瀝青混凝土心墻土石壩水力劈裂計(jì)算分析

代凌輝，張營營，吳佳

瀝青混凝土心墻土石壩水力劈裂計(jì)算分析

代凌輝1，2，張營營1，2，吳佳3

（1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南開封475004；2.小流域水利河南省高校工程技術(shù)研究中心，河南開封475004；3.河南省駐馬店水文水資源勘測(cè)局，河南駐馬店463000）

分析了土石壩水力劈裂原理，針對(duì)新疆吐魯番二塘溝瀝青混凝土心墻土石壩，選取河床部位最大斷面為典型斷面，采用有限元法對(duì)其進(jìn)行水力劈裂計(jì)算分析，得出：該土石壩心墻任一高程處的中主應(yīng)力都小于豎向應(yīng)力，且中主應(yīng)力和豎向應(yīng)力都大于水壓力。因此，該壩的心墻不會(huì)發(fā)生水力劈裂。

土石壩；瀝青混凝土心墻；水力劈裂；有限元法；中主應(yīng)力；豎向應(yīng)力

0　引言

瀝青混凝土心墻土石壩是一種人工材料防滲體壩，由于防滲結(jié)構(gòu)處于壩體的內(nèi)部，具有受外界環(huán)境影響小，耐久性良好，適應(yīng)地基及壩體變形的能力比較強(qiáng)，抗震性比較好等優(yōu)勢(shì)，所以采用瀝青混凝土防滲的土石壩工程常常采用心墻方案，如三峽工程茅坪溪瀝青混凝土心墻壩［1～2］。

水力劈裂是指水壓力超過巖石、土體或防滲體內(nèi)部的應(yīng)力，而將其劈開的現(xiàn)象。瀝青混凝土心墻壩內(nèi)部的心墻會(huì)導(dǎo)致土拱效應(yīng)的發(fā)生，如果土拱效應(yīng)過于強(qiáng)烈，將會(huì)使心墻發(fā)生水力劈裂而破壞。因此，瀝青混凝土心墻壩的水力劈裂問題不容忽視。歷史上曾發(fā)生過多次水力劈裂破壞的案例，如美國著名的Teton壩失事事件，就是水力劈裂引起的［3］。

在土力學(xué)領(lǐng)域，土拱效應(yīng)是用來描述應(yīng)力轉(zhuǎn)移的一種現(xiàn)象。即，由于支撐結(jié)構(gòu)與圍護(hù)結(jié)構(gòu)剛度相差較大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)土壓力局部增大或減小而致使應(yīng)力轉(zhuǎn)移的現(xiàn)象。這種應(yīng)力轉(zhuǎn)移是通過土體抗剪強(qiáng)度的發(fā)揮而實(shí)現(xiàn)的。瀝青混凝土心墻位于土石壩內(nèi)部，因而需要判別心墻是否可能發(fā)生水力劈裂［4］。筆者依據(jù)有限元法，采用Duncan－Chang E－μ材料本構(gòu)模型和Goodman單元接觸模型對(duì)新疆吐魯番二塘溝瀝青混凝土心墻壩進(jìn)行計(jì)算，分析其發(fā)生水力劈裂的可能性。

1　水力劈裂的基本原理

水力劈裂是水壓力超過土中應(yīng)力而將土體劈開的現(xiàn)象。水力劈裂裂縫的產(chǎn)生一般是水壓力作用面上的小開口被高壓水劈開。土的總應(yīng)力包括3個(gè)主應(yīng)力分量：大主應(yīng)力、中主應(yīng)力和小主應(yīng)力。小主應(yīng)力的作用方向與心墻上游面水壓力的作用方向一致，在判斷水力劈裂時(shí)，一般不考慮。大主應(yīng)力和中主應(yīng)力的方向基本上都與心墻上游面水壓力的方向垂直，如果心墻上游面水壓力大于二者之一，則有可能發(fā)生水力劈裂。由于大主應(yīng)力的值比中主應(yīng)力的值大，因而將中主應(yīng)力是否小于水壓力作為判別水力劈裂的標(biāo)準(zhǔn)［5～6］。根據(jù)《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL501－2010）中的規(guī)定，將心墻上游面的豎向應(yīng)力與水壓力進(jìn)行比較，判斷是否發(fā)生水力劈裂。它依據(jù)的觀點(diǎn)是，拱效應(yīng)會(huì)使防滲體的豎向應(yīng)力減小。事實(shí)上，豎向應(yīng)力和中主應(yīng)力的方向都與水壓力的方向垂直（如圖1所示），而中主應(yīng)力的方向與壩軸線方向大體一致。水進(jìn)入裂縫之后，作用方向分別與豎向應(yīng)力和中主應(yīng)力的方向相反。如果將豎向應(yīng)力與水壓力進(jìn)行比較，可以判別水壓力是否為豎直方向，并將心墻劈開水平裂縫；如果將中主應(yīng)力與水壓力進(jìn)行比較，可以判別水壓力是否為壩軸線方向，并將心墻劈開豎向裂縫［2］。

