第４３卷第２期 ２０１７年２月 水力发电 沥青混凝土水力劈裂的细观机理研究 武利强 ，王 良 ，章晓桦 ，朱 晟 （１．浙江省水利河口研究院，浙江杭州３１００２０； ２．河海大学水工结构研究所，江苏南京２１００９８） 摘要； 以基于离散单元法的二维颗粒流程序（ＰＦＣ 。）为平台，建立可模拟沥青混凝土水力劈裂的数值模拟方法， 深入研究沥青混凝土水力劈裂机理。该方法可模拟水力劈裂裂缝出现、扩展直到破坏的全过程。在此基础上，对沥 青混凝土水力劈裂的细观机理和发生条件进行了研究。水力劈裂为拉伸破坏，细观机理为颗粒间法向接触力（拉力） 超过法向粘结强度时，产生微裂缝，导致渗透系数增大，水压力急剧增长，从而激发更多微裂缝产生，直至微裂缝 贯通形成宏观裂缝。发生条件为存在弱接触面区，有利于微裂缝的产生，而微裂缝产生后又可诱发更多裂缝产生直 至贯通形成宏观裂缝。 关键词：离散单元法；沥青混凝土；水力劈裂；细观机理；发生条件 Ｋｅｙ Ｗｏｒｄｓ：ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｅｌｅｍｅ ｎ ｔ ｍｅｔｈｏｄ；ａｓｐｈａｌｔ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｆａｃｔｕｒｅ；ｍｅｓｏ－ｍｅｃｈａｎｉｓｍ；ｏｃｃｕｒｒｅｄ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ． ．０一一 ０ 究，不管是物理实验还是数值模拟及理论分析，多 是从宏观的、基于现象学的角度进行研究，难以从 本质上考虑水力劈裂过程中的非连续性及动态发展 过程。 本文采用基于离散元原理的ＰＦＣ 。（二维颗粒流 ０引 言 水力劈裂是土石坝破坏的主要因素之一，挪威 Ｈｙｔｔｅｊｕｖｅｔ坝…、英国Ｂａｌｄｅｒｈｅａｄ坝 、美国Ｔｅｔｏｎ 坝” 的失事均与水力劈裂密切相关。关于水力劈裂 机理，目前有张拉破坏和剪切破坏两种说法 ，尚 程序）软件，建立了一套能够研究沥青混凝土水力劈 收稿Ｅｔ期：２０１６—０７—１９ 基金项目：国家自然科学基金项目（５１６０９２１５）；浙江省水利河 口研究院博士后基金项目（质检Ａ１５００１） 作者简介：武利强（１９８５一），男，河北石家庄人，工程师，博 士，研究方向为水工材料． 无统一说法。另外，关于水力劈裂的研究大多以粘 土、岩体等为对象 ，沥青混凝土水力劈裂的研究 则鲜见报道。随着沥青混凝土心墙高坝的增多，沥 青混凝土心墙是否会发生水力劈裂已成为一个非常 迫切需要研究的课题。然而，目前对水力劈裂的研 Ｗａｔｅｒ Ｐｏ Ｖｏ１．４３ Ｎｏ．２囫 裂的数值模拟方法。该方法能够从细观角度考虑水 力劈裂过程的非连续性和裂缝的动态扩展性，为水 力蜉裂研究提供ｒ一种新的方法和工具。在此琏础 Ｊ ，研究＿ｒ沥青混凝土水力劈裂的细观机理和发生 条件 ． 式中，Ｋ 为流体体积模量；Ｖ，为流体域单元体积； ＡＶ，，为流体域 已力学机理意义 的体积变化 １．３流固耦合机理 流 耦合的ｌ小质为流 问的卡ｕ互作用，最终表 现 力 ｊ位移上，具体为：① 粒接触力的变化， 引起颗粒之『ｎ】距离ｎ的变化，进ｌ 影响流ｌ｝Ｉ｝ｑ；②流 旦３＿ｔ ｑ变化，卡｝Ｉ邻流体域 兀问压力差的变化，进 １．１ 材料的力学模型 沥青混凝土组成成分包括沥青、骨料及孔隙等， 不同组分力学性质差别较大， 此，不同 分应采 取不同的力学模型表征 本文将沥青混凝土假定为 卞ｆＩ材料，即粗骨料、沥青玛蹄脂及孔隙．．