CN102087196A - 土石坝心墙裂缝自愈合的试验装置、方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土石坝心墙裂缝自愈合的试验装置，它由高压水发生装置、渗流装置和测量装置组成；其中，渗流装置由密封容器、过渡层、反滤层和心墙料层组成，心墙料层上预置有裂缝；高压水发生装置的出水口与密封容器上部连接，测量装置与密封容器下部的出水口连接。本发明的有益技术效果是：通过实验可得到心墙在不同颗粒级配、不同含水率、不同干密度、不同裂缝类型情况下的单位时间渗水量与水压力的关系，进而得到心墙裂缝自愈合的条件，为修建和加固水坝时的材料层选择及水库的运行管理提供依据。

Description

土石坝心墙裂缝自愈合的试验装置、方法

技术领域

本发明涉及一种水库大坝建设、加固领域，尤其涉及一种土石坝心墙裂缝自愈合的试验装置、方法。

背景技术

在土石坝工程中，以土质心墙为主要防渗体的心墙坝占有相当大的比例，心墙的完整性是大坝安全的保障。只有当心墙完全均质时，即心墙内部各点的孔隙比、渗透性都相同，土石坝的心墙才可能不产生裂缝，但这在实际工程中是不可能的，所以裂缝存在于土石坝心墙中是一个普遍的问题，既可能在大坝建设过程中产生，也可能在建成后的蓄水运行中产生。

大约30%的土石坝事故是由于渐进性的管涌和侵蚀引起的。对于土质心墙坝而言，心墙内的渐进性管涌和侵蚀可能发展成为集中渗漏，而当心墙存在裂缝时，渐进性的管涌和侵蚀甚至集中渗漏现象更加容易发生。心墙裂缝成为威胁大坝安全的重要因素之一，因此，研究心墙裂缝能否自愈合对确保大坝安全无疑具有重大意义。

有关研究表明，在一定条件下心墙裂缝也可能发生自愈合，进而遏制渐进性侵蚀的发展，或减弱甚至阻止侵蚀的发展。比如有效应力的增大，土粒在裂缝内的再沉积作用充填堵塞裂缝，近裂缝表面的土粒膨胀引起裂缝宽度减小，这些作用都可能使心墙裂缝发生自愈合。我国现有水库8.7万多座，大型水库的大坝71%是土石坝，中型水库的大坝92%是土石坝，而小型水库的大坝几乎都是土石坝。而我国目前约有24%的大、中型水库和30%－40%的小型水库是病险水库，土石坝的安全状况令人忧患。如果心墙裂缝在一定条件下发生自愈合，那么对大坝的安全具有重要意义，同时也对心墙堆石坝工程的建设和病险坝的加固处治具有重要的工程意义。

由于问题的重要性和复杂性，一直以来国内外尚无很好的试验方法及试验装置用于研究土石坝心墙裂缝自愈合的机理、自愈合发生所需的条件和影响因素等，导致对其认识很有限。解决问题的关键在于不知道心墙裂缝在何时、何种条件下发生自愈合。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种土石坝心墙裂缝自愈合的试验装置，它由高压水发生装置、渗流装置和测量装置组成；其中，渗流装置由密封容器、过渡层、反滤层和心墙料层组成，过渡层、反滤层和心墙料层在密封容器按如下顺序从上至下排列：过渡层-反滤层-心墙料层-反滤层-过渡层；心墙料层上预置有裂缝；高压水发生装置的出水口与密封容器上部连接，测量装置与密封容器下部的出水口连接。

本发明还提出了基于土石坝心墙裂缝自愈合的试验装置的试验方法，试验步骤如下：1）设计心墙料层和反滤层的颗粒级配，将过渡层、反滤层和心墙料层分层压实；其中，心墙料层上设置有裂缝；

2）采用高压水发生装置从上部向渗流装置加高压水，逐级增加高压水的压力，在每级压力下，保持相同时间（半小时以上）；

3）记录每级压力下，测量装置中来自渗流装置的渗出水量；

4）计算每级压力下，单位时间内的渗出水流量；

5）改变心墙料层和反滤层的颗粒级配、裂缝类型，心墙料层含水率，心墙料层干密度，反滤层干密度，重复步骤1）至4）；

6）将实验结果制作成压力、历时及流量关系表，以及流量-历时关系曲线，根据压力、历时及流量关系表和流量-历时关系曲线对不同条件下的裂缝愈合条件进行分析。

本发明的有益技术效果是：通过实验可得到心墙在不同颗粒级配、不同含水率、不同干密度、不同裂缝类型情况下的单位时间渗水量与水压力的关系，进而得到心墙裂缝自愈合的条件，为修建和加固水坝时的材料层选择及水库的运行管理提供依据。

