土石坝带裂缝黏土心墙破坏机理试验研究

赵晓龙，邱秀梅，韩惠敏，邱庆泰，卞汉兵,2

(1.山东农业大学水利土木工程学院，山东 泰安 271018；2. LEM3, CNRS 7239，洛林大学, 梅兹 法国 57045)

土石坝的水力劈裂是工程中引人关注和争议性较大的问题之一。水力劈裂可能会导致大坝心墙的破坏从而造成严重的后果，如美国的Teton坝[1]等。“裂缝”及“水库快速蓄水的初期”被认为是发生水力劈裂的两个重要条件[2]。坝体中存在的裂缝或者缺陷是导致水力劈裂发生的前提条件，而心墙防渗体的低渗透性与裂缝或缺陷的高渗透性则会促使“水楔”作用形成。上述两点是水力劈裂发生的物质条件，而一定大小的“水楔”作用则是其发生的力学条件[3]。土石坝防渗体中的裂缝及缺陷，通常认为是由两种条件产生的[4]。一种是施工阶段产生的，另一种是后期坝体不均匀沉降导致的。施工阶段各碾压土层之间以及同层不同施工段连接部位均是裂缝及缺陷易产生的位置，施工进程及施工时温度、湿度的变化也会对其有一定的影响，这些裂缝在施工阶段应是合拢的。心墙的不均匀沉降和其导致的应力重分布是生成新裂缝和使施工期形成的合拢裂缝张开扩展的主要原因，即使不均匀沉降较小，也有可能产生这种裂缝[5]。除此之外，土石坝心墙在快速蓄水过程中，不同竖向压力下非饱和土的吸湿变形差异，也可能导致新的裂缝及缺陷的产生[6]。这也可能导致之前施工时的合拢裂缝张开扩大。

近二十年来，国内外学者在水力劈裂室内试验方面进行了诸多探索。刘令瑶等人[7]进行了宽级配砾石土圆筒试样的水力劈裂试验研究，认为水力劈裂能否发生的主要因素是砾石含量的多少，当砾石含量小于等于15%时，将导致水力劈裂破坏。曾开华[8,9]利用真三轴仪，设计了中心开孔长方形试件的水力劈裂试验，得出小主应力与中主应力对劈裂压力值的影响规律，显示水力劈裂实质是渐进拉裂破坏。Alfaro和Wong[10]在水力劈裂试验的试样中预制了竖直或水平裂缝，证实了水力劈裂为拉裂破坏的内在机制，并指出试样中的裂缝会降低初始劈裂压力，但不会改变裂缝的扩展方向。张辉[11]设计了厚壁圆筒水力劈裂试验，通过在土样中预设裂缝，证实了土体中存在的微裂缝或缺陷是其发生水力劈裂的原因。通过量测劈裂过程中试样的电导率变化，证实了水力劈裂破坏是土体局部塑形破坏后的渐进张拉破坏。张丙印、李娜等[12]研制了一种新型的用于探究水压力沿渗透弱面进入土体形成楔劈效应并诱导发生水力劈裂的试验设备。曹建建[13]对黏性土进行了水力劈裂试验和轴向压裂试验，表明水力劈裂发生后形成的劈裂面与小主应力的作用面平行，且劈裂破坏面受小主应力的控制。冯晓莹[14]通过直立土柱离心模型的试验方法，对心墙防渗体水力劈裂的发生条件和过程进行了相关研究，得出心墙发生水力劈裂的根本原因是由于坝壳对心墙拱作用而导致的心墙土压力小于外部的库水压力。

本文针对土石坝黏土心墙破坏机理的实际特点和物理机制，设计了带裂缝黏土试件的破坏机理试验，对心墙水力劈裂破坏过程进行了试验模拟，演示了其存在发生水力劈裂破坏的可能性。试验结果对黏土心墙坝体设计有一定的参考价值。

1 带裂缝黏土心墙的破坏机理试验

试验通过水泵将具有一定水压的水流接入到改装的土壤渗透仪内，土样上端的透水石用碎石子替换，在土样的下端沿直径开一定尺寸的初始裂缝，进行带裂缝黏土心墙的破坏机理试验，观察土样在水压下的破坏过程。一定的水压用来模拟土石坝快速蓄水时受到的水压力，土样开的裂缝用来模拟心墙内部的初始缺陷，而碎石子则用来模拟心墙下游侧的反滤层。

