考虑流变和HM耦合效应的高土石坝心墙细观破坏机理研究

目前我国高土石坝的建设正处于一个高峰时期，一批300米级的高心墙堆石坝（如双江口、两河口、糯扎渡等）正在建设或即将开工建设。但是事关高土石坝结构安全和正常运行的核心问题- - 防渗心墙的水力劈裂破坏机理、数值模拟方法，至今国内外还没有成熟的研究成果。现有研究成果表明，仅仅采用基于连续介质小变形理论的宏观数值模拟方法不足以完全揭示心墙颗粒体材料的水力劈裂破坏机理。本项目依托武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，考虑心墙所处的复杂环境- - 即随时间变化的附加流变变形和蓄水过程带来的渗流-应力耦合作用，采用颗粒材料的组构理论和细观随机不连续变形方法研究心墙防渗体的细观应力变形过程和追踪水力作用下心墙的劈裂过程；同时结合大型室内三轴试验，验证细观数值模拟结果。研究成果可为300米级高堆石坝的设计提供技术储备，并推动我国高堆石坝的设计和研究工作。

目前我国高土石坝的建设正处于一个高峰时期，一批300米级的高心墙堆石坝（如双江口、两河口、糯扎渡等）正在建设或即将开工建设。但是事关高土石坝结构安全和正常运行的核心问题——防渗心墙的水力劈裂破坏机理、数值模拟方法，至今国内外还没有成熟的研究成果。现有研究成果表明，仅仅采用基于连续介质小变形理论的宏观数值模拟方法不足以完全揭示心墙颗粒体材料的水力劈裂破坏机理。本项目依托武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，采用二维颗粒流方法建立了简化的心墙坝上游坝壳堆石体的初次浸水细观模型，探讨了浸水过程中的浮托力、水的润滑作用以及软化作用对堆石体沉降变形的影响，计算结果表明：1）由于堆石体在施工期发生的变形大多为塑性变形，存储于堆石体中的应变能较少，在浮托力的卸载作用下，堆石体的回弹变形较小，可以忽略不计，但浮托力能明显降低堆石体的应力水平；2）水的润滑作用能够引起颗粒重排列，进而形成沉降，但是仅在湿摩擦角足够小的情况下，才能出现较为可观的沉降量，故实际工程条件下水的润滑作用并不是堆石体浸水沉降的主要原因；3）水的软化作用能够引起颗粒的破碎，填充空隙，进而形成沉降，且在合理的软化系数下即表现出可观的沉降量，因此水的软化作用是浸水沉降的主要原因。在心墙坝上游坝壳堆石体的初次浸水细观模型的基础上，本项目采用颗粒离散元建立了考虑渗流-应力（HM）耦合效应的心墙水力劈裂颗粒流模型，从细观层面模拟了心墙水力劈裂的发生及扩展过程，并将模型中产生连通上下游的贯穿性裂缝作为判别水力劈裂发生的依据。根据模拟结果得出，水力劈裂发生的主要原因是心墙在高水力梯度作用下形成的水楔效应导致了心墙内裂缝尖端区的张拉破坏，即破坏的主要力学原因是由于心墙中的张拉应力超过了土体的抗拉强度，并且破坏面近似垂直于σ1的作用方向，这表明水楔效应降低了心墙内原有的σ1，当该值小于或接近心墙上游面的外水压力时心墙将会发生水力劈裂。此外，由于模型在发生水力劈裂破坏的过程中法向粘结破坏的数目随着时步不断增加，切向粘结破坏却始终未发生，进一步证明了水力劈裂的破坏形式属于法向张拉破坏。本项目的研究成果可为 300 米级高堆石坝的设计提供技术储备，并推动我国高堆石坝的设计和研究工作。