附图说明

图1、土石坝心墙裂缝自愈合原理示意图；

图2、本发明的实验装置的结构示意图；

图3、土石坝结构剖面示意图；

图4、实施例1的反滤层颗粒级配曲线；

图5、实施例1的心墙颗粒级配曲线；

图6、实施例1的实验中的流量-历时关系图；

图7、实施例2的反滤层颗粒级配曲线；

图8、实施例2的心墙颗粒级配曲线；

图9、实施例2的实验中的流量-历时关系图；

图10、实施例3的反滤层颗粒级配曲线；

图11、实施例3的心墙颗粒级配曲线；

图12、实施例3的实验中的流量-历时关系图。

具体实施方式

在实际工程中，不可能使心墙内部各点的孔隙比、渗透性都相同，因此裂缝3-5存在于土石坝心墙中是一个普遍的问题。裂缝3-5可能在大坝建设过程中产生，也可能在建成后的蓄水运行中产生。如果是在大坝建设过程中产生可见的裂缝3-5，还可以通过观察裂缝3-5情况来进行有针对性的补救。如果裂缝3-5是在建成后的蓄水运行中产生的，由于裂缝3-5无法观察，使处治方案存在很大的盲目性，这将给大坝的安全埋下隐患。

在水库蓄水运行中，裂缝3-5的存在使得裂缝3-5及其附近的渗流场复杂化，在渗流作用下，心墙裂缝3-5可能因梯度水压力作用而发生扩展，即水力劈裂；其产生条件从力学角度来讲，裂缝3-5的发生与扩展必然是由于土体受力变形的结果，也就是裂缝3-5两边的土体向离开裂缝3-5的方向产生位移；要产生这种位移，该区域的土体内就需要有与位移方向一致或近乎一致的力的作用，这种力就是与劈裂面垂直的水压力或渗流力。但仅仅有水压力还不足以产生水力劈裂，还需要压力差或压力梯度，更准确地说是要有力作用于土体使其产生不连续的变形。此外，心墙材料的低透水性也是发生水力劈裂的必要条件。心墙材料的低透水性与心墙裂缝3-5的高透水性使得“水楔”作用容易形成，而“水楔”作用正是心墙发生水力劈裂的力学原因所在。如果我们能够在建造大坝时，选择合适颗粒级配的材料，就有可能有效降低因心墙裂缝3-5而带来的大坝安全隐患，也能在大坝建成后的蓄水运行中，有针对性的对裂缝3-5进行处置。

现有的研究结果表明，在一定条件下心墙裂缝3-5也可能发生自愈合，进而遏制渐进性侵蚀的发展，或减弱甚至阻止侵蚀的发展，如有效应力的增大，土粒在裂缝3-5内的再沉积作用充填堵塞裂缝3-5，近裂缝3-5表面的土粒膨胀引起裂缝3-5宽度减小而发生充填或闭合；由于水力劈裂和自愈合现象都是发生在土石坝心墙的内部，无法直接观察（参见图3大坝结构），只能通过其伴随的外部现象来间接观察；水力劈裂现象发生时，即心墙裂缝3-5的长度和宽度增加，坝体所渗流出的水量是增大的；自愈合现象发生时，即心墙裂缝3-5的长度和宽度减小，坝体所渗流出的水量是减少的，其基本原理可简化为图1所示的原理图。图中的拐点a表示从心墙裂缝3-5中渗流出来的水的流量突然增大，说明裂缝3-5已开始扩展，即裂缝3-5发生了水力劈裂现象；拐点b表示经过一段时间后，从心墙裂缝3-5中渗流出来的水的流量突然减小，说明裂缝3-5开始自愈合。基于此理论，本发明提出了一种用渗出水量来表征心墙裂缝3-5变化情况的试验方法，试验步骤如下：

