沥青混凝土在剪胀条件下的水力劈裂模型试验研究

曹 岩，郝巨涛，汪正兴，鲁一晖

（中国水利水电科学研究院 结构材料研究所，北京 100038）

1 研究背景

工程界最早是在1960年代的基础劈裂灌浆实践中了解水力劈裂的。1970年代起，土石坝的水力劈裂问题逐渐引起工程界的重视，特别是1976年美国坝高126.5m的Teton宽心墙土石坝发生溃决，经调查是由于右岸基岩截渗齿槽内的粉砂土体发生水力劈裂引发土体管涌造成的，且水力劈裂与槽内土体的拱效应有关，并提出水力劈裂发生在土的抗拉强度与最小主应力之和小于静水压力的区域[1]。

对于心墙水力劈裂黄文熙[2]曾指出，如果心墙某点上的主应力与土的抗拉强度之和小于该点处的孔隙水压力，心墙就将因水力劈裂产生水平或竖向裂缝。然而，Jaworski等[3]用均匀试样并模拟心墙上游面条件进行的试验，却未能使水力劈裂发生，表明黄文熙给出的条件并不一定充分。对此Sherard[4]注意到当库水位仅比潜在的水力劈裂面高出1～2 m时就可能进入防渗体，而不是原先人们以为的必须高出许多才能进入，并指出其原因是，土质防渗体含有许多施工中产生的裂缝，尽管这些裂缝在上覆坝体自重下挤压闭合，但仍是闭合的裂缝，一旦水压力大于土压力库水就会进入这些闭合的裂缝，并开始水力劈裂的进程。库水进入裂缝几厘米后，水压力就作用在最小抗力面（缝面），如果水压力继续增大就会楔开裂缝，产生水力劈裂。因此以后人们推测，防渗土体的内部缺陷（如闭合裂缝）也可能是导致水力劈裂发生的一个条件。对此，张丙印等研制了一个含有渗透软弱面的土料水力劈裂试验装置并进行了试验，试验表明，当在土样内存在初始的渗透软弱面时，水压力的升高可以诱导发生水力劈裂，并认为除了堆石体对心墙的拱效应可减小心墙的竖向应力，增加其发生水力劈裂的可能性外，在土石坝心墙中可能存在的渗水弱面以及在水库快速蓄水过程中所产生的弱面水压楔劈效应，是心墙发生水力劈裂的另一个重要条件[5]。

随着筑坝技术的发展，沥青混凝土心墙堆石坝坝高已达到100 m以上，如挪威的Storglomvatn坝坝高128 m，我国四川的冶勒坝坝高125.5m等[6]。在高沥青混凝土心墙堆石坝的建设中，沥青心墙的水力劈裂问题不时引发人们的关注。

2 现状分析

沥青混凝土与防渗土料相比明显不同。当土体填筑含水量为10%时，其孔隙率可达20%～30%，土体中的孔隙水可以形成连续分布的静水压力。而沥青混凝土孔隙率很低，一般小于3%，加之沥青本身憎水，其内部无法形成连续分布孔隙水压力。另外10℃时的沥青黏度已经大到无法量测，已有试验证实，水压力通过沥青传递压力的可能性也微乎其微。由于孔隙水压力及其压力传递这一主要先决条件不存在，沥青混凝土的水力劈裂一般可以不考虑[7]。然而工程建设中对于沥青混凝土的水力劈裂仍很慎重。三峡茅坪溪沥青混凝土心墙坝建设时认为，当沥青混凝土模量数低于400时，应用黏土心墙水力劈裂判据，即心墙竖向应力小于或等于相应处水压力，心墙拱效应明显，可能产生水力劈裂。但沥青混凝土具有一定的抗拉强度，需论证沥青混凝土的水力劈裂条件及裂缝自愈能力[8]。参照国内外钻孔压水水力劈裂试验成果，进行了厚壁空心圆筒水力劈裂试验和圆形平板水力劈裂试验。圆筒水力劈裂试验在高压三轴仪上进行，通过施加内外水压力研究水力劈裂条件。结果表明，沥青混凝土厚壁筒在一定内外压差、并产生一定径向变形后会产生水力劈裂，且均为径向水力劈裂。圆形平板水力劈裂试验是将沥青混凝土板放置于上下两腔体之间，并用法兰盘止水。上部带法兰盘的圆形腔体施加水压力，下部圆形腔体填充砂砾石过渡料，并在底部设可调节底板。通过逐级向上部腔体内施加压力，观察下部腔体渗水量的变化，了解是否产生水力劈裂。试验结果表明，过渡料正常压密条件下，厚度25 mm以上的沥青混凝土板承受1 MPa的水压力不产生水力劈裂；但在1 MPa水压力下，沥青混凝土板剪切变形达18%时，在周边发生了水力劈裂破坏。

