一种土质心墙堆石坝心墙水力安全诊断及控制方法与流程

1.本发明涉及一种土质心墙堆石坝心墙水力安全诊断及控制方法。


背景技术：

2.近几十年来，国内外开展了大量关于心墙堆石坝水力破坏的研究，涵盖了工程地质勘察、室内试验、有限元数值分析、土工离心模型试验等手段，深化了对问题本质的认识，推动了工程设计理念的发展。但是，对心墙坝突然渗漏现象的解读，工程界尚未形成一致的看法。关于心墙在高水压力作用下的破坏模式，目前有两类观点：一种观点认为，水力破坏沿着某个作用面或某个薄弱面发生，呈“劈裂”状破坏，具有方向性，通常将这种破坏模式狭义地称为“水力劈裂”；另一种观点认为，水力破坏在一定应力条件下可沿着任意孔隙发生，不具备明显的方向性，将这种破坏模式称为“水力击穿”。研究表明，对于宽级配砾石土心墙，其水力破坏形式随含砾量(》5mm)变化而变化，当含砾量＜15％时，其破坏形式为水力劈裂；当含砾量≥20％时，破坏形式为水力击穿。
3.由于水力破坏机制、土体力学性质的复杂性以及研究手段的局限性，针对土质心墙堆石坝心墙水力安全的诊断方法也仍存在一些问题与争议。目前，常用的判别方法为采用有效应力是否大于0，或总应力与心墙前水压力比较的有限元应力判别法，其中以应力的存在模式，又被划分为多种。对中、低坝，常用心墙竖向应力σ
竖
或大主应力σ
大
与上游水压力进行比较；对于高坝，工程界有学者认为中主应力方向与坝轴线方向接近，如果沿中主应力作用面撕开裂缝，也可产生心墙上下游方向的集中渗漏通道，因此采用中主应力σ
中
与上游水压力比较更合适，而小主应力方向近顺河流方向，不会引起心墙的集中渗漏。
4.高心墙堆石坝工程经验表明，心墙拱效应不仅受心墙上下游侧坝壳堆石体的拱托作用，又要受到两岸岸坡的强约束作用。总结teton、hyttejuvet、viddalsvatn等疑似心墙水力破坏的典型工程发现，各个工程出现水力破坏的位置均不在河床附近最大断面上，而一般都位于岸坡上部、距坝顶较近的位置，特别是岸坡陡缓交界点附近。有限元计算表明，在河床附近的最大断面上，心墙中主应力方向与坝轴线方向接近，小主应力方向近顺河流方向，符合一般认知规律；而在岸坡上部，特别是岸坡陡缓交界点附近，应力会发生偏转，中主应力方向逐渐转变为顺水流方向，小主应力方向逐渐转变为坝轴线方向。因此，在诱发心墙水力劈裂风险相对较高的岸坡部位，采用中主应力σ
中
与上游水压力显然是不合适的。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明提供了一种土质心墙堆石坝心墙水力安全诊断及控制方法，该土质心墙堆石坝心墙水力安全诊断及控制方法弥补了岸坡部位心墙可能沿小主应力作用面发生水力破坏的缺陷，且对有限元应力判别、室内试验判别同样适用，是一种有效的集成方法。
6.本发明通过以下技术方案得以实现。
7.本发明提供的一种土质心墙堆石坝心墙水力安全诊断方法，通过如下不等式进行
诊断：
[0008][0009]
式中，u为墙前水压力或心墙内部孔隙水压力，σ
小
为心墙总小主应力或围压，σ
′
小
为心墙有效小主应力，以符合不等式为安全。
[0010]
基于上述，本发明又提供一种土质心墙堆石坝心墙水力安全诊断方法，包含如下步骤：
[0011]
①
风险类型判别：根据心墙料类型和心墙结构，判断风险类型是水力劈裂还是水力击穿；
[0012]
②
选择诊断模型：基于如权利要求1所述的诊断方法，选择诊断判断模型；
[0013]
③
应用计算：根据风险类型确定判断模型的参数和输入值。
[0014]
所述步骤
①
中，如心墙材料p5含量大于15％～20％，风险类型判别为水力劈裂或水力击穿；否则风险类型仅为水力劈裂。
[0015]
所述步骤
③
中，以心墙总小主应力输入，采用总应力有限元法或固结有限元法分析。
[0016]