1.1 试验设备

试验设备主要为自行改装的渗透仪，包括水泵、水压调节开关、水压表和土壤渗透仪等部件。改装的渗透仪可以达到传统渗透仪无法达到的水压(可达1.2 MPa)。其原理是通过高强度的橡胶管与水泵的出水口相连(水泵可以产生4 MPa的水压)，得到高压力的水流，再通过水压调节开关、水压表等部件进入到土壤渗透仪内。这样渗透仪内的土样就可以在高压力水流下发生水力劈裂破坏。为保证仪器的密封性，对土壤渗透仪的进水部位和排水部位进行了加固改造，以满足试验的要求。试验设备如图1所示。

改装的土壤渗透仪结构组成参见图2。

图1 黏土心墙破坏机理试验设备Fig.1 The testing apparatus of the clay core failure mechanism

1-机架；2-补水水箱；3-水泵；4-蓄水罐；5-分离器；6-传感器；7-水压操控面板；8-出水管；9-阀门；10-金属连接管；11-电源线；12-支座；13-水压调节开关；14-三通部件；15-水压表；16-高强度橡胶管；17-套筒；18-上盖；19-下盖；20-进水管；21-出水管；22-排气管；23-止水夹；24-紧固螺栓图2 改装渗透仪结构组成示意图Fig.2 Structural schematic diagram of the refitted permeameter

1.2 试验方案

试验土样取自临沂市蒙阴县东15 km的云蒙湖(原岸堤水库)附近，与土石坝心墙用土基本一致。将试验用土粉碎过0.5 mm筛后配置18%含水率的土样，静置后通过击实形成重塑土，用环刀(规格φ1.8×40 mm)制备试件。用直尺和美工刀在重塑土样表面开一定尺寸的初始裂缝，观察土样在一定水压下的破坏过程。为了便于观察土样在水流冲击下的破坏现象，也为了更真实地模拟土石坝黏土心墙的破坏过程，将渗透仪上部的透水石换成碎石子来填充，以模拟土石坝防渗体材料两侧的反滤层。碎石子填充物如图3所示。

将制备好的环刀土样装入到改装的渗透仪内，按图2连接好设备，检查各构件连接部位的气密性，并排出渗透仪内部的气体。关闭阀门和水压调节开关，启动水泵开关，待储水罐内的水压提高到较高状态(0.6 MPa左右)后关闭水泵开关，水压值通过水压操控面板上的液晶显示屏读出。打开阀门，观察与水压调节开关相连的水压表，调节水压开关，使水压表读数匀速上升，及时观察水压表变化及渗透仪出水管的出水情况。重复上述试验过程，观察试验现象，记录土样破坏时达到的水压峰值。

图3 渗透仪内的碎石子填充物Fig.3 Gravel filler in the permeameter

2 试验结果分析

2.1 初始裂缝尺寸对土样水力破坏影响分析

为了便于对比，试验中进行水力破坏的土样有3种，即未开初始裂缝的土样、初始裂缝分别为长20 mm宽1 mm深20 mm和长20 mm宽2 mm深20 mm的土样。试验结果表明，未开初始裂缝和初始裂缝为长20 mm宽1 mm深20 mm的土样水力破坏结果基本相同，渗透通道都是沿着土样与环刀的接触部分形成，初始裂缝对渗透通道的形成位置没有显著影响。宽度1 mm的裂缝未对土样破坏产生影响的原因是，水流浸入土样时，土样是一个吸水饱和的过程，土体膨胀，将初始裂缝逐渐闭合，参见图4。试验后土样的初始裂缝已经完全闭合。从机理上讲，土样裂缝闭合是由于其本身的水理性造成的[16]。土颗粒表面带负电荷，负电荷吸引孔隙水中的水化阳离子形成水膜，使土粒水化。当土体内部出现临空面如裂缝时，因为裂缝的外力为零，浸水后紧靠临空面的土颗粒及其吸附于周围的阳离子会充分水化，导致水化水膜的厚度达到最大，从而使扩散层厚度加大，颗粒间的距离增大，相互的黏结力消弱。最后甚至被水膜完全破坏，土体由膨胀发展到崩塌，此时若裂缝的宽度较小，就会表现为宏观的闭合。