西安理工大学也曾采用厚壁空心圆筒试件进行了沥青混凝土水力劈裂试验，圆筒试件中心空腔用砂子填充以模拟过渡区料并施加水压力，所不同的是试验装置（见图1）采用厚壁钢筒以限制圆筒试件外表面的径向位移，同时还对试件施加轴向拉伸应变和轴向压力，以研究水力劈裂压力与试件受力状态和试件抗拉强度的关系，试验温度分别取5℃、10℃和20℃。试验发现，当内水压力为0.5 MPa、轴向施加拉应变为1%～1.4%时试件破坏漏水，该破坏应变小于试件沥青混凝土的10℃单轴蠕变拉伸破坏应变2.7%（试件尺寸：220 mm×40 mm×40 mm，初始拉应力0.25 MPa，随后每24 h增加0.125 MPa并记录应变过程，直至试件出现裂纹），表明水压力对拉伸强度是有影响的。同时试验表明，沥青混凝土的抗水力劈裂能力比土石坝强得多[9-10]。但因圆筒试件特点使试件内侧环向拉应力成为破裂控制点，与试件轴向拉压方向不一致，是该装置的缺点。

图1 厚壁空心圆柱体试件试验[9]

与土石坝水力劈裂研究历程类似，沥青混凝土心墙堆石坝的水力劈裂研究一开始也是关注水压力的荷载作用，上述茅坪溪坝的研究和西安理工大学的研究均属此类，从劈裂机理方面均类似于水力劈裂的早期钻孔压水（浆）劈裂问题。然而正如Sherard[4]指出的，钻孔压浆水力劈裂与大坝心墙水力劈裂有本质不同，后者常由缺陷引起，并导致心墙沿缺陷发生集中渗漏。目前国内外还鲜有针对沥青混凝土心墙缺陷开展水力劈裂研究的，当然这并不意味着工程中此类心墙没有缺陷。

奥地利的Finstertal沥青混凝土斜心墙坝坝高150 m，坝顶高程2325 m，心墙底部高程2229 m，心墙坝顶区域厚50 cm，中部60 cm，底部70 cm。于1977—1980年兴建，该坝施工时在主断面3个高程处埋设有量测心墙厚度变化的监测设备[11]。1981年库水位达到2307 m时，3个监测设备均观测到心墙厚度开始显著增加，见表1，并与心墙向下游的位移明显相关，直至水库达到最高蓄水位2322 m，见图2，监测发现心墙厚度增加了4～5 cm，并明显与心墙的水平位移有关。

表1 Finstertal坝心墙增厚观测值[11]

图2 Finstertal坝监测结果[11]

图3 室内模型试验[11]

为了解心墙增厚对心墙结构的影响研究人员还进行了室内模拟试验，如图3所示。试验采用内衬聚四氟乙烯的Φ76×96 cm圆筒进行，筒内设立厚15 cm、高96 cm的沥青混凝土板模拟心墙，板上下游侧填充过渡区料，上游侧过渡料可以施加水压力，心墙顶部通过千斤顶可施加3.5 MPa压应力，下游侧通过移动圆弧支撑板可模拟心墙水平位移。通过实验再现了观测到的心墙增厚现象。通过对沥青混凝土板切片，发现板上下游侧孔隙率增大，最大可达4%，中心约38%墙厚区域孔隙率仍小于3%，见图3。因此，心墙边界区域可受到剪胀影响，中心区域仍保持低孔隙率和防渗性，研究人员认为在今后心墙厚度设计应考虑这一因素[11]。

本文结合某工程进行了剪胀后沥青混凝土水力劈裂模型试验研究。该工程坝高169 m，设计时发现心墙局部区域（最大水头13 m）剪应力水平可达0.67。根据西安理工大学针对该沥青混凝土心墙材料及配合比试验报告中的三轴试验结果，经分析可得该配合比沥青混凝土在不同侧压力σ3下的剪胀特征数据见表2，及图4和图5，其中将剪胀开始出现时的应力称作剪胀起始应力。从表2中看出，当小主应力为0.5 MPa时，剪胀起始应力比S0为0.74，最大剪胀时的应力比Smax为0.87，最大剪胀值为0.20%。以表中数据外推，当小主应力趋于0时，剪胀起始应力比S0可降至0.67，最大剪胀时的应力比Smax降至0.83，最大剪胀值可升至0.24%。基于这些试验结果并考虑一定的安全裕度，选定本试验研究中采用的孔隙率为3.5%。同时与该区域紧邻的心墙上部拉应力可达0.12 MPa。为此，本文进行了水力劈裂试验，探讨综合极端情况下发生水力劈裂的可能性。

