高心墻堆石壩初次蓄水速率影響研究

王年香，章為民，張 丹，顧行文

（1.南京水利科學(xué)研究院 巖土工程研究所，江蘇 南京210024；2.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都610072）

0 引言

四川大渡河長(zhǎng)河壩水電站工程為一等大（1）型工程，擋水、泄洪、引水及發(fā)電等永久性主要建筑物為1級(jí)建筑物，攔河大壩采用礫石土心墻堆石壩，最大壩高240 m，上、下游壩坡均為1∶2.0.心墻上、下游坡均為1∶0.25，與上、下游壩殼堆石之間均設(shè)有反濾層、過(guò)渡層.壩址河床覆蓋層深達(dá)65～76.5 m，壩基采取全封閉主、副兩道防滲墻防滲，分別厚1.4 m和1.2 m，凈距14 m，墻底嵌入基巖1.5 m.在初期導(dǎo)流洞及中期導(dǎo)流洞封堵后，因水庫(kù)水位未達(dá)到上層泄水建筑物底板高程，且長(zhǎng)河壩工程為大流量河流上的狹谷型水庫(kù)，水庫(kù)水位上升速率可能高達(dá)20～30 m／d.設(shè)計(jì)非常關(guān)注對(duì)于如此快的水位上升速率，心墻是否會(huì)發(fā)生水力劈裂破壞？大壩允許最大水位上升速率是多少？

1 土石壩心墻水力劈裂研究

1976年美國(guó)Teton壩在蓄水初期突然失事［1］，被確認(rèn)是由于水力劈裂引起的大壩滲漏破壞以來(lái)，水力劈裂的問(wèn)題得到了廣泛關(guān)注［2］，關(guān)于水力劈裂的研究也逐漸增多.為了弄清水力劈裂機(jī)理，人們進(jìn)行了大量的現(xiàn)場(chǎng)、室內(nèi)試驗(yàn)［3］、數(shù)值模擬［4］.但由于水力劈裂的發(fā)生條件尚未完全弄清，導(dǎo)致試驗(yàn)研究成果直接用于工程實(shí)踐尚有一段距離.

朱俊高等［5－6］認(rèn)為心墻材料的低透水性與心墻存在局部裂縫或缺陷是發(fā)生水力劈裂的物質(zhì)條件，而足夠大的所謂“水楔”作用是其發(fā)生的力學(xué)條件.圖1是存在水平裂縫（其他具有與心墻上游面相交裂縫的情況與此類似）的心墻的水力劈裂情況.當(dāng)庫(kù)水位達(dá)到或高于裂縫時(shí)，水體進(jìn)入裂縫，裂縫表面作用水壓力p1，裂縫附近土體作用水壓力p2.當(dāng)庫(kù)水位緩慢上升時(shí)，進(jìn)入裂縫中的水體有足夠的時(shí)間向裂縫兩邊的土體滲透并形成穩(wěn)定滲流，p1＝p2，那么所謂的“水楔”作用將無(wú)法形成.另外，由于裂縫兩側(cè)土體可能會(huì)遇水膨脹使裂縫封閉，即發(fā)生所謂的“濕封”現(xiàn)象，“水楔”作用無(wú)法形成，水力劈裂也就不會(huì)發(fā)生.當(dāng)庫(kù)水位的上升速率較快，p1遠(yuǎn)大于p2，穩(wěn)定滲流無(wú)法形成，內(nèi)外水壓力差（p1－p2）隨庫(kù)水位的升高而迅速增大，當(dāng)其大到足以克服裂縫擴(kuò)展阻力時(shí)，裂縫就擴(kuò)展，水體隨即進(jìn)入新的裂縫，水壓力也作用于新的裂縫面，如果該水壓力仍大于當(dāng)前裂縫的擴(kuò)展阻力，裂縫繼續(xù)擴(kuò)展，直到水壓力不再大于當(dāng)前裂縫擴(kuò)展阻力為止.如果庫(kù)水位繼續(xù)上升，作用于裂縫面使裂縫擴(kuò)展的水壓力增大，裂縫將進(jìn)一步擴(kuò)展，最終可能形成貫穿心墻的裂縫，導(dǎo)致心墻發(fā)生集中滲漏，進(jìn)一步可能導(dǎo)致潰壩事故.因此，裂縫是否擴(kuò)展將決定于“水楔”作用與裂縫抗擴(kuò)展能力的關(guān)系.

