旱涝急转工况下土石坝上游粘土防渗体水力劈裂研究

近年来作为极端小概率事件的旱涝急转工况频繁出现,极易造成防渗体缺陷扩展,诱发工程失事。通过在模型试验与数值计算分析的基础上探讨了旱涝急转工况下土石坝粘土防渗体中的水力劈裂问题。结果表明,旱涝急转工况中的干旱过程促使土体基质渗透性降低,同时导致防渗体产生裂缝,具备了发生水力劈裂的必要条件。理论分析推导了沿裂缝所在平面产生水力劈裂破坏的渗透压力理论值,离心试验模型测得铺盖层孔压骤降的同时砂层孔压骤增,表明裂缝受高水压作用产生劈裂贯穿了防渗体,裂缝处测量孔隙水压力值与理论推导结果基本一致。旱涝急转过程中裂缝处土体内的压应力先是逐渐增大,随后不断减小最终转变为拉应力,从而导致水力劈裂。研究结果对旱涝急转工况下的土石坝安全运行具有指导作用。

不同水压力下混凝土水力劈裂扩展阻力分析

基于水力裂缝扩展准则,建立混凝土三点弯曲梁水力劈裂断裂过程反演分析模型,进而获得混凝土水力裂缝扩展阻力计算方法。利用混凝土三点弯曲梁水力劈裂测试方法,开展了15组初始水压力为0~0.5 MPa的混凝土水力劈裂试验,反演分析了各组试验的水力劈裂扩展过程,进而计算得不同水压力下裂缝的扩展阻力。研究结果表明:提出的计算模型可以准确反演水力裂缝的扩展过程,计算得混凝土梁P-CMOD曲线与实测曲线的误差小于10%;不同水压力下混凝土水力裂缝的扩展阻力变化规律基本相近,当水压力由0 MPa增加至0.3 MPa,裂缝扩展阻力降低明显,当水压力由0.3 MPa增加至0.5 MPa,裂缝扩展阻力的变化较小。这表明环境水压力会降低混凝土水力劈裂的抗裂性能,但是在低水压力条件下该效应的影响有限。

基于扩展有限元法的水工压力隧洞水力劈裂分析

考虑裂隙面水压力作用的虚功原理,采用扩展有限元法分析水工压力隧洞水力劈裂问题的控制方程,对水工压力隧洞的水力劈裂进行了数值模拟分析。计算结果表明,水力劈裂对隧洞内壁周边应力场的影响较大,对远离隧洞内壁处应力场的影响较小,考虑水力劈裂计算得到的环向位移要大于不考虑水力劈裂计算得到的环向位移;水力劈裂对II型应力强度因子影响较小,水力劈裂导致I型应力强度因子增大;侧压力系数对II型应力强度因子影响较小,对I型应力强度因子影响较大,且随着侧压力系数增大,I型应力强度因子也不断增大;随着裂隙扩展,洞顶和洞右侧控制点的径向位移不断增大,而洞右侧与洞左侧的环向位移也不断增大。

水力劈裂试验与水压致裂试验中岩体劈裂值的差异性探讨——以石曹抽水蓄能电站工程为例

文章以石曹抽水蓄能电站高岔深孔ZKD201为研究对象,基于水力劈裂试验中水力劈裂值P a与水压致裂法地应力测试中水压致裂劈裂值P b的现场试验值,就两种岩体瞬间劈裂压力的差异性进行探讨。结果表明:水力劈裂值P a总体上要低于水压致裂劈裂值P b;水压致裂劈裂值P b作为地应力测试中的辅助参数,可作为参考,对水力劈裂值P a进行验证修正。