各卡［Ｉ材 影响流体域 元的流休 Ｊ；③流体域 Ｊ亡的流体 压力作Ｊ闩于乡¨成域单元的颗粒Ｊ ，从而改变颗粒接 触ｊ３犬，＼、 １．４模型参数 参数确定方法为怀定系数法，即将数值模拟试 验｝｝｝Ｉ线和实际物删试验曲线进行拟合，当＿＿＿Ｉ 一致 料的力学模型 分别为①骨料颗粒之『ＨＪ采川线性接 触刚度模型、滑动模型；②沥青 ５蹄脂之Ｊ１＝ＩＪ、沥青 马蹄脂与骨料颗粒之川采用Ｂｕｒｇｅｒ’ｓ模型、接触粘结 模型和滑动模型． 、时的模型参数即代表＿ｒ陔种材料的参数．．为此，特 选取单轴压缩试验和常舰三一轴压缩试验，试验』Ｉ１料 为三峡茅坪溪沥 混凝土心端料，沥占混凝土最人 粒径为２０ ｍｉｌｌ，级配指数为０．３５（ ２），沥 用 １．２ 流体模型 流体模型以沥青混凝土模型为基本框架，添ＪＪｌ ｌ量６．５％，孔隙率１．４１％，试样， ｔ为０Ｍ０ Ｉ＇ｌｌＩｎ×８０ 流体域 元，流体域单元可以储存流体，相邻流体 域 元之问的流体交换符合流体流动方程。 几何上，流体域单元是吲体颗粒相互连接构成 ｌｎｌｎ，数值试样见陶３ ．曲线拟合结果见 ４．参数 取值见表１和表２ 求陋衄 露 梨 Ｏ ８ ６ ４ ２ ÷ 的封闭区域；力学上，流体域单元内具有流体压力， ｆ１．在该封闭区域Ｉ大Ｊ均匀分布，流体压力直接作川在 构成该流体域单元的固体颗粒上，如图Ｉ ａ所示 同流体域单７ 之间，通过“管道”进行流体交换（如 图１ ｌＪ所示），“管道”内流体运动符合流体运动方 程，“管道”长度为 ，即两流体域单元形心之『日ｊ的 距离，宽度为。，即裂缝宽度。沥青混凝土出于孑Ｌ 隙很小，材料粘性较大，因此流体的速度较小，为 图２粒衽／ｍｍ 集料级配曲线 层流状态，则流体流动符合立方定律，流动方程为 ｑ：ｋｎ Ａ ｐ Ｌ （１） 式中，ｋ为水力传导系数；Ａｐ为压强差；Ｌ为“管 道”长度；ｎ为“管道”宽度。 一个时步内，流体压力的变化值为 ＡＰ （∑ｑ△￡一ＡＶ ） （２） ａ流体域 元及力学机理 ｂ不同流体域单元之间流体交换机理 图１ 流体域单元力学机理 图３沥青混凝土数值试样 第４３卷第２期 武利强，等：沥青混凝土水力劈裂的细观机理研究 冈 ＯＯ ５０ Ｏ０ ５０ ．０．０ ２．０ ４．０ ６ ０ ８．０ １０．０ Ｒ缩应变 ａ单轴压缩试验 ｌ ６０ 日ｌ ２０ 山 至ｏ－ｓｏ 喾０．４０ ０ ０ ４０ ８．０ ｌ２．Ｏ ６ Ｏ 轴向应变 ｂ三轴试验 图４应力－应变试验曲线拟合 表１ 力学模型参数 Ｃ铐裂前数位试样 图５ 沥青混凝土水力劈裂试验 本文并小是完全定量研究，更多的是对劈裂机理的 研究， 此存在一定的误差是可以接受的。 ２。２．２ 水力劈裂机理 ＩｌＩ【皋Ｊ ５ｄ可知，裂缝走向不规则，基本沿骨料和 沥青结合面分布，这与粘土劈裂不同，粘土试样中， 表观体积 连接域单元的 传导系数 水体积 管道初始时步／ ．裂缝走向基本呈直线或折线…。原冈是粘土材料比 较均一，而沥青混凝土是典型的多相复合体，骨料 和沥 的刚度相差较大，因此在结合面易产生应力 集中脱象， 骨料一般不会破碎， 此裂缝易沿着 ／ｎＩｌ１ｌ 平均管道数Ｎ ｋ／ｃｍ・ｓ 模一Ｅ１．（－Ｐａ宽度／ｍｍ ｓ ２水力劈裂分析 ２．１ 试验过程 试验川料为茅 溪沥青混凝｛：心墙料，试样直 结合断分布。 ＰＦＣ２Ｊ＠３．