1）设计心墙料层3-4和反滤层3-3的颗粒级配，将过渡层3-2、反滤层3-3和心墙料层3-4分层压实；其中，心墙料层3-4上设置有裂缝3-5，

2）采用高压水发生装置2从上部向渗流装置3加高压水，逐级增加高压水的压力，在每级压力下，保持相同时间；

3）记录每级压力下，测量装置4中来自渗流装置3的渗出水量；

4）计算每级压力下，单位时间内的渗出水流量；

5）改变心墙料层3-4和反滤层3-3的颗粒级配、裂缝3-5类型，心墙料层3-4含水率，心墙料层3-4干密度，反滤层3-3干密度，重复步骤1）至4）；

6）将实验结果制作成压力、历时及流量关系表，以及流量-历时关系曲线，根据压力、历时及流量关系表和流量-历时关系曲线对不同条件下的裂缝3-5愈合条件进行分析。

其实验方案为：

1）通过室内土力学实验，测试试验土料的物理、力学指标，确定液限，塑限，击实曲线，抗剪强度指标等等；

2）根据土石坝有关规范和试验研究需要，设计心墙料和反滤料的颗粒级配；

3）多取几组不同的土样组合，不同的颗粒级配，不同的裂缝3-5类型等等，进行正交试验方案设计，列出试验方案正交表；

4）连接试验装置；

5）制备试样模拟心墙土石坝，人为制备裂缝3-5；

6）通过高压水发生装置2，自上而下将水压入模拟心墙土石坝的试样中；

7）通过测量装置4，每隔一段时间读取从试样底部渗出水的体积，并计算每段时间内渗流出来的水流量，得出渗出水流量与时间的关系图；

8）根据设计的试验方案正交表，按照4）-7）步骤，重复试验；

9）利用同一坐标轴分析相关数据，得出结论。

参见图2，本发明的试验装置为：它由高压水发生装置2、渗流装置3和测量装置4组成；其中，渗流装置3由密封容器3-1、过渡层3-2、反滤层3-3和心墙料层3-4组成，过渡层3-2、反滤层3-3和心墙料层3-4在密封容器3-1按如下顺序从上至下排列：过渡层3-2-反滤层3-3-心墙料层3-4-反滤层3-3-过渡层3-2；心墙料层3-4上预置有裂缝3-5；高压水发生装置2的出水口与密封容器3-1上部连接，测量装置4与密封容器3-1下部的出水口连接。

实施例1：

试样由3种土料分5层制备，从下至上，分别是过渡层3-2、反滤层3-3、心墙料层3-4、反滤层3-3和过渡层3-2。

其中，过渡层3-2采用粗砂，其参数为：0.5~2mm的土料，土质量m=200g，含水率w=4%，击实后的厚度h=2.00cm。

反滤层3-3的反滤料参数为：土质量m=200g，含水率w=4%，干密度ρ_d=1.80g/cm³，击实后的厚度h=2.00cm；其颗粒级配曲线如图4所示，反滤料的颗粒级配表如下：

心墙料层3-4参数为：土粒比重G _S =2.74，塑性指数I _P =12.6，液限W _L =22.3%，塑限W _P  =9.7%，最优含水量w _OP =11.1%，最大干密度ρ_dmax=1.94g/cm ³。心墙土料质量m=200g，含水率w=5%，干密度ρ=1.82 g/cm³，击实后的厚度h=2.00cm。其颗粒级配曲线如图5所示，心墙料的颗粒级配表如下：

   

在制备试验土样时，心墙料层3-4上的裂缝3-5需要人为制备。选用直径2mm，其一端消磨成锥形的钢丝为裂缝3-5制备工具。裂缝3-5为圆柱形，直径2mm，深度20mm， 裂缝3-5贯穿心墙上下游面。还可采用其他不同形状的固体制备不同形状的裂缝3-5。

试验方案：

试验起始压力为0.3MPa，然后每隔30分钟增加0.1MPa，直至0.5MPa。

由此得到的试验压力、历时及流量关系表见表1；流量-历时关系曲线如图6所示。

表1 试验压力、历时及流量关系表

 

从图6可知，在水压0.3MPa下，流量刚开始成直线上升趋势，此过程持续约1分钟。并观察到很混浊水从试样底部喷出，速度很快。通过流量-历时关系曲线和试验现象分析，心墙裂缝3-5成为集中渗漏的通道。

仍然是在水压0.3MPa下，当流量上升至20ml时，便开始直线下降，并观测到从试样底部喷出的水补给更为混浊，且伴有土粒。之后，流量快速减小，渗出水逐渐变清，结合流量-历时关系曲线和试验现象分析，可知裂缝3-5开始发生自愈合现象。

之后每半个小时加压0.1MPa，直至0.5MPa。期间流量时小时大，有时导管出口滴清水，有时导管出口流出混浊的泥水，说明心墙裂缝3-5发生了渐进性侵蚀破坏。但流量始终没有再次突然增大，表明裂缝3-5自愈合没有再次扩展。

 