心墙堆石坝的水力劈裂分析

水力劈裂的常用计算方法分有效应力法和总应力法,但其计算结果却常有很大差异。本文详细分析了它们产生差异的原因,认为应该用心墙外水压力是否超过心墙上游面处土中的中主应力来判别水力劈裂的发生可能。提出应用有效应力法计算心墙堆石坝初期有效应力和水压力,通过叠加得到总应力,再与心墙前水压力比较来判别是否发生水力劈裂。该方法可以反映心墙渗透性、饱和度、库水位上升速度等对水力劈裂的影响。这样,通过控制这些因素就可避免水力劈裂的发生。最后通过实例计算表明了该方法的合理性。

土石坝水力劈裂发生机理及模型试验研究

探讨了心墙堆石坝心墙发生水力劈裂的机理,认为在土石坝心墙中可能存在的渗水弱面以及在水库快速蓄水过程中所产生的弱面水压楔劈效应为心墙发生水力劈裂的重要条件。基于上述思想,研制了一种新型的研究水压力沿渗透软弱面渗入土体形成水压楔劈效应并诱导发生水力劈裂现象的试验装置,采用糯扎渡高心墙堆石坝心墙混合土料进行了水力劈裂试验。研究结果证实了所提出的渗透软弱面水压楔劈效应作用模型的正确性。

矿井底板突水的水力劈裂研究

矿井承压水上采煤底板突水问题是一个困难的问题。困难之处就在于影响因素太多,而且由于矿井条件的不同,难以找到统一的处理模式。从水力劈裂的机理入手,通过分析工作面推进过程中采场及采空区底板力学条件变化导致的渗透性改变,来推断底板突水的危险程度。在分析过程中,引入了损伤的概念。损伤被用来描述采场底板的破坏程度(结构演变情况),底板岩体的破坏直接导致底板渗透性的改变;渗透性的改变为承压水提供了通路,增加了底板突水的可能性。针对正交各向异性岩体建立了渗透系数与损伤变量的函数关系,以此描述底板破坏对渗透性的影响。针对具体的算例,得到了矿井底板突水的危险位置。

岩石裂纹水力劈裂分析与临界水压计算

水力劈裂是深埋隧洞施工涌水或高压隧洞洞周岩体开裂渗漏的重要因素之一,对其破坏机理研究是岩土工程界的热点课题。根据裂纹面的应力状态,从断裂力学角度将岩体的裂纹扩展分为拉剪复合断裂及压剪复合断裂。应用工程近似裂纹失稳准则,分别推导出两种破坏模式的临界水压计算公式,并对其随裂纹方向及地应力侧压系数变化规律进行分析。结果表明,当侧压力系数等于1.0时,临界水压并不随裂纹的方向而变化;在拉剪复合断裂模式下,裂纹与主应力方向平行时最易发生水力劈裂;在压剪复合断裂模式下,当压剪断裂参数与裂纹面间摩擦系数之差大于零时,其规律性与拉剪复合断裂模式基本一致;但当其差值小于零时,裂纹与最大主应力夹角呈45°及135°时最易发生水力劈裂。

裂隙岩体水力劈裂的颗粒离散元数值模拟

利用颗粒离散元软件PFC2D从细观角度初步模拟裂隙岩体水力劈裂的发展过程,并分析影响水力劈裂的部分因素。研究结果表明,以初始裂缝尖端处的接触黏结破坏作为水力劈裂发生的标志,可以较真实地模拟裂隙岩体水力劈裂时裂缝的产生和扩展过程。数值模拟结果表明,初始裂缝的相对长度、岩体的渗透性以及水压力的加载速率等因素均对水力劈裂的起裂压力有较大影响。起裂压力随着岩体初始裂缝长度的增加、水压加载速率的加快而降低,随着岩体渗透性的增加而有较明显提高。这些规律与现有的理论和研究结果是一致的,从而验证了采用颗粒离散元模拟裂隙岩体水力劈裂的可行性。