１ｎ ，８姊：￥０３１１￣：０ｄ：１６蛳ｎＭａｒ∞∞” 为ｌＯ０ Ｉｌｌｎｌ，岛度为２００ Ｉ＇ｌｌＩｌｌ ．待试样往规定的温 度 养护４８ ｈ后，在试样的一端中心处采用立钻钻 孔，孔径为２０ ＩｌｌＩ１１，孔深为ｌ６０ ＩｌｌＩＩ１。在无围压的情 况｝ 进行水力劈裂试验，劈裂前后试样见图５。 ＇４‘．●强一５∞ ２ ６．４１３４１Ｑ￣２ ，／一一＿＿—＿＼＼ Ｆ１ＳＨ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｃｒｋ ｉｔｅｍ ＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＣ ｃｋｓ ２．２试验结果分析 ２．２．１ 与物理试验结果比较 物理试验尢围压情况下，劈裂压力为１．２０ ＼№－髓ｅ＊翻抽 Ｏ￣ｏｏｐ，－｜ｃ ■●■哺ＭＮ ＵＢ＾ ＭＩ ａ，数值模拟的劈裂压力为１．１０ ＭＰａ。模拟值与 试验值差别的主要原因是奉文假定颗粒之问密集接 触，一定程度Ｌ弱化＿『初始孔隙的影响，使试样干 ／ 崭度比实际值偏大，因此模拟值比实际值偏大，而 图６水力劈裂微裂缝破坏类型 譬 ≥ 爱 ｕ蠢 … ９０ 舅 ＼＼ ／ ／ 、＼ ／ ■彝≮ 筹 ＿ ＼ ／ ：／一 —＼＼、 ０ ０ 莹 ＼ 曩 一 ＼ ／／／ －“／／ ／／ ＼ ——一一 ／ ／３１５ ２７０ ｊ ｝２２５ ＼ 、～ 一 ／ ／３ ２７０ 澳Ｉ量圆布鬣位置 ｂ测量圆ＩＶ ｃ Ｉ量圆Ｉ１ 图７初始法向接触力均值分布 颗粒之间粘结破坏后形成一个微裂缝，拉伸破 坏的微裂缝标记为细短线，剪切破坏的微裂缝标记 为粗断线，见图６。可见，沥青混凝土水力劈裂微 裂缝绝大部分为拉伸破坏，微裂缝贯通后即形成宏 观裂缝。至此，沥青混凝土水力劈裂的细观破坏机 理可表述为：颗粒间的法向接触力（拉力）超过法向 入式（３），可得渗透系数Ｋ的表达式 Ｋ＝ｋａ （４） 由式（４）系数Ｋ的大小与ｋ、ｎ、ｙ有关，ｋ、 为流体的固有属性，劈裂过程中保持不变，因此影 响 的主要因素是。。微裂缝产生后，ｎ将变大，则 将呈平方式的增长，水压力也会相应增长，从而 粘结强度，在颗粒之间形成微裂缝，当微裂缝贯通 后，试样即发生水力劈裂破坏。 激发裂缝附近产生更多裂缝，形成连锁反应，最终 形成贯通的宏观裂缝。 ２．２．３ 水力劈裂发生条件 由水力劈裂机理可知，微裂缝的破坏基本是拉 ４结论 伸破坏，因此，颗粒间的法向接触力是一个重要指 标。为进一步研究劈裂的发生条件，测量了劈裂试 样不同尺度范围内法向接触力均值，测量范围及结 果见图７。图７ｂ为测量圆ＩＶ（整个试样范围）内法向 （１）沥青混凝土水力劈裂为拉伸破坏，细观机 理为：颗粒间法向接触力（拉力）超过法向粘结强度 时，产生微裂缝，导致渗透系数增大，水压力急剧 增长，从而激发更多微裂缝产生，直至微裂缝贯通 形成宏观裂缝。 接触力均值分布，最大值为２．９６ ｋＮ，最小值为 ２．４９ ｋＮ，相差１５．８％；图７ｃ为测量圆ＩＩ（局部范 （２）沥青混凝土水力劈裂发生条件为：试样存 在弱接触面区，当水压足够大时，微裂缝首先在这 些区域形成。一旦形成，就会发生连锁反应，直到 宏观裂缝形成，劈裂破坏为止。 围）内的法向接触力分布，最大值为３．０１ ｋＮ，最小 值为１．６６ ｋＮ，相差４４．８％。两个测量范围内，法 向接触力均值在２５。～４５。、１０５。～１３５。和１８０。