实施例2：

试样由3种土料分5层制备，从下至上，分别是过渡层3-2、反滤层3-3、心墙料层3-4、反滤层3-3和过渡层3-2。

过渡层3-2采用粗砂，其参数为：0.5～2mm的土料，土质量m=200g，含水率w=4%，击实后的厚度h=2.00cm。

反滤层3-3的反滤料参数为：土质量m=200g，含水率w=4%，干密度ρ_d=1.89g/cm3，击实后的厚度h=1.91cm；其颗粒级配曲线如图7所示，反滤层颗粒级配表如下：

心墙料层3-4的参数为：土粒比重G_S=2.74，塑性指数I_P=12.6，液限W_L =22.3%，塑限W_P =9.7%，最优含水量W_OP=11.1%，最大干密度ρ_dmax=1.94g/cm3。心墙土料质量m=200g，含水率w=8%，干密度ρ=1.88g/cm3，击实后的厚度h=1.92cm。其颗粒级配曲线如图8所示，心墙颗粒级配表如下：

 

在制备试验土样时，心墙裂缝3-5人为设置。选用直径2mm，其一端需消磨成锥形的铁丝。当把心墙料压实后，用此铁丝的锥形端插入心墙内，插入深度为19.2mm。裂缝3-5的形式是贯穿心墙上下游面。

试验起始压力为0.3MPa，然后每隔30分钟增加0.1MPa，直至0.5MPa。

试验压力、历时及流量数据见表2；试验流量-历时关系曲线如图9所示。

 

表2 试验压力、历时及流量关系表

从图9可知，在水压0.3MPa下，流量刚开始成直线上升趋势，此过程持续约1分钟。并观察到很混浊水从试样底部喷出，速度很快。通过流量-历时关系曲线和试验现象分析，心墙裂缝3-5成为集中渗漏的通道。

仍然是在水压0.3MPa下，当流量上升至17ml时，便开始直线下降，并观测到从试样底部喷出的水补给更为混浊，且伴有土粒。之后，流量快速减小，渗出水逐渐变清，结合流量-历时关系曲线和试验现象分析，可知裂缝3-5开始发生自愈合现象。

之后每半个小时加压0.1MPa，直至0.5MPa。期间流量时小时大，有时导管出口滴清水，有时导管出口流出混浊的泥水，说明心墙裂缝3-5发生了渐进性侵蚀破坏。但流量始终没有再次突然增大，表明裂缝3-5自愈合没有再次扩展。

 

实施例3：

试样由3种土料分5层制备，从下至上，分别是过渡层3-2、反滤层3-3、心墙料层3-4、反滤层3-3和过渡层3-2。

过渡层3-2采用粗砂，其参数为：0.5～2mm的土料，土质量m=200g，含水率w=4%，击实后的厚度h=2.00cm。

反滤层3-3的反滤料参数为：土质量m=200g，含水率w=4%，干密度ρ_d=1.83g/cm3，击实后的厚度h=1.97cm；其颗粒级配曲线如图10所示，反滤层颗粒级配表如下：

心墙料层3-4参数为：土粒比重G_S=2.74，塑性指数I_P=12.6，液限W_L =22.3%，塑限W_P =9.7%，最优含水量W_OP=11.1%，最大干密度ρ_dmax=1.94g/cm3。心墙土料质量m=200g，含水率w=11%，干密度ρ=1.94g/cm3，击实后的厚度h=1.86cm。其颗粒级配曲线如图11所示，心墙颗粒级配表如下：

 

在制备试验土样时，心墙裂缝3-5人为设置。选用直径2mm，其一端需消磨成锥形的铁丝。当把心墙料压实后，用此铁丝的锥形端插入心墙内，插入深度为18.6mm。裂缝3-5的形式是贯穿心墙上下游面。

试验起始压力为0.3MPa，然后每隔30分钟增加0.1MPa，直至0.5MPa。

试验压力、历时及流量关系表见表3；试验流量-历时关系曲线如图12所示。

表3 试验压力、历时及流量

实施例3中观察到的现象是刚加压时，水较快渗入第一层粗砂和上层反滤层，然后渗透速度变慢。经过半个小时后，压力从0.3MPa增加到0.4MPa，水才慢慢开始渗透心墙，其速度很慢，于是半个小时后，再次加压，压力增加到0.5MPa，导管内流出混浊泥水，且流速较快，说明裂缝3-5发生了扩展。

当流量上升至2ml时，变瞬间直线下降至0.5ml，说明心墙裂缝3-5已经自愈合。

比较3个实施例，前2个实施例的结果相似，第3个实施例与前2个不同，一开始并未出水，究其原因，有如下3点：

1）与心墙的级配有关：心墙里小于0.075的土有70g，占心墙土的总量35%，导致心墙密实度较好，也就是说心墙的密实度好，其防渗性也会提高，这对大坝的安全有利。在实际工程中，就应该想办法并采取措施提高心墙的密实度。

