处，心墙突变点处的竣工期和蓄水期拱效应系数最小值分别减至0.30 和0.58，而拱效应系数最小值0.11 出现在心墙80m 以上高程段。充分说明，在出现严重不均匀沉降的情况下，拱效应表现最严重的区域从心墙突变处向心墙中上部转移。

根据以上结果，在坝壳料弹性模量不变时，心墙弹性模量越小，竣工期心墙竖向应力越容易降至静水压力以下，拱效应也更加显著。蓄水后随着应力的重新分布，坝体变形逐渐趋缓，拱效应持续减弱，库水压力比心墙竖向应力低的情况也得到缓解；随着蓄水的完成，坝体应力趋于稳定，拱效应弱化，触发水力劈裂的力学机制基本丧失[5]。

结合工程实践，无论是施工原因还是拱效应所引发的心墙坝局部裂缝均普遍存在，此类裂缝在竣工期有些可能会闭合，有些可能会因不均匀沉降而继续发育。但是在蓄水之初，只要因应力重分布而向裂缝充水施压，便会增大水力劈裂发生的可能。尤其是拱效应较为严重时，坝体变形协调性降低，裂缝在不均匀沉降作用下发育，引发水楔及水力劈裂。

4 结 论

综上所述，黏土心墙坝抗水力劈裂特性主要受到土料含水率、干密度、试样厚度及水压力加载速率的影响，通过以上因素的合理取值，可有效抵御土石坝水力劈裂的发生；均质试样在不同试验条件下均不会发生水力劈裂，而裂缝试样在较高水压力、较低含水率、较大干密度、较薄试样厚度下发生水力劈裂的可能性较大。但均质试样在工程实践中几乎不存在。若考虑拱效应的作用，对于工程实际而言，应通过降低水压力和土料干密度、提升土料含水率及坝体厚度，加强施工过程控制，避免拱效应引发水平裂缝，防止水力劈裂现象的发生。