| 标题 | 土石坝水力劈裂的发生机理及处理办法 |
| 范文 | 杨森 摘 要：土石坝心墙在施工、使用过程中，由于各种原因会在心墙表面形成初始裂缝，在土石坝蓄水期时，由于水头快速升高，心墙表面水压力急剧增加，会促使心墙表面存在的初始裂隙扩展，从而引起心墙破坏，这种现象称为水力劈裂。土石坝水力劈裂发生需具备两个条件，一是心墙存在初始裂隙，二是水压力的急剧升高。水位的急剧上升将在心墙表面裂隙形成较高的水力坡降，促使裂隙的发展，从而形成水力劈裂。控制裂隙在高水力坡降作用下的扩展是防止水力劈裂的有效措施；劈裂灌浆在心墙轴线形成防渗帷幕，可有效控制裂隙的发展。 关键词：土石坝；水力劈裂；劈裂灌浆；水力坡降 0 引言 从20世纪末开始，我国进入了水利水电建设的黄金时期，一大批处于高水头、大埋深等恶劣水文地质条件下的高坝、深埋隧洞相继开工建设，在水坝工程中土石坝的建设数量一直居于首位。对于水头不高的中型和小型土石坝，实际工程过程中积累了丰富的经验，设计理论发展也较快。但对于大型的高水头土石坝，由于问题的复杂性，很多关键技术并没有得到很好地解决，工程经验缺乏理论支持，其中水力劈裂就是亟待解决的问题之一。 1 水力劈裂发生的机理及影响因素 （1）水力劈裂的发生机理 有前面分析可知，土石坝水力劈裂发生需具备两个条件，一是心墙存在初始裂隙，二是水压力的急剧升高。 心墙的初始裂隙是客观存在的，因为无论是施工过程还是施工完成使用过程，都会对心墙产生各种作用，而这些作用会促使裂隙的存在。由于心墙高度较大，施工中必须使用分成碾压的方式，各个碾压层之间以及同一碾压层的不同施工段都会由于共工作成而形成裂隙；土石坝在施工完成以后，由于温度湿度的作用，也促使心墙产生裂隙，同时由于心墙材料属于弹塑性材料，在施工完成后，土石坝中各种材料，由于固结、蠕变、松弛等等引起应力重分布，应力重分布也会促使裂隙的产生；土石坝中坝壳料与心墙采用的是不同材料，坝壳料通常采用透水性较强的碎石料，心墙主要作用是防渗，通常会采用渗透系数较低的粘土，而碎石土和粘性土的模量差别较大，在土石坝使用期间，心墙的变形将会大于坝壳料的变形，也即坝壳料会对心墙有一个向上的拉力，而这个拉力也将使心墙产生裂隙，这种坝壳料与心墙的相互作用成为"拱效应"，土石坝坝体越高，"拱效应"就越明显，就越容易发生水力劈裂。有上述分析可知，心墙中的裂隙是由于各种原因的作用是无法避免的，是一种客观存在的现象。 水位的快速上升，心墙表面水压力急剧增加是水力劈裂发生的另一个条件。如果水位上升速度缓慢，水压力增长较慢，心墙裂隙处的水力坡降也就不大，此时即使心墙表面存在裂隙，较低的水力坡降不足以是裂隙进一步扩展，也就很难发生水力劈裂，但是当水位上升较快，在心墙裂隙处将形成较大的水力坡降，此时对于心墙表面的裂隙而言，较大的水力坡降将是裂纹扩展，如果该过程持续时间较长，严重时将使心墙发生断裂，从而引起土石坝的破坏。 心墙的初始裂隙和水位的快速升高是水力劈裂的发生条件，通常只有同时具备两个条件才会发生水力劈裂。 （2）水力劈裂发生的影响因素 有前面的分析可知，土石坝的"拱效应"会使心墙产生裂隙，土石坝高度越大，"拱效应"将越明显。"拱效应"产生的原因是坝壳料与心墙材料属性不同引起的。所以可以分析得到，水力劈裂发生的影响因素主要有心墙和坝壳料的模量、泊松比和密度等等。 由于土石坝水力劈裂过程是一个非稳定渗流的过程，同时也是一个土力学和断裂力学问题，同时该问题影响因素较多，分析该问题应该考虑各种影响因素的作用。 如何考虑水力劈裂各种因素的作用，可利用目前比较流行的有限元法，有限元法具有操作简单，能够考虑各种材料之间的接触以及复杂材料属性和适应多种边界条件等优势。有限单元法在处理高土石坝等方面已发挥越来越重要的作用。 2 水力劈裂的处理措施 水力劈裂其中一个发生条件是心墙具有初始裂隙，当遇到水位急剧上升时，如果能够控制裂隙的发展，将对水力劈裂的发生起到抑制作用。目前控制裂隙发展的方法主要就是劈裂灌浆。 在土石坝坝轴线方向布置注浆孔，通过压力注浆，使坝体沿轴线产生劈裂，注入的浆体将充满劈裂裂隙，当浆体形成强度的时候，将形成防渗帷幕。防渗帷幕对抑制裂隙发展可以起到积极的作用。 3 结语 土石坝水力劈裂发生需具备两个条件，一是心墙存在初始裂隙，二是水压力的急剧升高。水位的急剧上升将在心墙表面裂隙形成较高的水力坡降，促使裂隙的发展，形成水力劈裂。控制裂隙在高水力坡降作用下的扩展是防止水力劈裂的有效措施；劈裂灌浆在心墙轴线形成防渗帷幕，可有效控制裂隙的发展。 水力劈裂是土石坝设计中的一个重要课题，其破坏力强，一旦发生造成的危害非常严重，所以关于水力劈裂问题的理论研究以及处理措施仍需做进一步研究。 参考文献： [1]肖耀廷，刘伟. 粘土心墙土石坝水力劈裂发生条件的分析[J].襄樊学院学报，2010.5. [2]王学武，党发宁.土石坝坝体灌浆劈裂与水力劈裂的机理研究[J].中国水能及电气化， 2011.9. [3]肖耀廷.粘土心墙土石坝发生水力劈裂的临界关系在实际工程中的应用[J].湖北文理学院学报，2012.8. |
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