黏土心墙水力劈裂机理试验及数值分析研究

论文摘要

黏土心墙高土坝的水力劈裂是国内外工程界普遍关注又亟待解决的关键性问题之一,同时也是最具有争议的问题之一。迄今为止,人们对水力劈裂的发生机理、发生条件、影响因素及判别方法等尚存在不同的看法。近年来,随着世界范围内高土石坝建设的迅速发展,关于水力劈裂发生的可能性及发生条件研究在土石坝设计和建设中的重要性越来越突出。在系统总结了以往研究成果的基础上,本文对几种简化的黏土心墙模型进行了水力劈裂离心模型试验,对黏土心墙水力劈裂的发生机理和发生条件进行了分析研究。首次通过试验手段在试验室再现了均质黏土心墙的水力劈裂现象。试验结果表明,当心墙上游侧的水压力大于心墙土体压力时,心墙土体将会产生水力劈裂裂缝,最终在水压力作用下发展为土体的渗透破坏。在进行了水力劈裂离心模型试验的同时,本文还采用有限元数值分析方法对心墙水力劈裂进行了进一步分析,验证了有限元方法在水力劈裂分析中的有效性和可靠性。首先对ABAQUS软件进行了用户材料子程序的二次开发,添加了Duncan-Chang非线性弹性模型的E-B模式及沈珠江弹塑性模型,并通过算例和工程实例进行了验证。其次,在简化心墙离心模型试验和ABAQUS二次开发的基础上,对心墙水力劈裂的机理进行了进一步的分析、论证。计算分析结果表明,在水荷载的作用下,当上游侧的水荷载大于心墙土体压力时,均质心墙上游侧表面相应于离心模型试验中发生水力劈裂裂缝的位置出现了有效小主应力的拉应力区,从而具备了产生水力劈裂现象的条件。心墙两侧的应力方向由于边界约束作用而发生了偏转,蓄水后,水压力作用导致应力方向偏转更为明显,由于偏转后的有效大主应力方向接近水平,有效小主应力小于零,因此可以推断心墙上游侧土体发生水力劈裂破坏的劈裂缝将沿着水平方向发展,这与实际工程的水力劈裂破坏裂缝方向是一致的。水力劈裂是否发生取决于心墙上游的水体进入心墙裂缝后的裂缝发展过程,裂缝贯穿,形成透水通道后的渗透冲蚀破坏是水力劈裂破坏的最终表现形式。在对试验结果的数值分析中采用了有效应力法和总应力法两种方法进行水力劈裂的判断,从判断水力劈裂的发生条件看,采用有效应力方法更为直接,但总应力方法本质上与有效应力判别方法并无矛盾。在系统分析了水力劈裂发生机理和发生条件的基础上,本文还针对实际工程,采用二维和三维有限元数值分析方法,对坝体在施工期和满蓄期的应力变形特性进行了分析,同时,采用极端参数的处理办法分析了心墙坡度、心墙与堆石模量差、水库蓄水速度等因素对心墙发生水力劈裂的影响。通过计算分析可以发现,坝壳堆石对心墙的“拱作用”是导致心墙发生水力劈裂的重要原因,而拱作用大小与心墙的厚度（坡度）、心墙与堆石的模量差有着直接的相关关系,同时,水库的蓄水速度也对心墙的有效应力值有一定的影响。从二维和三维计算分析还可以看出,心墙上游侧在蓄水期的高剪应力区也会对心墙的水力劈裂有一定的影响,同时,岸坡对坝体的约束作用也会在心墙与岸坡的接触部位产生水力劈裂的可能性。此外,黏土心墙坝的坝坡稳定是大坝安全的一个重要因素,本文对此进行了数值分析,评价坝体的整体稳定性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 论文的研究背景
• 1.2 水力劈裂国内外研究现状
• 1.2.1 水力劈裂理论研究
• 1.2.2 水力劈裂试验研究
• 1.2.3 水力劈裂计算理论
• 1.2.4 数值计算模拟研究
• 1.3 论文的研究意义和主要研究工作
• 2 黏土心墙水力劈裂离心模型试验
• 2.1 水力劈裂离心模型试验原理
• 2.2 水力劈裂离心模型试验设备及设计工况
• 2.2.1 离心模型试验设备
• 2.2.2 简化心墙离心模型试验设计工况
• 2.3 模型制作和观测仪器布置
• 2.4 简化的心墙模型试验结果分析
• 2.4.1 边界摩擦较小的直立心墙模型
• 2.4.2 高度400mm处铺有透水砂层的直立心墙模型
• 2.4.3 边界有摩擦块的直立心墙模型
• 2.4.4 斜坡心墙
• 2.4.5 超高水位作用下的直立心墙
• 3 水力劈裂数值分析的基本理论
• 3.1 有限元本构模型
• 3.1.1 Duncan-Chang非线性弹性E-B模型
• 3.1.2 沈珠江双屈服面模型
• 3.1.3 Mohr-Coulomb本构模型
• 3.2 ABAQUS用户子程序的二次开发
• 3.2.1 材料用户子程序UMAT
• 3.2.2 二次开发材料模型测试
• 3.2.3 二次开发材料模型工程应用
• 3.3 Biot固结理论
• 4 黏土心墙水力劈裂数值模拟及机理分析
• 4.1 水力劈裂模型试验数值分析
• 4.1.1 计算条件及工况
• 4.1.2 计算结果及其分析
• 4.2 水力劈裂发生机理的分析
• 4.3 小结
• 5 黏心墙坝水力劈裂影响因素探讨分析
• 5.1 黏土心墙水力劈裂的发生机理
• 5.2 心墙坝水力劈裂影响因素分析
• 5.2.1 常规情况下不同心墙坡比工况
• 5.2.2 特殊工况下不同心墙坡比
• 5.2.3 特殊工况下不同坝壳心墙模量比
• 5.2.4 特殊工况下不同蓄水速度
• 5.3 小结
• 6 黏心墙高土石坝三维有限元安全分析评价
• 6.1 黏心墙高土石坝三维水力劈裂分析
• 6.1.1 计算模型及条件
• 6.1.2 计算结果及分析
• 6.1.3 小结
• 6.2 黏土心墙高土石坝三维坝坡稳定分析
• 6.2.1 强度折减法的计算原理
• 6.2.2 有限元强度折减法的应用
• 6.2.3 小结
• 7 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 创新点摘要
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