混凝土重力坝模型试验研究.pdf

规划设计 东北水利水 电 2 0 1 3年第 3期 文章编号 1 0 0 2 0 6 2 4 ( 2 0 1 3 ) 0 3 0 0 0 4 0 2 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1 1 6 0 2 4 ) 摘 要 为了真实反映带裂缝混凝土重力坝的破坏过程，本文开展 了重力坝比例模型试验研 究 工作 ， 同时也进行了模型试验中所用混凝土材料的断裂参数测定试验。 通过制备比例为 1 ： 8 0的重 力坝模型， 研究了不同初始裂缝位置条件下重力坝的破坏全过程， 并记录了荷栽一 裂缝口张开位 移曲线及 裂缝 扩展轨 迹。通过本 文的研 究获得 了较 为完备 、 准确的重 力坝模 型试验数 据 ， 这 为评 估带裂缝工作重力坝的安全性提供 了试验依据， 也为数值计算提供 了可靠的验证数据。 关键词混凝土； 卜I l 复合型断裂； 重力坝模型试验； 断裂参数试验 【 中图分类号 TU5 2 0 6 【 文献标识码A 自 2 0世纪 6 0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 f l】 。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 ， 在试验中记录荷载一 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 B a r p i 等 学 者1 2 1 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 B a l i 在试验中测得的初始缝长分 别为 1 5 0 n l l n 和 3 0 0 1 -n i l 1 重力坝模型的荷载( P ) 裂缝口张 开位移( C MO D) 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 3 0 0 m m的模型坝对应的 C M O D值应该 大于初始缝长为 1 5 0 m m模型的 C MO D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 1 5 0 I F I 1 T I 的模型，数值与试验得到的荷载一 裂缝口张开位移 曲线都 吻合较好。 但是计算初始缝长为 3 0 0 m m模型时， 不同数值 d 方法计算得到的 P - C MO D曲线较为接近 ， 但均与试验结果 偏差较大， 在荷载的上升段 ， C MO D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 3 0 0 n un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。 槲 柱 裂 缝口 张 开位 移 m m ( b) 3 0 0 r n m 图 I不同初始缝重力坝模型试验结果与数值结果对比固 2 0 1 3 年第 3 期 东北水利水电 规划设计 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( ) ， 荷载 裂缝 口 张开位移曲线以及荷载一 挠度曲线，进而确定混凝土材料 的起裂韧度( ： ) ， 失稳韧度( K I C ) 和断裂能( G ， ) 。 试验中采用混凝土材料的配合比为水泥： 砂 子： 石子： 水； 1 ： 2 0 8 ： 2 7 ： 0 4 4 ，其中水泥为大连水泥厂生成的 4 2 5 号 普通硅酸盐水泥 ； 骨料为石灰岩碎石 ， 最大骨料粒径为 1 O IT I I T I 。试验时测得其立方体抗压强度 ) 为 3 8 6 9 MP a ，抗 拉强度( ) 为 2 9 MP a ， 泊松比( ) 为 0 2 2 ， 弹性模 量( ) 为 2 4 0 0 GP a 。 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( ) 、 峰值荷载值以及计算得到的K ：， 和 G ， 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K ： = L 上 0 6 M Pa m ， ， ca n =1 2 5 M Pa m ， Gr =l l 0 N m 。 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 B a r p i 等嗍 重力坝模型试验中相同的实体重力坝原型。 原坝高为 9 6 m 。 建立本文模型的比例尺为 1 ： 8 0 ， 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 D 。 和 D ： 的重力坝模型， 两 个模型坝的预置缝长均为 1 5 0 IT L IT I ， 厚度均为 3 0 0 n l r n ， 缝的 位置距坝底的距离分别为 3 0 0咖和 4 5 0 ra m( d = 3 0 0 1 T L r n 或 d = 4 5 0 mm) 。通过在距坝顶 2 0 0 ln l T l 处安置的个水平方向 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 D， 和 D： 的 P - C MO D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 - C M O D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 曲粱 的试 件尺 寸和参数 互 柱 挺 裂缝口张开位移 n l n 1 ( a ) 重力坝模型 D1 裂缝 口张开位移 mm ( b) 重力坝模型 D 2 图 2 重力坝模型的荷载一 裂缝口张开位移全曲线 参 考 文 献 】 【 1 J C a r p i n t e r i A ， V a l e n t e S ， F e r r a r a G， e t a1 E x p e r i me n t a l a n d n u me r i c a l f r a c t u r e mo d e l i n g o f a g r a v i t y am C F mc r e me c h a n i c s o fc o nc r e t e s t r u c tur e s El s e vi e r App l i e d S c i e nc e Ne w Yo r k：1 9 92：3 51-361 【 2 j B a r # , F a n dV al e n t e 。 S Nu me ri c al s i mu l a t i o n o f p r e n o t c h e d g r a vi t y d a m mo d e l s J J J o u r n a l o f S t r u c t u r a l E n g i n e e ri n g ( A S C E) ， 2 0 0 0 ， 1 2 6 ( 6 ) ： 6 1 1 6 1 9 【 收稿日 期】 2 0 1 2 - 0 6 - 1 5 【 基金项目 】 国家自然基金项 目( 0 7 2 1 6 9 ) ； 高等学校博士学习科点 专项科 研基 金 项 目( 0 2 1 0 0 6 ) 。 5