混凝土重力坝模型试验研究

荣 华，董 伟 ，吴智敏

（大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连 116024）

自20世纪60年代一系列大坝失事事件发生后，混凝土坝体的安全问题引起了国际学者的广泛关注[1]。混凝土重力坝是实际工程中较为常见的坝体型式，而坝体破坏往往会导致灾难性的后果。因此，重力坝等水工建筑物的安全分析和裂缝扩展监控研究是工程技术人员急需解决的课题，这具有重要的科研意义和工程应用价值。

本文的工作重点是对带裂缝混凝土重力坝模型进行试验研究，在试验中记录荷载-裂缝口张开位移曲线，并补充混凝土材料的断裂试验，以获得更为完备、准确的试验数据。

1 试验目的

为了能够反映重力坝在复杂应力状态下的裂缝扩展过程，重力坝模型试验是一种有效的技术手段。通过模型试验可以观测到重力坝真实、直观的裂缝扩展过程，并反演原型重力坝的破坏模式。这样，一方面为重力坝的设计施工提供了重要的试验参考，另一方面更为数值及理论计算提供了可靠的验证数据。

目前被引用频率较高的重力坝模型试验是由Barpi等学者[2]在意大利都灵大学结构材料实验室内制作完成的，这一经典算例因被众多学者用于验证数值计算结果的可靠性而被广泛使用，但是该模型也存在两个不完善之处：一方面是该模型试验中两个不同初始缝长试件的试验数据存在一定的测量偏差，这使数值计算方法的验证缺乏客观性和真实性。图1为Barpi在试验中测得的初始缝长分别为150 mm和300 mm重力坝模型的荷载（P）～裂缝口张开位移（CMOD）曲线结果与多位学者数值计算结果的对比图。断裂力学理论分析认为，相同工况时在同一荷载水平作用下初始缝长为300 mm的模型坝对应的CMOD值应该大于初始缝长为150 mm模型的CMOD值。此外，根据图1中试验与数值的对比结果可知，对于初始缝长为150 mm的模型，数值与试验得到的荷载-裂缝口张开位移曲线都吻合较好。但是计算初始缝长为300 mm模型时，不同数值方法计算得到的P-CMOD曲线较为接近，但均与试验结果偏差较大，在荷载的上升段，CMOD的测定值普遍小于计算结果。综上分析，本文认为该模型试验中初始缝长为300 mm的模型结果应存在一定偏差。该模型试验有待完善的另一方面是模型试验中没有测得完备的断裂参数，如试验中没有提供材料断裂韧度等参数，这给基于断裂力学理论计算重力坝裂缝扩展过程的方法带来一定困难。

因此，本文开展了重力坝模型试验和断裂参数测定试验研究。

2 试验概况及结果讨论

2.1 断裂参数试验

在进行模型试验前，首先进行了与模型试验材料等龄期、等配合比的混凝土断裂试验。试验中采用三点弯曲梁的试件型式，通过测量试件的起裂荷载（Pini），荷载～裂缝口张开位移曲线以及荷载-挠度曲线，进而确定混凝土材料的起裂韧度（KiInCi），失稳韧度（KuICn）和断裂能（GF）。

试验中采用混凝土材料的配合比为水泥∶砂子∶石子∶水＝1∶2.08∶2.7∶0.44，其中水泥为大连水泥厂生成的 425 号普通硅酸盐水泥；骨料为石灰岩碎石，最大骨料粒径为10 mm。试验时测得其立方体抗压强度（fcu）为38.69 MPa，抗拉强度（ft）为2.9 MPa，泊松比（v）为0.22，弹性模量（E）为24.00 GPa。试验中所采用的三点弯曲梁试件尺寸和测得的起裂荷载值（Pini）、峰值荷载值以及计算得到的KiInCi，KuICn和GF均列于表1中。通过不同几何尺寸三点弯曲梁试件的测定结果，起裂断裂韧度、失稳断裂韧度与断裂能均未显现明显的尺寸效应，因此在数值计算过程中都取其均值，即KiInCi＝

2.2 重力坝模型试验

为了研究重力坝的断裂特性，本文选取了与Barpi等[9]重力坝模型试验中相同的实体重力坝原型。原坝高为96 m,建立本文模型的比例尺为1∶80，模型实际坝高为1.2 m。试验中制作了两个等高的标号分别为D1和D2的重力坝模型，两个模型坝的预置缝长均为150 mm，厚度均为300 mm，缝的位置距坝底的距离分别为300 mm和450 mm（d＝300 mm或d＝450 mm）。通过在距坝顶200 mm处安置的一个水平方向千斤顶来施加连续水平推力，并采集了加载过程中重力坝模型的荷载～裂缝口张开位移曲线和裂缝扩展轨迹。

在试验中测得的试件D1和D2的P-CMOD曲线结果如图2所示。由于试验中所所采用的加载设施刚度不足，导致峰值荷载后模型坝发生脆断，故未能测得P-CMOD曲线的下降段。虽然没能测得荷载～位移曲线的下降段，但是上升段对于评估带裂缝混凝土重力坝的安全性能更为重要，因为实际工程中主要关注坝体失稳前的稳定扩展阶段。

3 结语

本文通过对不同工况下的重力坝模型进行试验研究，观测了重力坝起裂、稳定扩展和失稳扩展的全过程，记录了荷载～裂缝口张开位移曲线，这为评估带裂缝工作重力坝的安全使用提供了试验依据，也为数值计算提供了验证数据。通过开展混凝土断裂试验，确定了断裂韧度和断裂能等参数，为基于断裂力学方法的重力坝分析提供了完备的断裂参数。

表1 三点弯曲梁的试件尺寸和参数

图2 重力坝模型的荷载-裂缝口张开位移全曲线

［1］Carpinteri A,Valente S,Ferrara G,et al.Experimental and numerical fracture modeling of a gravity dam［C］.//Fracture mechanics of concrete structures.Elsevier Applied Science.New York:1992:351-361.

［2］Barpi,F.and Valente,S.Numerical simulation of prenotched gravity dam models［J］.Journal of Structural Engineering（ASCE），2000，126（6）：611-619.