表2 某沥青混凝土三轴试验剪胀特征数据

图4 剪胀特征应力比与σ3的关系

图5 最大剪胀值与σ3的关系

3 剪胀沥青混凝土的水力劈裂试验

3.1 试验装置与模型制作提出的水力劈裂模型方案见图6。模型内填筑Φ48×40 cm沥青混凝土柱，在竖向中间段设置高25 cm的缺陷区，并填充孔隙率3.5%的沥青混凝土，缺陷区上下各设7.5 cm高的正常碾压沥青混凝土（孔隙率＜2%）。沥青混凝土柱中心设12 mm直径注水管，管壁黏贴塑性止水以防接触渗漏，可按要求的水压力向缺陷区注水，并可测量注水体积。模型试件上下表面采用胶黏剂黏于钢板上，可通过千斤顶对试件施加要求的拉力。

模型制作时，首先在钢筒内壁涂刷底胶，并黏贴1 cm厚的塑性腻子以实现侧边止水，并防止沥青混凝土与侧边钢筒黏结。先在成型下部分7.5 cm厚的密实沥青混凝土，然后成型中间25 cm厚3.5%孔隙率沥青混凝土，并埋入注水管，最后成型上部7.5 cm厚密实沥青混凝土。最后将试件上下表面黏接于上下钢板上，以用千斤顶施加拉力。

3.2 试验过程及分析

（1）无拉力充水过程。整个试验过程环境温度为14.6℃。首先用0.05 MPa压力向试件中充水，该过程不施加拉应力，充水中观测了进入试件的水量和试件上表面的竖向位移，充水量变化过程见图7（a），最大充水量为63.81 ml，且表面竖向位移保持为0。

图6 试验模型断面

图7 充水量变化过程

随后将水压力升至0.13 MPa，仍保持拉应力为0。该充水量变化过程见图7（b），充水总量9.82 ml，且表面竖向位移仍为0。该结果表明，3.5%孔隙率沥青混凝土在0.13 MPa的水压力下不会发生水力劈裂。

（2）施加拉力及充水过程。本过程中通过千斤顶对试件施加0.06 MPa的拉应力，且注水管中水压力保持为0.13 MPa。入水体积及试件表面位移结果见图8、图9所示。

图8 通入试件中水的体积变化

图9 试件顶端位移变化

试验发现当入水量达1000 ml时开始急剧加大，且在几分钟后模型边缘部位就出现了漏水，此时竖向平均位移16.8 mm，拉应变为4.2%，且没有收敛的趋势，模型试件中应已经拉裂破坏。

按孔隙率3.5%估算，试件中间25 cm部分的孔隙体积约为1583 ml，由于试件拉伸1.68 cm形成的空隙体积约为3040 ml，孔隙体积共约4623 ml，实测进入试件的水的体积为4335.9 ml，二者大致相当。另外模型漏水时，竖向拉应变为4.2%，按泊松比为0.35估算，其侧向收缩应变为1.5%，侧向收缩量可达7.5 mm。虽然钢筒内壁和沥青混凝土之间填有10 mm厚BGB塑性填料，但这一收缩量下已无法止水。

以上试验表明，在0.13 MPa水压力作用下，3.5%孔隙率的沥青混凝土不会出现水力劈裂。但在该水压力和0.06 MPa拉应力共同作用下，3.5%孔隙率沥青混凝土试样中部的出水口位置模型发生破坏，破坏后断面如图10所示。因此，当心墙高剪应力水平区域发生剪胀，且该区域小主应力为0.06 MPa的拉应力时，心墙可能发生开裂破坏。

图10 拉裂破坏后的模型试件

4 结论

本文针对工程中可能出现的剪胀导致孔隙率增大的沥青混凝土进行了模型试验，结果表明孔隙率3.5%的沥青混凝土在13 m水头作用下不会发生水力劈裂；但在该水头作用下，孔隙率增大区域出现0.06 MPa的拉应力时，心墙会出现开裂。