～ ２２５。范围内低于其他范围的值，尤其在局部小范围 内，此现象更加明显。这些区域即通常意义的弱接 触面区，图７ｄ显示劈裂裂缝的位置与弱接触面的位 置是一致的。 参考文献： ［１］ＫＪＡＥＲＮＳＬＩ Ｂ，ＴＯＲＢＬＡＡ Ｌ．Ｌｅａｋａｇｅ ｔｈｒｏｕｇｈ Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ Ｃｒａｃｋｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｃｏｒｅ ｏｆ Ｈｙｔｔｅｊａｖｅｔ Ｄａｍ［Ｒ］．Ｎｏｗｒｅｇｉａｎ Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ｏｓｌｏ，Ｎｏｒｗａｇ，１９６８：３９—４７． 水力劈裂试验中，随着水压的逐步增大，试样 的应力状态由初始的受压逐渐变为受拉，当拉应力 大于法向粘结强度时，粘结破坏，微裂缝出现。显 然，弱接触面区成为最早产生微裂缝的区域。而微 裂缝的产生将使渗透系数急剧增大。由达西定律知： ｑ＝ＫＦＡｈ／Ｌ （３） ［２］ＶＡＵＧＨＮＡ Ｐ Ｒ，ＫＬＵＴＨ Ｄ Ｊ，ＬＥＯＮＡＲＤ Ｍ Ｗ，ｅｔ ａ１．Ｃｒａｃｋｉｎｇ ａｎｄ Ｅｒｏｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ Ｒｏｌｌｅｄ Ｃｌａｙ Ｃｏｒｅ ｏｆ Ｂａｌｄｅｒｈｅａｄ Ｄａｍ ａｎｄ ｔｈｅ Ｒｅｍｅｄｉａｌ Ｗｏｒｋｓ Ａｄｏｐｔｅｄ ｆｏｒ Ｉｔｓ Ｒｅｐａｉｒ［Ｃ］／／１０ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｇｒｅｓｓ ｏｎ Ｌａｒｇｅ Ｄａｍｓ，Ｍｏｎｔｒｅａｌ，Ｃａｎａｄａ，１９７０：７３—７９． ［３］ＳＥＥＤ Ｈ Ｂ，ＤＵＮＣＡＮ Ｊ Ｍ．Ｔｈｅ Ｔｅｔｏｎ Ｄａｍ Ｆａｉｌｕｒｅ，Ａ Ｒｅｔｒｏｓｐｅｃｔｉｖｅ Ｒｅｖｉｅｗ［Ｃ］／／Ｐｒｏｅｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ｌＯｔｈ ＩＣＳＭＥＦ，１９８１：２１９－２３８． ［４］ＪＡＷＯＳＫＩ Ｗ，ＤＵＮＣＡＮ Ｊ Ｍ，ＳＥＥＤ Ｈ Ｂ．Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｈｙ— ｄｒａｕｌｉｃ ｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｉｖｉ— 式中，Ｋ为渗透系数；Ｆ为过水断面；Ａｈ为渗流路 径上的水头损失，大小为ＡＰ／Ｔ；Ｌ为渗流路径长度。 联立式（１）并将Ｆ＝ａｔ（其中，ｔ为单位长度）代 ｓｉｏｎ，１９８１，１０７（６）：７１３．７３２． （下转第５９页） ．ｒｕ世 ‘州 口 惩干：Ｊｕｕ…与Ｄ‘，兀．１４、 罔，比 上ｕ｜Ｕ似驭觥’匝１＝］ 吸 Ｉ １丌 露 哺蓬 钢筋混凝土 面板堆石坝 坝坡稳定，坝体变形控制 ＮＮＮ￣，…… ，下游 分隧杂、材料种类较多相对庞大 星 善 据坝体填筑分区情况确定 度及颗粒级配没有严格要求 强 浇筑式沥青 混凝土面板 除垫层料、主堆石料遵照面板堆 石坝要求外，任意料对岩性、强 胶凝堆石坝 占用场地较小。并且在运行期，胶凝堆石体不存在 流变变形问题。 