土石坝心墙水力劈裂机制研究

心墙的水力劈裂问题是土质心墙坝建设中亟需解决但尚未很好解决的重要岩土工程问题。从心墙受力变形方面探讨了水力劈裂发生、发展的机制。研究认为:水库蓄水初期是水力劈裂的危险期;完全均质的心墙内不会发生水力劈裂;“裂缝或局部的缺陷”及“迅速蓄水的初期”是土石坝心墙发生水力劈裂的两个重要条件,水力劈裂发生的根本原因是局部高水力梯度的存在。最后,对上述机制进行了简单的试验验证。为进一步研究水力劈裂发生的判定、水力劈裂计算模拟指出了研究方向与思路。

土石坝水力劈裂发生过程的有限元数值模拟

在总结国内外关于水力劈裂机理分析及数值模拟方法的基础上,将所提出的渗透弱面水压楔劈作用模型引入基于比奥固结理论的有效应力法,采用弥散裂缝理论描述水力劈裂裂缝的发展过程,建立了用于描述水力劈裂发生和扩展过程的数学模型及有限元计算模式。模拟了挪威Hyttejuvet坝水力劈裂破坏的发生过程。计算结果表明:本文建立的数学模型和相应计算模式能够较好地模拟土石坝水力劈裂的破坏过程,可用于土石坝工程的安全性评价。

高水头作用下水工压力隧洞的水力劈裂分析

以前研究均认为水力劈裂的必要条件是岩体中发生Ⅰ型张拉破坏。实际上,在众多岩体工程中,其断裂破坏型式多属压剪破坏。本文根据断裂力学原理对高水头作用下水工压力隧洞的水力劈裂作用进行了研究,首先研究水工压力隧洞围岩区各种类型裂纹的I型应力强度因子的计算方法,讨论分析张开型复合型裂纹发生水力劈裂的理论判据。然后研究压剪断裂的力学机理,分析有水压力作用的压剪断裂应力强度应力的计算及其断裂判据。最后将以上理论应用于某水电工程引水发电隧洞的高压竖井的水力劈裂安全性分析中。

岩石与混凝土水力劈裂缝内水压分布的计算

假定岩石与混凝土水力劈裂过程的裂缝形态为椭圆形,根据自然营造力作用下产生水力劈裂的边界条件,从流体质量守恒和动量守恒定律出发,采用控制体积法推导出水力劈裂裂缝流体运动质量守恒定律的表达式及缝内水压分布的微分方程,并得到在裂缝扩展稳定状态任意时刻缝内压力的计算式。从定性和定量两个方面与已有的试验结果比较,论证了本文计算公式是正确的。

列车荷载与水耦合作用下的无砟轨道水力劈裂机理分析

针对高速列车荷载与水耦合作用下无砟轨道水致损伤问题,采用控制体积法推导层间裂纹内动水压力分布解析式,并开展裂纹内动水压力分布特性试验。试验结果与理论分析基本一致。采用有限元软件ANSYS与CFX,分析CRTSⅡ型板式无砟轨道层间裂纹内动水压力特性。结果表明:裂纹内动水压力由流体黏性、荷载特性、裂纹形状综合决定,当裂纹开口量大于2mm时,水的黏性对动水压力的影响可以忽略,此时动水压力与列车速度基本呈二次方关系,与轴重呈线性关系。分别采用最大拉应力准则和复合型断裂判据,分析列车荷载与水耦合作用下裂纹的扩展状态。结果表明:行车速度是影响裂纹扩展的重要因素,随着列车行车速度的增加,裂纹扩展速度明显加快。

承压水基坑突涌的水力劈裂

突涌是基坑工程施工过程中常遇的主要灾害之一。现有的承压水基坑突涌稳定分析方法均不能反应突涌破坏机理。从水力劈裂的机理入手,建议承压水基坑突涌问题应考虑应力-渗流场耦合作用。在Biot固结理论基础上,建立了基坑突涌分析水力劈裂耦合模型,考虑了土体物理力学性质的动态演化。试图通过分析工作面推进过程中基底土体应力场和渗流场的变化,来判断突涌发生的可能性。研究结果表明:突涌始于基底隔水层所发生的张拉破坏,基底周边是发生突涌的危险位置;渗透弱面(初始张拉裂缝)的水压楔劈效应所导致的水力劈裂为基坑突涌提供了通道;高水压力的存在是突涌发生的前提条件,高水力梯度的产生是基坑突涌的根源。