圖1 心墻的水力劈裂情況Fig.1 Hydraulic fracturing in the core

土工離心模型試驗(yàn)技術(shù)是用原型材料制作模型，在原型應(yīng)力狀態(tài)下，對(duì)研究對(duì)象的受力變形狀況和破壞過(guò)程進(jìn)行直觀研究的試驗(yàn)方法，在巖土工程的許多領(lǐng)域都得到應(yīng)用［7－8］.沈珠江等［9］進(jìn)行了模擬Teton壩破壞過(guò)程的離心模型試驗(yàn)，結(jié)果表明心墻沒(méi)有發(fā)生水力劈裂，這與1976年美國(guó)Teton壩在蓄水初期突然失事的原因分析完全不同.模型心墻是均質(zhì)的，并不包含預(yù)制的裂縫或缺陷，即水力劈裂發(fā)生所需的物質(zhì)條件并不完全具備，“水楔”作用無(wú)法形成，水力劈裂現(xiàn)象也就不可能發(fā)生.馮曉瑩等［10］簡(jiǎn)化心墻的受力條件，進(jìn)行了直立土柱離心模型試驗(yàn)，試驗(yàn)中上游水頭高于土柱高度，以研究心墻水力劈裂機(jī)理.該試驗(yàn)同樣只注重水力劈裂的力學(xué)條件，而未考慮物質(zhì)條件.

2 試驗(yàn)方法

采用長(zhǎng)高寬為1 000 mm×1 000 mm×400 mm的模型箱，取最大斷面、按平面問(wèn)題進(jìn)行試驗(yàn)，模型比尺取為240，模擬240 m壩高，試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒贾靡?jiàn)圖2.試驗(yàn)?zāi)M了心墻料和堆石料兩種筑壩材料.心墻料試驗(yàn)采用的限制粒徑取為10 mm，按等量替代法確定模型心墻料的顆粒級(jí)配.堆石料試驗(yàn)采用的限制粒徑取為20 mm，先按相似級(jí)配法進(jìn)行縮尺，再按等量替代法確定模型堆石料的顆粒級(jí)配.心墻料分為兩個(gè)區(qū)，高程1 585 m以上為心墻Ⅱ區(qū)，為新蓮心墻料，干密度為2.14 g／c m3，相應(yīng)含水率為10.5%；高程1 585 m以下為心墻Ⅰ區(qū)，為湯壩心墻料，干密度為2.07 g／c m3，相應(yīng)含水率為10.6%.堆石料采用花崗巖，控制相對(duì)密度定為0.9，填筑密度為2.18 g／c m3.采用分層方法填筑心墻料和堆石料，每層壓實(shí)后的層厚為5 c m.

心墻裂縫的模擬.設(shè)想心墻在高程1 590 m和1 510 m兩處有裂縫，裂縫順河向深入心墻5 m，沿壩軸向長(zhǎng)度10 m.心墻中裂縫或缺陷寬度都比較小，一般只有微米量級(jí)，最多也就1～2 mm，這樣再除于模型比尺240，就相當(dāng)薄，在制作模型時(shí)不可能在心墻中預(yù)留這樣薄的裂縫或缺陷.考慮到本項(xiàng)試驗(yàn)心墻中裂縫或缺陷是與庫(kù)水位相通的，其作用是把蓄水水壓力引到心墻裂縫中，因此，試驗(yàn)采用排水板濾膜來(lái)模擬裂縫，濾膜厚度為0.1 mm，濾膜順河向深入心墻21 mm，沿壩軸向長(zhǎng)度42 mm，布置在模型箱的有機(jī)玻璃面處，布置位置見(jiàn)圖2.

圖2 模型試驗(yàn)布置圖Fig.2 Layout of the model

試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒贾昧宋灰苽鞲衅骱涂紫端畨毫鞲衅?，具體布置如圖2所示.在壩頂中心處安裝位移傳感器，測(cè)定蓄水水位上升速率對(duì)心墻沉降的影響.在兩條裂縫下方10 mm處（相當(dāng)于原型2.5 m）埋設(shè)孔隙水壓力傳感器，測(cè)定不同蓄水水位上升速率時(shí)心墻的孔隙水壓力，即圖1中的p2，而心墻裂縫中的水壓力p1即為庫(kù)水壓力，是已知的.在模型箱底（相當(dāng)于原型1 457 m高程處）埋設(shè)孔隙水壓力傳感器，測(cè)定蓄水水位上升速率.

蓄水水位上升速率的模擬.在離心機(jī)上安裝水箱和3個(gè)電磁閥，通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，控制電磁閥的流量，達(dá)到模擬3種蓄水水位上升速率（20，10和5 m／d）的要求，在正式試驗(yàn)中采用.考慮水庫(kù)初次蓄水3種蓄水水位上升速率（20，10和5 m／d），研究施工期水位上升速率的影響.在離心機(jī)加速度達(dá)240 g后即開(kāi)通電磁閥向上游放水，模擬蓄水，蓄水水位高程為1 690 m.

試驗(yàn)?zāi)M了大壩的施工期和20 a運(yùn)行期.在離心機(jī)加速上升過(guò)程中，根據(jù)大壩的施工速率，來(lái)控制離心機(jī)加速度的上升速率，以模擬大壩施工期.然后保持離心機(jī)在設(shè)計(jì)加速度（240 g）下運(yùn)行，以模擬大壩20 a運(yùn)行期.

