高土石坝心墙水力破坏机制研究进展Progress of study on hydraulic failure mechanism of clay core-wall in high earth-rockfill dam
王刚,韦林邑,魏星,张建民
摘要(Abstract):
心墙是高土石坝防渗体系的关键部位,在高库水压力的作用下,心墙可能产生水力破坏从而造成过量渗漏乃至溃坝的严重后果。预防心墙水力破坏的关键在于揭示心墙中初始渗漏通道的产生机理和条件。水力劈裂曾被广泛认为是心墙中初始渗漏通道的产生原因,简要回顾了土石坝黏土心墙水力劈裂研究的进展,讨论了水力劈裂理论在解释土石坝黏土心墙水力破坏机制方面的不足。近年来,在心墙压实黏土的剪切渗流特性研究方面取得了新进展,发现严重超固结的压实黏土在剪切后会形成高渗透性剪切带的试验事实。在此基础上提出了高土石坝黏土心墙水力破坏的剪切渗透弱面机制。触发剪切渗漏弱面的应力条件较传统水力劈裂判别的应力条件更容易满足,并且预测的渗漏位置更符合工程实际,因此在实际工程设计中应更重视高渗透性剪切带的评价和处置。
关键词(KeyWords): 高土石坝;黏土心墙;渗透破坏;初始渗漏通道;水力劈裂;高渗透性剪切带
基金项目(Foundation): 重庆市自然科学基金项目(cstc2018jcyjAX0752);; 国家自然科学基金项目(41602286,51679016)
作者(Author): 王刚,韦林邑,魏星,张建民
DOI: 10.13928/j.cnki.wrahe.2019.08.008
参考文献(References):
- [1] 黄河水利委员会勘测规划设计研究院.碾压式土石坝设计规范:DL/T 5395—2007[S].北京:中国水利水电出版社,2007.
- [2] 中国电力企业联合会.碾压式土石坝施工规范:DL/T 5129—2013[S].北京:中国电力出版社,2013.
- [3] WU Y,ZHANG B,YU Y,et al.Consolidation analysis of Nuozhadu high earth-rockfill dam based on the coupling of seepage and stress-deformation physical state[J].International Journal of Geomechanics,2016,16(3):04015085.
- [4] 杨泽艳,蒋国澄.洪家渡200 m级高面板堆石坝变形控制技术[J].岩土工程学报,2008,30(8):1241- 1247.
- [5] 陈生水.特高土石坝建设与安全保障的关键问题及对策[J].人民长江,2018,49(5):74- 78.
- [6] 汪小刚.高土石坝几个问题探讨[J].岩土工程学报,2018,40(2):203- 222.
- [7] 牛运光.几座土石坝渗漏事故的经验教训(上)[J].大坝与安全,1998(2):53- 59.
- [8] 牛运光.几座土石坝渗漏事故的经验教训(下)[J].大坝与安全,1999(1):38- 45.
- [9] FOSTER M,FELL R,SPANNAGLE M.The statistics of embankment dam failures and accidents[J].Canadian Geotechnical Journal,2000,37(5):1000- 1024.
- [10] ZHANG Limin,PENG Ming,CHANG Dongsheng,et al.Dam failure mechanisms and risk assessment[M].Singapore:John Wiley & Sons Singapore Pte.Ltd.,2016.
- [11] Teton Dam Failure Review Group.Failure of Teton Dam:a report of findings [R].Washingtong:U.S.Department of the Interior,1977.
- [12] SEED H B.Hydraulic fracturing and its possible role in the Teton Dam failure[R].Washingtong:US Dept.of the Interior and State of Idaho,1976.
- [13] 黄文熙.对土石坝科研工作的几点看法[J].水利水电技术,1982,13(4):23- 27.
- [14] SHERARD J L.Hydraulic fracturing in embankment dams[J].Journal of Geotechnical Engineering,1986,112(10):905- 927.
- [15] JAWORSKI G W,DUNCAN J M,SEED H B.Laboratory study of hydraulic fracturing[J].Journal of the Geotechnical Engineering Division,ASCE,1981,107(6):713- 732.
- [16] KJARNSLI B,TORBLAA I.Leakage through horizontal cracks in the core of Hyttejuvet Dam[J].Norwegian Geotechnical Institute,1986,80:39- 47.
- [17] 袁友仁,王柏乐,葛明.糯扎渡心墙堆石坝心墙方案比较研究[J].水力发电,2005,31(5):40- 42.
- [18] 中国水电顾问集团成都勘察设计研究院.四川省雅砻江两河口水电站可行性研究阶段心墙堆石坝设计专题报告[R].成都:中国水电顾问集团成都勘察设计研究院,2008.
- [19] 中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司.澜沧江如美水电站可行性研究阶段心墙堆石坝设计专题报告[R].贵阳:中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司,2017.
- [20] 张丙印,于玉贞,张建民.高土石坝的若干关键技术问题[C]//中国土木工程学会.第九届土力学及岩土工程学术会议论文集.北京:清华大学出版社,2003:163- 186.
- [21] 孙亚平.水力劈裂机理研究[D].北京:清华大学,1985.
- [22] PANAH A K,YANAGISAWA E.Laboratory studies on hydraulic fracturing criteria in soil[J].Soils and Foundations,1989,29(4):14- 22.
- [23] LO K Y,KANIARU K.Hydraulic fracture in earth and rock-fill dams[J].Canadian Geotechnical Journal,1990,27(4):496- 506.