准尚没有形成统一的规范，致使这一坝型在工程实 际中的运用受到，一般仅仅用在围堰工程上， 没有发挥它应有的工程优势和效益。应进一步研究 ７ 结语 在高应力和高水头条件下胶凝堆石材料的应力变形 （１）浇筑式沥青混凝土面板胶凝堆石坝集胶凝 堆石材料与沥青混凝土的优势于一身，与普通的混 特点以及耐久性问题，使之在３００ ｉｎ级面板堆石坝 工程上尽快得到实际应用。 凝土面板堆石坝相比，具有结构形式简单、充分利 用当地材料、坝体不存在流变变形、合理利用建坝 材料的性能等特点，同时具有工程量省、节约工程 投资、施工速度快、临建规模相对较小、建设工期 相对较短、对环境友好等优点，是３００ ｎｌ级面板堆 石坝理想的新型结构形式，非常适合于在大江大河 上游的高寒地区、深山峡谷中兴建龙头水库大坝。 目前，由于胶凝堆石料、浇筑式沥青混凝土面板在 参考文献： ［１］马洪琪，曹克明．超高面板堆石坝的关键技术问题［Ｊ］．水利水 电施工，２００８（１）：１１－１６． ［２］杨泽艳，周建平．我国特高面板堆石坝的建设与技术展望［Ｊ］． 水力发电，２００７（１）：６４—６８． ［３］高莲士，宋文晶，汪召华．高面板堆石坝变形控制的若干问题 ［Ｊ］．水利学报，２００２（５）：３—８． ［４］何蕴龙，彭云枫，熊垄．Ｈａｒｄｆｉｌｌ坝筑坝材料工程特性分析［Ｊ］． 水利与建筑工程学报，２００７，５（４）：１—６． ［５］ＤＬ／Ｔ５４１１—２ＯＯ９．土石坝沥青混凝土面板和心墙设计规范［Ｓ］． 北京：中国电力出版社，２００９． ［６］杨杰，蔡新，郭兴文．基于强度试验的胶凝堆石材料破坏准则 ［Ｊ］．水利水电科技进展，２０１３（２）：４７—５０． 坝高超过１００ １ＴＩ的高坝上使用经验较少，没有形成 胶凝堆石坝完整的设计理念，了这两种有着优 良性能的材料在超高面板坝上的应用。因此，突破 传统观念，推动浇筑式沥青混凝土面板胶凝堆石坝 的建设，是坝工界广大科技工作者的责任。 （２）胶凝堆石材料与常规堆石料相比，虽增加 了胶凝材料用量，使填筑坝料的单价上升，但由于 大坝体积减小，总工程量降低，还可充分利用软岩 与开挖弃渣料等普通面板堆石坝不能利用的废料筑 ［７］孙明权，杨世锋，柴启辉．胶凝砂砾石坝基础理论研究［Ｊ］．华北 水利水电大学学报，２０１４（２）：４３．４６． ［８］ＤＬ／Ｔ５０１６－－２０１１混凝土面板堆石坝设计规范［Ｓ］． ［９］张岩，燕乔，卢威，等．中国３００ｍ级超高面板胶结堆石坝的发 展前景［Ｊ］．水电能源科学，２０１０（６）：６７—６８． ［１０］张燕．浇筑式沥青混凝土施工工艺研究［Ｊ］．交通世界，２０１２ （１５）：２１４—２１５． 坝，节省了坝料开采工程量和费用，其总体造价仍 低于普通面板堆石坝。 （３）在我国，目前由于对胶凝堆石坝的设计方 法、安全评价方法、施工方法以及工程质量控制标 牛・寺－夺・孛・牵・夺 （责任编辑－王 琪） ４＞・夺・÷・夺・夺 （上接第５０页） ［５］孙亚平．水力劈裂机理研究［博士学位论文［Ｄ］．北京：清华大 学，１９８５． ［７］孔宪勇．土石坝心墙料水力劈裂特性试验研究［Ｄ］．武汉：长江 科学院，２００９． ［８］万连宾，朱晟．沥青混凝土轴心受压试验的计算机辅助方法应用 ［Ｊ］．水力发电，２０１４，４０（４）：４６－４９． ［６］曾开华．土质心墙坝水力劈裂机理及影响因素的研究［Ｄ］．南 京：河海大学，２００１． （责任编辑王 琪） 水电事业 阢ｆｅ， ｅｒ Ｖｏ１．４３ Ｎｏ．２圈
