基于斷裂力學的土石壩心墻水力劈裂研究.pdf

1、心墻的水力劈裂問題是目前高心墻壩設計中急需解決的關(guān)鍵巖土工程技術(shù)問題之一，對其進行深入研究，有益于解決實際工程問題和進一步完善土石壩設計理論。本文在總結(jié)和評述前人研究成果的基礎上，從發(fā)生條件、力學機理、判定準則和數(shù)值模擬等方面對其進行了系統(tǒng)深入地研究。 水力劈裂的發(fā)生條件包括物質(zhì)和力學兩個方面。前者是存在于心墻上游面的裂縫和心墻土料的低透水性，該條件通常是具備的；后者是庫水進入裂縫后形成的足夠強的“水楔”作用。由于“水楔”作用的

2、形成需要快速的蓄水速率和心墻土體為非飽和狀態(tài)，水力劈裂通常易發(fā)生在水庫的初次蓄水期，若心墻土體為飽和狀態(tài)或者穩(wěn)定滲流已經(jīng)形成，發(fā)生水力劈裂現(xiàn)象的可能性將不大。 通過裂縫進入心墻的水體，在裂縫內(nèi)形成的梯度水壓力改變了裂縫尖端的應力場，當該應力場的強度達到裂縫擴展所需要的強度時，裂縫就擴展，即發(fā)生水力劈裂現(xiàn)象，這就是水力劈裂發(fā)生的力學機理。該機理可從斷裂力學的角度揭示，水力劈裂問題也可用斷裂力學的理論進行研究。 從斷裂力學的

3、角度研究水力劈裂問題，首先要研究的是心墻土體的斷裂特性。針對標準三點彎曲斷裂試驗中無法克服試樣自重影響的缺點，提出了從水平方向施加斷裂荷載的改進方法，并基于該改進方法，研制了適于測試土體斷裂參數(shù)的測試儀。利用該儀器，對云南糯扎渡堆石壩心墻料的擊實試樣進行了室內(nèi)斷裂試驗，論證了線彈性斷裂力學的適用性，研究了其Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅰ-Ⅱ復合型的斷裂特性。結(jié)合前人研究成果，建立了巖土材料的斷裂韌度KIC和單軸抗拉強度σt間的線性相關(guān)關(guān)系。提出了所研究

4、土體的Ⅰ-Ⅱ復合型斷裂判據(jù)。 基于線彈性斷裂力學理論和斷裂試驗成果，提出了Ⅰ-Ⅱ復合型的水力劈裂判定準則。以含裂縫的方形水力劈裂試驗試樣和含裂縫的心墻上游面為例，推求了其發(fā)生水力劈裂的條件，討論了判定準則的應用，分析了水力劈裂發(fā)生的機理和最危險裂縫的產(chǎn)狀。 提出用4結(jié)點等參單元建立裂縫及其端部的有限元模型，用虛裂縫擴展法計算J積分，對水力劈裂的發(fā)生發(fā)展過程進行判定模擬的有限元方法。通過數(shù)值方法計算標準三點彎曲梁和非對稱四