所述总应力有限元法分析采用固结不排水剪试验确定模型参数；所述固结有限元法采用固结排水剪试验确定模型参数；室内试验采用围压输入。
[0017]
本发明还提供一种土质心墙堆石坝心墙水力安全控制方法，包含如下步骤：
[0018]
a.修整岸坡，控制心墙开挖坡比；
[0019]
b.改善心墙与坝壳之间的变形协调性，减小心墙拱效应；
[0020]
c.控制防渗心墙设计含水率；
[0021]
d.设置心墙导排水措施。
[0022]
所述步骤a中，土质心墙开挖坡比不陡于1:0.5。
[0023]
所述步骤b中，控制心墙最小拱效应系数r》0.5，其中心墙拱效应系数为：
[0024]
r＝σ
竖
/γh
[0025]
式中，σ
竖
为心墙竖向总应力，γh为心墙理论土压力。
[0026]
所述步骤c中，如心墙料为粒径小于0.075mm颗粒含量≥15％～30％以上的黏土，则防渗心墙设计含水率按最优含水率减-2％控制；如心墙料为粒径小于0.075mm颗粒含量≤15％的宽级配砾石土，则防渗心墙设计含水率按最优含水率控制。
[0027]
所述步骤d中，在易发生水力劈裂/水力击穿的部位，铺设毛细导排水材料。
[0028]
本发明的有益效果在于：弥补了岸坡部位心墙可能沿小主应力作用面发生水力破坏的缺陷，且对有限元应力判别、室内试验判别同样适用，是一种有效的集成方法；同时，针对土质心墙可能出现的水力劈裂/水力击穿风险，又提出了有效的防控措施，是传统土质心墙堆石坝水力破坏评价方法与标准的进一步完善，技术理论可靠，内容更加系统全面，为土质心墙堆石坝水力破坏风险防控提供了多重保障，对工程建设具有重要意义。
附图说明
[0029]
图1是本发明至少一种实施方式的流程示意图。
具体实施方式
[0030]
下面进一步描述本发明的技术方案，但要求保护的范围并不局限于所述。
[0031]
实施例1
[0032]
提供一种土质心墙堆石坝心墙水力安全诊断方法，通过如下不等式进行诊断：
[0033][0034]
式中，u为墙前水压力或心墙内部孔隙水压力，σ
小
为心墙总小主应力或围压，σ
′
小
为心墙有效小主应力，以符合不等式为安全。
[0035]
实施例2
[0036]
提供一种土质心墙堆石坝心墙水力安全诊断方法，包含如下步骤：
[0037]
①
风险类型判别：根据心墙料类型和心墙结构，采用有限元分析的方法，判断风险类型是水力劈裂还是水力击穿；
[0038]
②
选择判断模型：基于如实施例1所述的诊断方法，选择诊断判断模型；
[0039]
③
应用计算：根据风险类型确定判断模型的参数和输入值。
[0040]
实施例3
[0041]
基于实施例2，并且，步骤
①
中，如心墙材料p5含量大于15％～20％，风险类型判别为水力劈裂或水力击穿；否则风险类型仅为水力劈裂。
[0042]
实施例4
[0043]
基于实施例2，并且，步骤
③
中，以心墙总小主应力输入，采用总应力有限元法或固结有限元法分析。
[0044]
实施例5
[0045]
基于实施例4，并且，总应力有限元法分析采用固结不排水剪试验确定模型参数；固结有限元法采用固结排水剪试验确定模型参数；室内试验采用围压输入。
[0046]
实施例6
[0047]
提供一种土质心墙堆石坝心墙水力安全控制方法，包含如下步骤：
[0048]
a.修整岸坡，控制心墙开挖坡比；
[0049]
b.改善心墙与坝壳之间的变形协调性，减小心墙拱效应；
[0050]
c.控制防渗心墙设计含水率；
[0051]
d.设置心墙导排水措施。
[0052]
实施例7
[0053]
基于实施例6，并且，步骤a中，土质心墙开挖坡比不陡于1:0.5。
[0054]
实施例8
[0055]
基于实施例6，并且，步骤b中，控制心墙最小拱效应系数r》0.5，其中心墙拱效应系数为：
[0056]
r＝σ
竖
/γh
[0057]
式中，σ
竖