3 裂縫附近水壓力分析

在裂縫下面2.5 m處埋設(shè)孔隙水壓力傳感器，以測(cè)定蓄水水位上升過(guò)程和運(yùn)行期心墻裂縫下面2.5 m處水壓力（即圖1中的p2）的變化情況.圖3為不同蓄水水位上升速率情況時(shí)孔隙水壓力上升階段的過(guò)程線，其中無(wú)點(diǎn)線為裂縫處的靜水壓力，比較裂縫處?kù)o水壓力和裂縫下面2.5 m處孔隙水壓力可以看出，裂縫下面2.5 m處孔隙水壓力比裂縫處?kù)o水壓力啟動(dòng)和穩(wěn)定均要延遲.表1列出了不同蓄水水位上升速率時(shí)裂縫下面2.5 m處孔隙水壓力和裂縫處?kù)o水壓力的啟動(dòng)時(shí)間、穩(wěn)定時(shí)間、啟動(dòng)時(shí)差、穩(wěn)定時(shí)差、承壓時(shí)間，隨著蓄水水位上升速率的加快，啟動(dòng)時(shí)差稍有增加，穩(wěn)定時(shí)差顯著增加，承壓時(shí)間有所延長(zhǎng).

表1 裂縫附近水壓力特征時(shí)間Tab.1 Characteristic time of water pressure of core near cr ack

圖3 裂縫附近水壓力上升過(guò)程線Fig.3 Water pressure－time curves of core near crack

承壓時(shí)間是引起水力劈裂的一個(gè)因素，而壓差更是引起水力劈裂的重要因素.圖4為不同蓄水水位上升速率時(shí)孔隙水壓力差（裂縫處?kù)o水壓力與裂縫下面2.5 m處孔隙水壓力之差）（即圖1中的p1－p2）過(guò)程線，可以看出，蓄水水位上升速率越快，孔隙水壓力差增長(zhǎng)越快，峰值越大，持續(xù)時(shí)間越短，而后下降也越快；蓄水水位上升速率越慢，孔隙水壓力差增長(zhǎng)越慢，峰值越小，持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，而后下降也越慢.

圖4 裂縫附近水壓力差過(guò)程線Fig.4 Difference of water pressure－time curves of core near crack

4 大壩允許最大蓄水速率分析

“水楔”作用是引起水力劈裂的力學(xué)因素，從圖1可以看出，心墻裂縫中水壓力p1與附近土體水壓力p2之差即為“水楔”作用.圖5為最大水壓力差（裂縫處?kù)o水壓力與裂縫下面2.5 m處水壓力之差的最大值）隨蓄水水位上升速率的變化關(guān)系，可以看出，蓄水水位上升速率越快，最大水壓力差越大.如果說(shuō)從最大水壓力差還不太好分析心墻是否發(fā)生水力劈裂的話，那么從最大水壓力差與上覆土壓力之比就可看出端倪，圖6為最大水壓力差與上覆土壓力之比隨蓄水水位上升速率的變化關(guān)系，比值隨蓄水速率幾乎是線性增大，且不同高程處的基本平行.由于水壓力各個(gè)方向是相等的，而水平向土壓力一般小于豎向土壓力，其大小取決于土壓力系數(shù)，這就是說(shuō)，如果最大水壓力差與上覆土壓力比值大于土壓力系數(shù)的話，最大水壓力差就大于水平向土壓力，就可能發(fā)生水力劈裂，因此，這比值應(yīng)小于土壓力系數(shù).一般土壓力系數(shù)按0.5取值，根據(jù)圖6的線性回歸線，就可以計(jì)算出大壩允許最大蓄水速率，1 510 m高程處允許最大蓄水速率為27.3 m／d，1 590 m高程處允許最大蓄水速率為25.5 m／d.因此，從最大水壓力差分析得出大壩允許最大蓄水速率為25.5 m／d.

表2 不同蓄水水位上升速率時(shí)水壓力差峰值及其與上覆土壓力之比Tab.2 Maximum difference of water pressure and its ratio to overburden pressure of core near crack under different velocity of i mpounding

5 結(jié)論

（1）在蓄水速率不大于20 m／d條件下，蓄水水位沒(méi)有出現(xiàn)快速下降現(xiàn)象，表明裂縫未貫穿整個(gè)心墻，心墻沒(méi)有出現(xiàn)水力劈裂問(wèn)題.

（2）裂縫下面2.5 m處水壓力比裂縫處?kù)o水壓力啟動(dòng)和穩(wěn)定均要延遲.隨著蓄水水位上升速率的加快，啟動(dòng)時(shí)差稍有增加，穩(wěn)定時(shí)差顯著增加，承壓時(shí)間有所延長(zhǎng).

（3）蓄水水位上升速率越快，水壓力差增長(zhǎng)越快，峰值越大，持續(xù)時(shí)間越短，而后下降也越快.

（4）從心墻水壓力差分析得出大壩允許最大蓄水速率為25.5 m／d.

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