土质心墙水力劈裂机理研究进展

周泽沛 贾琼

摘要：介绍目前对土质心墙坝水力劈裂研究所采用的基本方法和取得的部分成果，分析水力劈裂的形成机理，指出目前研究中存在的一些问题和局限性。切实弄清土质心墙坝水力劈裂机理及发生过程是建立试验模型的关键，建立合理的水力劈裂判别准则是进行水力劈裂试验和数值模拟的前提。

关键词：水力劈裂 机理研究 试验模型 数值模拟

引言：在各种水坝坝型中，土石坝对地址条件的要求最低，对于一些特殊地质条件，比如坝址位于深厚覆盖层上，土石坝几乎是唯一可行的选择。从上世纪末开始，一大批处于高水头、大埋深等恶劣水文地质环境条件下的高土石坝相继开工，超过200m甚至是300m以上的大坝被修建。高土石坝的设计是一个难点，很多高土石坝采用的坝型是土质心墙坝。但是，在高土石坝的设计中，还存在着一些亟需解决而尚未解决的问题，其中土质心墙坝的水力劈裂问题就是其中之一。

1土质心墙水力劈裂研究的基本方法

黄文熙先生曾给出水力劈裂的定义：水力劈裂是由于水压力的升高在岩体或土体中引起裂缝发生与扩展的一种物理现象。由于土质心墙坝水力劈裂问题极其复杂，多年来虽然有众多学者对此进行了大量的研究，但对于水力劈裂的发生条件、力学机理、判别条件等还存在很多争议。这直接导致无法建立真正合适的物理模型对此问题进行研究，与之对应的数值模拟也无法准确开展。图1[1]展示了心墙上游面水位对土质心墙水压力作用。

目前关于土质心墙坝水力劈裂机理的研究大致有两种观点：一种是认为在土质心墙中原本就存在裂缝，在快速上升水库水面的水压力下形成“水楔”作用，造成水力劈裂的发生。另一种是从非连续变形和断裂力学的角度分析研究土质心墙水力劈裂的发生。

2研究进展

以前的的水力劈裂研究认为，劈裂机理是劈裂液的液体压力超过最小主应力，岩石在与最小主应力垂直的方向上首先开裂，并沿这一方向扩展。应用水力劈裂来测量地应力就是依照这一原理[2]。

王俊杰等[3]认为水力劈裂的发生至少需要满足物质条件和力学条件两个方面的要求。物质条件即心墙墙体中存在的裂缝和心墙材料的低透水性，力学条件是指有足够大的“水楔”存在。已经达成共识的是蓄水初期是水力劈裂发生的危险时期，而渗流稳定期很少出现水力劈裂，出现渗透破坏的形式多为管涌或流土。

以前的学者们倾向于将土质心墙的裂缝归因于心墙的“拱效应”，然而殷宗泽[4]等在按照有效应力法对土质心墙进行水力劈裂计算时发现从未出现过心墙有效应力小于或等于0的情况。这就说明并不是因为心墙的有效应力小于0从而出现拉应力导致水力劈裂的发生。

已有的研究显示，出现水力劈裂的必要条件之一是心墙本身存在一定的缺陷。裂缝在土石坝中是普遍而广泛存在的。土石坝裂缝产生的原因大致有两种，一种是施工原因造成的，另一种是地基和土石坝本身的不均匀沉降。由于这一缺陷的存在再加上心墙材料的低透水性，这使得土质心墙坝内水压力的突变成为可能。也即形成了发生“水楔”的基础条件。这也就是说完全均质的心墙（无裂缝）不会发生水力劈裂，但由于施工和材料等因素影响，心墙不可能为完全均质的。朱俊高等[4]也认为“裂缝”与“迅速蓄水的初期”这两个条件缺一不可。实际上，发生水力劈裂的根本原因其实就是局部范围存在高水力梯度，并且与渗流方向有关。也就是说水力劈裂的发生与渗流力的大小、方向和分布范围有关。曾开华、殷宗泽等[5]从了心墙形状与水力劈裂的发生关系出发分析了泊松比、弹性模量以及心墙倾斜度等因素对心墙水力劈裂的影响。研究结果表明， 心墙泊松比对心墙水力劈裂影响较大， 提高心墙与坝壳泊松比都有利于心墙防止水力劈裂。另外， 坝壳与心墙的弹性模量比愈大， 心墙愈易产生水力劈裂， 斜心墙比直心墙更利于防止水力劈裂。

另外，在数值模拟领域，研究水力劈裂最常用的方法是有限元法，然而常规的有限元法在研究水力劈裂问题时，模型的建立比较复杂，董玉文先生等[6]针对常规有限元法分析水力劈裂问题存在的缺点，研究了采用新兴的扩展有限元法（XFEM）进行重力坝水力劈裂数值模拟的方法。通过建立考虑裂纹面水压力作用问题的虚功原理，推导出了采用扩展有限元法分析水力劈裂问题的有限元列式；给出了反映裂纹面不连续性的不连续函数数值积分方法、开裂判断准则、应力强度因子的积分方法以及裂纹面扩展过程模拟方法，从而给出了模拟裂纹面有分布水压力载荷作用的水力劈裂问题扩展有限元实现方法。最后通过向家坝重力坝坝踵水力劈裂数值分析，展示了该方法的可行性和优越性。算例表明应用扩展有限元法进行水力劈裂分析可克服常规有限元法的缺点，不需要裂纹面与有限元网格一致，不需要在裂缝周围布置高密度网格，模拟裂纹扩展过程时不需要不断地重新划分网格，极大地简化了前处理工作。

3目前存在问题

由于水力劈裂问题本身的复杂性，以及发生过程的非可视化，目前学者们对于水力劈裂的发生过程只能根据对现场及室内试验进行推理。这就导致人们对于水力劈裂机理很难得到清楚统一的认识。因而基于此开展的相关数值模拟的相似程度值得商榷。另外，由于对发生机理认知不足，水力劈裂发生的判断条件难以明确。上述问题的开展需要以机理的研究为前提，大力开展现场试验与室内试验，同时建立数学模型，数值模拟与物理试验相结合，二者相互印证，不断修改试验模型，对水力劈裂这一重大而又复杂的问题开展深入研究，为高土质心墙坝的设计做参考。

参考文献：

[1]王俊杰，朱俊高，张辉. 关于土石坝心墙水力劈裂研究的一些思考[J]. 岩石力学与工程学报.2005，24（增2）：5664-5668.

[2]謝兴华，速宝玉. 裂隙岩体水力劈裂研究综述[J].岩土力学.2004，25（2）：330-336.

[3]王俊杰，朱俊高. 堆石坝心墙抗水力劈裂性能研究[J].岩石力学与工程学报.2007，26（增1）2880-2886.

[4]朱俊高，王俊杰，张辉. 土石坝心墙水力劈裂机制研究[J].岩土力学.2007，28（3）：487-492.

[5]曾开华，殷宗泽. 土质心墙坝水力劈裂影响因素的研究[J].河海大学学报.2000，28（3）：1-6.

[6]董玉文，任青文. 重力坝水力劈裂分析的扩展有限元法[J].水利学报.2011，42（11）：1361-1367.