岩体水力劈裂的应力-渗流-损伤耦合模型研究

利用无单元法追踪裂纹扩展的优势研究模拟岩体水力劈裂的数值分析模型。定义损伤变量以描述岩体的损伤程度对岩体渗透性和强度的影响,建立了岩体水力劈裂的应力-渗流-损伤耦合分析模型,并编制了基于无单元法的计算程序。综合考虑应力、渗流及损伤之间的相互作用影响,分析了具有初始裂纹的岩体平面应力模型的裂纹扩展过程,指出考虑渗流作用时的裂纹扩展角大于不考虑渗流作用时的裂纹扩展角。同时,裂纹内水压力和渗流的作用对于裂纹的扩展方向和扩展长度具有较大的影响。

关于土石坝心墙水力劈裂研究的一些思考

从发生条件、力学机理、试验研究和数值模拟等方面对土石坝心墙的水力劈裂问题进行了初步探讨。研究结果表明:(1)其发生条件至少包括物质条件和受力条件两个方面;(2)力学机理可以从断裂力学的角度进行揭示,判别准则可以基于断裂力学的理论建立;(3)试验研究中试样的边界条件和受力状态能够近似模拟心墙上游面的实际情况;(4)在弄清水力劈裂的发生条件、力学机理的基础上,通过试验研究建立合理的水力劈裂判别准则,对水力劈裂的发生发展过程进行数值模拟,是研究水力劈裂问题的有效途径。

土坝水力劈裂的离心模型试验及其分析

本文介绍了深截水槽心墙砂壳坝的离心模型试验及其有限元数值模拟的结果．截水槽两侧的混凝土基座内设有水管，以模拟Ｔｅｔｏｎ坝基岩内裂隙的作用．数值分析用有效应力法，同时采用双屈服面弹塑性模型和损伤断裂模型．分析所得的应力和变形与实测值有一定出入，但两者的基本趋势一致．试验与分析结果均表明，虽然截水槽内拱效应很明显，但兀水力劈裂迹象．由此得出结论，深截水槽心墙坝并不见得一定有水力劈裂的危险，流行的总应力判别法过大估计了水力劈裂的可能性．

坝肩变坡引起心墙裂缝和水力劈裂的离心模型试验研究

受地形条件的制约,坝肩变坡在土石坝工程中经常出现。坝肩变坡不但会引起心墙裂缝,还会影响坝体的抗水力劈裂能力。结合某高心墙堆石坝工程,进行了相关离心模型试验研究,并对结果进行了计算分析。结果表明:坝肩变坡会使心墙产生不均匀沉降,发生横向裂缝;压实度影响着心墙的不均匀沉降程度,制约着横向裂缝的形态;存在坝肩变坡的心墙在固结中会形成局部低应力区,快速蓄水时有发生水力劈裂的可能。

砾石土心墙料水力劈裂试验研究

在改进的三轴仪上开展了两种不同级配砾石土心墙料的水力劈裂试验。根据试验结果得到了以下结论：砾石土心墙料的自身性质与围压是影响劈裂压力的关键性因素,水力劈裂破坏主要表现为击穿破坏;相同试验条件下,随围压、固结比和水压加荷速率的提高,水力劈裂试验的流量降低;对于砾石土心墙料,当粉粒与黏粒含量较高时,由于颗粒间的胶结力更强,相同围压、固结比和加载速率条件下试样的破坏劈裂应力要更高,但不同级配砾石土的劈裂压力随围压的增长幅度变化不大;固结比或轴向应力对砾石土心墙料的劈裂压力影响不大,在文中试验条件下,加荷速率对破坏劈裂压力影响也不大。