图4 宽度为1 mm的裂缝试验前后变化Fig.4 The changes of 1 mm wide crack before and after test

初始裂缝为长20 mm宽2 mm深20 mm的土样发生破坏情况则与前面两种土样不同，水流先从裂缝进入到土样内部，到达裂缝顶端后没有继续向上扩展，而是沿着水平面横向扩展。初始裂缝在水流的冲击下尺寸增大，参见图5。最后水流在裂缝顶端所处位置形成一个近似水平的贯穿面。土样以这个水平贯穿面为分界面，分成了上下两部分，参见图6。水流进入裂缝到达顶端后，没有沿竖向继续扩展，而是沿水平面横向扩展，这与土样的制备过程有很大关系。水力劈裂的路径往往是发生在土体的最薄弱处，如土体的不连续处。圆柱土样在试验室内都是竖向分层击实的，因此水平向土层间连接处是较薄弱环节，水流会沿着这一薄弱面扩展，进而贯穿整个平面。此时土样的下半部分已经失去了防渗体的功能，水流直接冲击土样的上半部分，上半部分的破坏与前面不开裂缝的情况相同，水流会沿着土样与环刀的接触面形成渗透通道。

图5 宽度为2 mm的裂缝试验前后变化Fig.5 The changes of 2 mm wide crack before and after test

图6 裂缝宽度为2 mm的土样破坏后照片Fig.6 The photo of soil sample which has 2 mm wide crack after fracture

2.2 土样上部碎石子对水力劈裂破坏的影响

碎石子对土样能否发生水力劈裂破坏有很大的影响。在大部分情况中，在高水压(0.17～0.33 MPa)的作用下土样中的土颗粒会从碎石子的缝隙中流出，使缺陷进一步扩展，并最终导致土样发生水力劈裂破坏。而另一些情况下，土样在较高的水头(1.0 MPa左右)下，仍然无法发生水力劈裂破坏。试验中对土样重复进行多次水力冲击，提高到更高的水头，都无法使其破坏。试验后的土样照片如图7所示。

图7 试验后的土样Fig.7 The soil samples after test

图7(a)为试验后土样上表面的实际情况，可以看出，渗透仪上部碎石子间的缝隙已经被土颗粒填充。土颗粒与碎石子被挤压得相当致密，想要把碎石子分离开相当不容易。将碎石子取出后如图7(b)所示，土样的上表面被挤压得相当紧密。

当高压水流从底部通过土样时，会给土样一个较大的冲击力，该冲击力直接将土样垂直往上顶。土样中的一些土颗粒会随着水流冲出，并进入到碎石子填充物内，碎石子间的缝隙逐渐被土颗粒填满，并挤密，使碎石子和填隙黏土成为一个致密的整体，这其实就是形成了一个隔水层，防止了水力劈裂破坏的发生，而碎石子则起到了实际工程中反滤层的作用。之后无论再给土样加多大水压，土样都无法被破坏掉，碎石子起到的反滤作用十分明显。这个现象也印证了土石坝下游侧反滤层在预防水力劈裂破坏方面的有效作用。

实际工程中在心墙两侧均设置了反滤层，在土石坝心墙上游侧设置反滤层的目的是减小水流对心墙的冲刷作用，降低水流冲击速度，对防止裂缝冲刷有一定的辅助作用，并没有滤土功能，不能保证下游侧的心墙土颗粒不被冲走，它的等效粒径可稍粗于下游面反滤层的等效粒径[16]。而下游侧的反滤层则在防止裂缝冲刷破坏方面起到了主要作用，其一般功能是滤土和排水，而在防渗体破坏后其功能则是滤土和限制流速。滤土可以保证裂缝不至于继续扩展，而限制流速则降低了水流冲刷速度，在一定程度上也降低了防渗体破坏的可能性。反滤层的上述功能在降低土样冲刷破坏可能性的同时，也为土样裂缝吸水闭合提供了时间。实际工程中反滤层的颗粒级配对于反滤层能否起到良好的防护作用有很大的影响，相关人员在此方面也做了一些试验研究[15,16]。

2.3 土样破坏的水压峰值分析

通过改变击实次数和含水量可以控制重塑土样的孔隙比和饱和度。得到孔隙比与水力劈裂峰值的关系曲线及孔隙比与饱和度的关系曲线，参见图8和图9。

图8 孔隙比与水力劈裂水压峰值关系曲线Fig.8 Relation curves of void ratio and hydraulic peak for hydraulic fracture

图9 孔隙比与饱和度关系曲线Fig.9 Relation curves of void ratio and saturation

从图8中可以看出，土样发生水力劈裂的水压峰值与孔隙比呈负相关关系，即孔隙比越大，土样发生水力劈裂破坏时需要的水压力值越小。这是因为土样的孔隙比越大，其本身就越疏松，存在较大裂缝的可能性也就越大，且较大的孔隙为之后土颗粒的冲刷流失提供了通道，从而使得土样在较低的压力值下就发生水力劈裂破坏。这说明了土样孔隙比对发生水力劈裂所需的水压力值影响较大。