- [24] MURDOCH L C.Hydraulic fracturing of soil during laboratory experiments,Part 1.Methods and observations[J].Géotechnique,1993,43(2):255- 265.
- [25] ALFARO M C,WONG R C K.Laboratory studies on fracturing of low-permeability soils[J].Canadian Geotechnical Journal,2001,38:303- 315.
- [26] 曾开华.土质心墙坝水力劈裂机制及影响因素的研究[D].南京:河海大学,2001.
- [27] 沈珠江,易进栋,左元明.土坝水力劈裂的离心模型试验及其分析[J].水利学报,1994,25(9):67- 78.
- [28] PENMAN A D M.On the embankment dam[J].Géotechnique,1986,36(3):303- 348.
- [29] 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.
- [30] NOBARI E S,LEE K L,DUNCAN J M.Hydraulic fracturing in zoned earth and rockfill dams[R].Berkeley:University of California at Berkeley,1973.
- [31] LAWRENCE C M.Mechanical analysis of idealized shallow hydraulic fracture[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,ASCE,2002,128(6):488- 495.
- [32] 王俊杰.基于断裂力学的土石坝心墙水力劈裂研究[D].南京:河海大学,2005.
- [33] 张丙印,李娜,李全明,等.土石坝水力劈裂发生机理及模型试验研究[J].岩土工程学报,2005,27(11):42- 46.
- [34] 曹雪山,殷宗泽.土石坝心墙水力劈裂的非饱和土固结方法研究[J].岩土工程学报,2009,31(12):1851- 1857.
- [35] 刘令瑶,崔亦昊,张广文.宽级配砾石土水力劈裂特性的研究[J].岩土工程学报,1998,20(3):10- 13.
- [36] 水电水力规划设计总院,中国水电工程顾问集团有限公司,中国水利水电科学研究院,等.高土心墙堆石坝变形和裂缝控制专题研究报告[R].北京:中国水电顾问集团有限公司,2015.
- [37] 中华人民共和国国家标准编写组.土工试验方法标准:GB/T 50123—1999[S].北京:中国计划出版社,1999.
- [38] 朱建华.土坝心墙原状土的三轴渗透试验[J].岩土工程学报,1989,11(4):57- 63.
- [39] 雷红军,卞锋,于玉贞,等.黏土大剪切变形中的渗透特性试验研究[J].岩土力学,2010,31(4):1130- 1133.
- [40] SUN H,CHEN J,GE X.Deformation characteristics of silty clay subjected to triaxial loading,by computerised tomography[J].Géotechnique,2004,54(5):307- 314.
- [41] OKA F,KODAKA T,KIMOTO S,et al.Strain localization of rectangular clay specimen under undrained triaxial compression conditions[C]//ICSMGE.Proceedings of 16th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnica Engineering.Netherlands:Millpress Science Publication,2005:841- 844.
- [42] YAMAMURO J,LIU Y.Shear banding in clay under axisymmetric triaxial stress conditions[C]//American Society of Civil Engineers.GeoCongress 2012.Oakland,California:ASCE,2012:1096- 1105.
- [43] 叶朝汉.软土剪切带试验及其应用的研究[D].上海:同济大学,2007.
- [44] 王刚,韦林邑,魏星,等.压实黏土三轴压缩变形过程中的渗透性变化规律[J/OL].岩土力学,2020,41(1):1- 7.[2019- 05- 30].https://doi.org/10.16285/j.rsm.2018.2135.
- [45] DEWHURST D N,CLENNELL M B,BROWN K M,et al.Fabric and hydraulic conductivity of sheared clays[J].Géotechnique,1996,46(4):761- 768.
- [46] ZHANG S,TULLIS T E.The effect of fault slip on permeability and permeability anisotropy in quartz gouge[J].Tectonophysics,1998,295(1/2):41- 52.
- [47] KIMURA S,KANEKO H,ITO T,et al.Investigation of fault permeability in Sands with different mineral compositions (evaluation of gas hydrate reservoir)[J].Energies,2015,8(7):7202- 7223.
- [48] COMEGNA L,PICARELLI L.Anisotropy of a shear zone[J].Géotechnique,2008,58(58):737- 742.
- [49] 雷红军,刘中阁,于玉贞,等.黏土-结构接触面大剪切变形后渗流特性试验研究[J].岩土力学,2011,32(4):1040- 1044.
- [50] LUO Y L,JIN X,LI X,et al.A new apparatus for evaluation of contact erosion at the soil-structure interface[J].Geotechnical Testing Journal,2013,36(2):256- 263.
- [51] 王刚,魏星.一种土体扭转剪切渗透试验装置及测试方法:ZL201410389259.X[P].2014- 11- 12.
- [52] 魏星,邹婷,王刚.压-剪耦合条件下黏土渗透特性的试验研究[J].岩石力学与工程学报,2017,36(S1):3561- 3568.
- [53] WANG Gang,WEI Xing,ZOU Ting.A hollow cylinder radial-seepage apparatus for evaluating permeability of sheared compacted clay[J].Geotechnical Testing Journal,2019,42(5):1133- 1149.
- [54] 王刚,魏星,蒋立.一种土的剪切面及土与结构界面的环剪渗透实验装置:ZL201510825477.8[P].2016- 05- 25.
- [55] 王刚,游克勤,魏星,等.压实黏土剪切带渗透特性试验研究[J].岩土工程学报,2019,41(8):1530- 1537.