为心墙竖向总应力，γh为心墙理论土压力。
[0058]
实施例9
[0059]
基于实施例6，并且，步骤c中，如心墙料为粒径小于0.075mm颗粒含量≥15％～30％以上的黏土，则防渗心墙设计含水率按最优含水率减-2％控制；如心墙料为粒径小于0.075mm颗粒含量≤15％的宽级配砾石土，则防渗心墙设计含水率按最优含水率控制。
[0060]
实施例10
[0061]
基于实施例6，并且，步骤d中，在易发生水力劈裂/水力击穿的部位，铺设毛细导排水材料。
[0062]
实施例11
[0063]
结合上述实施例，如图1所示，具体的，基于如下安全诊断公式：
[0064][0065]
其中：u——墙前水压力或心墙内部孔隙水压力；
[0066]
σ
小
——总小主应力或围压；
[0067]
σ
′
小
——有效小主应力。
[0068]
防止土质心墙发生水力劈裂/水力击穿的控制方法有：修整岸坡，控制心墙开挖坡比；改善心墙与坝壳之间的变形协调性，减小心墙拱效应；控制防渗心墙设计含水率；设置心墙导排水措施。
[0069]
实施例12
[0070]
基于实施例11，并且，根据使用条件分为三类，具体实施方式如下：
[0071]
(1)第一类：有限元总应力法
[0072]
第一步，土质心墙不发生水力劈裂的条件应满足墙前水压力u小于心墙总小主应力σ
小
。若采用固结有限元分析法，心墙总小主应力等于有效小主应力σ
′
小
与心墙内部超静孔隙水压力u之和，心墙料采用固结排水剪(cd)试验确定的本构模型参数；若采用总应力有限元分析法，心墙料采用非饱和土固结不排水剪(cu)试验确定的本构模型参数，此时的小主应力即为总小主应力σ
小
。
[0073]
第二步，对于大于5mm颗粒含量(p5含量)≥15％～20％的宽级配砾石土，另增加水力击穿可能性判别。土质心墙不发生水力击穿的条件应满足心墙内部孔隙水压力u小于心墙总小主应力σ
小
。采用固结有限元分析法，心墙总小主应力等于有效小主应力σ
′
小
与心墙内部孔隙水压力u之和。
[0074]
(2)第二类：有限元有效应力法
[0075]
土质心墙不发生水力劈裂/水力击穿的条件应满足有效小主应力σ
′
小
大于0。此时，计算采用固结有限元分析法，计算得到的小主应力即为有效小主应力σ
′
小
，心墙料采用固结排水(cd)试验确定的本构模型参数。
[0076]
(3)第三类：室内试验法
[0077]
对于土质心墙料水力破坏室内试验研究，采用三轴仪注水加压试验，试验心墙料
不发生水力劈裂/水力击穿的条件，应满足注水压力u小于试验围压σ
小
。
[0078]
防止土质心墙堆石坝心墙发生水力劈裂/水力击穿的控制措施，具体实施方式如下：
[0079]
(1)修整岸坡，尽量满足心墙与坝肩的平顺连接。合理设计岸坡开挖坡比，要求土质心墙开挖坡比不能陡于1:0.5。
[0080]
(2)改善心墙与坝壳之间的变形协调性，减小心墙拱效应控制心墙最小拱效应系数r》0.5。心墙拱效应系数
[0081]
r＝σ
竖
/γh
[0082]
其中σ
竖
为心墙竖向总应力，γh为心墙理论土压力。
[0083]
控制心墙拱效应较为合理的方法是提高心墙土料的变形模量，使其值不应过低，建议一般情况下应控制心墙土料变形模量的中值平均值k＞400为宜。合理设置心墙与岸坡之间的接触黏土层厚度，减弱岸坡约束对心墙拱效应的影响。
[0084]
(3)合理设计心墙含水率
[0085]
对于粒径小于0.075mm颗粒含量≥15％～30％以上的黏土，建议防渗心墙设计含水率按最优含水率减-2％控制；对于粒径小于0.075mm颗粒含量≤15％的宽级配砾石土，建议防渗心墙设计含水率按最优含水率控制。
[0086]
(4)设置心墙导排水措施
[0087]
在土质心墙易发生水力劈裂/水力击穿的部位，可铺设毛细导排水材料，以便排出心墙里的毛细水，降低心墙内部孔隙水压力。