从图9可以看出，孔隙比与饱和度也呈负相关关系。所有土样均按照18%含水率进行制备，通过改变击实次数来控制孔隙比。击实次数越多，孔隙比越小，而在含水量一定的条件下，孔隙比越小，饱和度越高。

2.4 总体试验结果分析

试验总体出现了两种结果，即土样在一定的水头下被冲坏，并伴随着渗透仪出水管有浑浊的泥水流出；或土样在较高的水头(1.0 MPa左右)下，仍然无法发生水力劈裂破坏，这主要是由于土样上部碎石子的反滤作用造成的，详见2.2中关于碎石子对水力劈裂破坏影响的分析。试验中土样发生水力劈裂破坏的情形较多，破坏后的土样如图10所示。通过图10可以看出，所有土样的破坏都发生在其外侧，即土样与环刀的接触面，此接触面即为发生水力破坏的薄弱面。土样外侧形成的破坏通道有两种，一种是不规则的折线形，图10(a)、(b)，另一种是竖向的直线型，图10(c)、(d)。土样在形成破坏通道时，水流会沿最薄弱的破坏面进行运动，当其遇到致密的土壤后，会沿着周围较为疏松的方向继续扩展，因此出现了图10(a)、(b)的折线形通道。

图10 破坏后的土样Fig.10 The soil samples after fracture

当土样致密程度无太大差别时，土样中水流便会沿着最短的路径，即垂直的直线进行扩展，直到完全打通，如图10(c)、(d)。裂缝扩展的方向与水压力的方向是一致的。此破坏现象说明了土石坝在水库快速蓄水时存在黏土心墙发生击穿破坏的可能性。

2.5 试验设备误差分析

本文设计的水力劈裂设备结构简单，可操作性强。但与此同时，试验中发生水力劈裂破坏的土样处于平面应力状态，这与实际工程中的处于三向应力状态下的黏土心墙是有差别的，因此有必要对设备带来的误差影响进行分析。

在实际工程中，黏土心墙会有“拱效应”产生，拱效应是由于坝壳与心墙的刚度不同引起的，其结果会导致心墙的竖向应力降低，从而可能引起心墙产生水平向的裂缝。但许多工程的数值分析和现场监测表明，除心墙狭窄且直立的情况外，土石坝中的拱效应还不足以导致心墙的竖向应力为零或负值(即出现拉应力)[3]。所以心墙裂缝主要还是由于其施工期的初始缺陷和运营期的不均匀沉降导致的，但心墙竖向应力的降低仍会增加土样产生裂缝的可能，因而拱效应仍是诱导裂缝产生的不利因素。本试验土样的水力劈裂破坏是在平面应力状态下发生的，其实相当于实际心墙竖向应力为零的情况，因而属于工程中的较不利情况，土样在没有第三方向压力的情况下是较容易发生裂缝扩展破坏的。

3 结 论

本试验作为一个模拟实验，演示了土石坝黏土心墙存在发生水力劈裂破坏的可能性，土体中的土颗粒被一定压力的水流冲出，通过碎石子层流向外部，最终在土体中形成了一条明显的渗透通道。水力劈裂的破坏通道通常发生在土体的最薄弱环节，如土体的不连续处。可以预想，在实际土石坝内，有可能会出现若干类似的渗透通道，在长时间的水流作用下，形成的破坏通道会逐渐增大，这可能会导致坝体出现破坏等严重后果。在颗粒级配良好的情况下，防渗体两侧的碎石反滤层可以起到很好的防渗作用。土样的孔隙比会对水力劈裂水压峰值的大小产生较大影响。黏土心墙内部初始缺陷的尺寸会对其之后可能的破坏产生重要影响。当初始缺陷尺寸较小时，在水流作用下，其裂缝可能会闭合，此时防渗体是有效的；而尺寸较大时，则可能会成为水流冲击的通道，继而导致防渗体失效而破坏。

本研究的结论，可以为实际坝体设计与施工提供一些参考价值。具体如下：

(1)应改进施工工艺，尽量避免心墙填筑过程中产生较多的初始缺陷和薄弱环节，并保证土体的整体性与连续性，从源头上减少形成水力劈裂渗透通道的可能性。

(2)在水库蓄水初期，蓄水速度不宜过快，一定的蓄水时间可以使心墙土体吸水饱和，这可以促使一部分裂缝闭合，从而避免这部分裂缝发生水力劈裂。

(3)要重视心墙两侧反滤层的设置，颗粒级配要合理配置才能起到最好的效果。

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