2）与心墙的含水率有关：实施例3中，心墙含水率是11%，十分接近最佳含水率，心墙土样差不多已经饱和，使水不易渗透，也就是说，当心墙的含水率接近于其心墙材料的最佳含水率时，能有效控制裂缝3-5发生扩展。这个理论在建设大坝时可以用于参考。

3）与心墙的密实度有关：实施例3中由于ρ_dX=1.94 g.cm-3，所以心墙高度为1.86cm，这样就需要击实很多次才能达到1.86cm，但对心墙击实多次后，会对心墙下层的反滤层和垫层的密实度有影响。

综上所述，根据本发明方案，可得到对大坝的安全最有利的心墙料和反滤料的颗粒级配、心墙厚度、心墙含水率、水压力等因素的具体参数的最佳范围，这些参数的最佳范围可以作为大坝设计或施工时的首选。

实验结果还证明，非饱和状态时的快速蓄水对刚建成的大坝不安全：快速蓄水容易形成水力劈裂，进而对大坝的安全不利。然而通常情况下，大坝施工时或竣工后投入运行前，心墙土体都是出于非饱和状态。如果这时库水位突然升高或是大坝快速蓄水，对大坝都是很不利的。在实际工程中，应注意控制蓄水的速度和防止库水位突然升高。

本发明除了对大坝的建设、设计有重要意义外，还对已经在运行的病险土石坝的加固处置有很重要意义：病险土石坝大多数都是由心墙裂缝3-5持续扩展所致，加固病险土石坝有一个途径就是让其心墙裂缝3-5自愈合或是堵塞。在实际工程中，通常是采用坝体灌注粘土浆加固技术，即将粘土浆或粘土水泥浆液用一定的压力灌入裂缝3-5。通过本发明做试验和分析试验结果，得到对大坝安全最有利的心墙料和反滤料的颗粒级配情况。当采用灌浆加固技术时，可将对大坝安全有利的颗粒级配情况作为参考，配合出适合大坝的粘土浆或粘土水泥浆液。结合前述理论，还可以通过控制库水位的高低（即水压力的大小）来保护大坝的安全。

在加固病险土石坝时，有时由于情况紧急，需要对渗漏严重的部分先处理。通过本发明做试验和分析试验结果，能知道对大坝最不利的裂缝3-5类型或形态。在实际的抢修病险土石坝工程中，渗漏最严重的部分存在对大坝最不利的裂缝3-5类型或形态，这时将试验得出的结论与现场的情况相结合，便能做出一个较好的处理措施。

Claims (2)

1.一种土石坝心墙裂缝自愈合的试验装置，其特征在于：它由高压水发生装置（2）、渗流装置（3）和测量装置（4）组成；其中，渗流装置（3）由密封容器（3-1）、过渡层（3-2）、反滤层（3-3）和心墙料层（3-4）组成，过渡层（3-2）、反滤层（3-3）和心墙料层（3-4）在密封容器（3-1）按如下顺序从上至下排列：过渡层（3-2）-反滤层（3-3）-心墙料层（3-4）-反滤层（3-3）-过渡层（3-2）；心墙料层（3-4）上预置有裂缝（3-5）；高压水发生装置（2）的出水口与密封容器（3-1）上部连接，测量装置（4）与密封容器（3-1）下部的出水口连接。

2.一种基于土石坝心墙裂缝自愈合的试验装置的试验方法，其特征在于：试验步骤如下：1）设计心墙料层（3-4）和反滤层（3-3）的颗粒级配，将过渡层（3-2）、反滤层（3-3）和心墙料层（3-4）分层压实；其中，心墙料层（3-4）上设置有裂缝（3-5），

2）采用高压水发生装置（2）从上部向渗流装置（3）加高压水，逐级增加高压水的压力，在每级压力下，保持相同时间；

3）记录每级压力下，测量装置（4）中来自渗流装置（3）的渗出水量；

4）计算每级压力下，单位时间内的渗出水流量；

5）改变心墙料层（3-4）和反滤层（3-3）的颗粒级配、裂缝（3-5）类型，心墙料层（3-4）含水率，心墙料层（3-4）干密度，反滤层（3-3）干密度，重复步骤1）至4）；

6）将实验结果制作成压力、历时及流量关系表，以及流量-历时关系曲线，根据压力、历时及流量关系表和流量-历时关系曲线对不同条件下的裂缝（3-5）愈合条件进行分析。

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