2　工程算例

2.1工程概況

二塘溝土石壩位于新疆吐魯番地區(qū)鄯善縣境內(nèi)，大壩為瀝青混凝土心墻壩，壩頂高程為1 478.8m，防浪墻高為1.2m，壩頂寬為8m，最大壩高為64.3m，壩頂長(zhǎng)為337m，上游壩坡為1∶2.25，下游壩坡為1∶2。河床覆蓋層厚為64m。大壩碾壓式瀝青混凝土心墻為垂直式，心墻軸線位于壩軸線上游2m處，頂寬為0.5 m，底寬為1.2 m，頂部高程為1 477 m，底部高程為1 414m。心墻上、下游兩側(cè)各設(shè)3m厚的過渡層。壩基防滲主要采用混凝土防滲墻，防滲墻最大深度為66m，厚度為1m。壩體總填筑量為220萬m3，其中瀝青混凝土心墻總填筑量為1.25萬m3，混凝土防滲墻面積為5 500m2。

圖1　二維數(shù)學(xué)模型網(wǎng)格布置圖Fig.1 The effect direction ofwater pressure,intermediate principal stressand vertical stress

2.2建立模型

建立有限元二維計(jì)算模型時(shí)，選取河床部位最大斷面為計(jì)算的典型剖面，水平方向從上、下游坡腳分別向上游和下游取1.5倍壩高的長(zhǎng)度，壩基向下取至覆蓋層與基巖交界處，底部采用固定約束。整個(gè)模型共劃分了2 396個(gè)節(jié)點(diǎn)，2 231個(gè)單元，類型為四節(jié)點(diǎn)四邊形平面應(yīng)變有限單元，計(jì)算網(wǎng)格如圖2所示。

圖2　大壩有限元計(jì)算網(wǎng)格圖Fig.2 Finite elem ent calculation grid of the dam

2.3參數(shù)選取

參照大壩的施工順序，采取逐級(jí)加載的計(jì)算方式［4］。壩殼料、過渡料、壩基沙礫石和瀝青混凝土心墻均采用Duncan－Chang E－μ本構(gòu)模型；混凝土防滲墻采用彈性模型。各種材料的Duncan－Chang E－μ模型參數(shù)取值如表1所示?；炷练罎B墻的彈性模型為25.5GPa，泊松比為0.17，密度為2.4 g／cm3。心墻與過渡料之間采用Goodman單元接觸模型，接觸參數(shù)K1為3 200，K2為3 200，n為0.42，Rf為0.7，φ為27°。

表1　Duncan－Chang E－μ模型參數(shù)Tab.1 M odel Parameters of Duncan-Chang E-μ

3　計(jì)算成果與分析

在土石壩數(shù)值計(jì)算中，主應(yīng)力比是反映心墻或土體工作狀態(tài)的一個(gè)重要參數(shù)，本工程心墻的主應(yīng)力比如圖3所示。

圖3　心墻主應(yīng)力比沿高程分布圖Fig.3 Core-wall principal stress ratio distribution along the height

根據(jù)《土石壩瀝青混凝土面板和心墻設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL501－2010）中的規(guī)定，瀝青混凝土心墻大部分范圍的靜止側(cè)壓力系數(shù)λ＝σ3／σ1，即主應(yīng)力比應(yīng)控制在0.3～0.5范圍內(nèi)，以防心墻產(chǎn)生過量體積變形而失穩(wěn)。從圖3中可以看出，心墻大部分范圍的主應(yīng)力都在這個(gè)區(qū)間內(nèi)，符合規(guī)范規(guī)定。為了全面考慮，本文判斷水力劈裂時(shí)，用豎向應(yīng)力和中主應(yīng)力與水壓力進(jìn)行比較。同時(shí)，提取心墻上游面單元節(jié)點(diǎn)的中主應(yīng)力和豎向應(yīng)力，并計(jì)算相應(yīng)高程的水壓力。3種應(yīng)力沿高程的分布如圖4所示。從圖4中可以看出，心墻任一高程處的豎向應(yīng)力和中主應(yīng)力都大于水壓力。因此，心墻不會(huì)發(fā)生水力劈裂。

4　結(jié)語

本文采用有限元法對(duì)新疆吐魯番地區(qū)的二塘溝土石壩進(jìn)行水力劈裂計(jì)算分析。通過對(duì)心墻上游面單元節(jié)點(diǎn)的中主應(yīng)力、豎向應(yīng)力和相應(yīng)高程水壓力的比較發(fā)現(xiàn)，心墻任一高程處的豎向應(yīng)力和中主應(yīng)力都大于水壓力。因此，心墻不會(huì)發(fā)生水力劈裂。由于心墻同一高程處的中主應(yīng)力都小于豎向應(yīng)力，在二維有限元計(jì)算的前提下，宜用中主應(yīng)力與水壓力進(jìn)行比較，判別水壓力是否為壩軸線方向，并將心墻劈開豎向裂縫。

圖4　心墻上游面三種應(yīng)力沿高程分布圖Fig.4 Three kinds of core-wall upstream stress distribution along the height

［1］春林，胡安明，李友華.茅坪溪土石壩瀝青混凝土心墻的力學(xué)特性與施工控制［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2001，20（9）：742－746.

［2］代凌輝.二塘溝水庫深厚覆蓋層上瀝青混凝土心墻壩應(yīng)力與變形計(jì)算分析［D］.烏魯木齊：新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)，2011.

［3］曾锃，黨發(fā)寧，黃榮衛(wèi)，等.TETON水庫土石壩破壞機(jī)理分析［J］.人民黃河，2010，32（12）：215－216.

[責(zé)任編輯楊明慶]

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

黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院校內(nèi)科研基金：深厚覆蓋層上瀝青混凝土心墻壩應(yīng)力應(yīng)變仿真分析（2014QNKY013）

代凌輝（1984－），男，河南開封人，助教，碩士，主要從事水利工程專業(yè)的教學(xué)與研究工作。