多场耦合作用下高混凝土坝水力劈裂研究综述.pdf

第 3 3卷第 2期 Vo 1 3 3 No 2 水 利 水 电 科 技 进 展 Ad v a n c e s i n S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f W a t e r Re s o u r c e s 2 0 1 3年 3月 Ma r 2 0 1 3 D O I ： 1 0 3 8 8 0 j i s s n 1 0 0 6 7 6 4 7 2 0 1 3 0 2 0 1 9 多场耦合作用下高混凝土坝水力劈裂研究综述 甘 磊 ， 沈振 中 ， 徐力群 ( 1 河海大学水利水电学院， 江苏 南京2 1 0 0 9 8 ； 2 河海大学水文水资源与水利工程科学国家重点实验室， 江苏 南京2 1 0 0 9 8 ) 摘要 ： 阐述 了混凝土结构水力劈裂的研 究现状， 结合 多场耦合作用下高混凝土坝水力劈裂研究中存 在的问题 ， 从水工混凝土结构水力劈裂理论、 试验技 术、 数值模 拟和不 同耦合条件下裂缝扩展研究 等方面归纳 了国内外的研 究成果 ， 提 出了多场耦合作用下高混凝土坝水力劈裂试验仪 器设备研制、 试验测试技术、 多场耦合作用下裂缝扩展机理及耦合机理、 考虑结构裂缝任意性的数值模拟技术等 尚待 进 一步研 究 的 问题 。 关键词 ： 高混凝 土坝； 水力劈裂； 多场耦合； 裂缝扩展 ； 综述 中图分类号： T V 6 4 2 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 6 7 6 4 7 ( 2 0 1 3 ) 0 2 0 0 8 7 0 8 Re ne w o n h y d r a u l i c f r a c t u r e i n h i g h c o n c r e t e d a m u n d e r m u l ti- fie l d c o u p l i n g c o n d i t i o n s G AN L e i 一 ，S HE N Z h e n z h o n g ， X U L i q u n ( 1 C o l l e g e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d H y d r o p o w e r E n g i n e e r i n g ，H o h a i U n i v e r s i t y ，N a n j i n g 2 1 0 0 9 8 ，C h i n a ；2 S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f H y d r o l o g y 一 耽 把 r R e s o u r c e s a n d H y d r a u l i c E n g i n e e ri n g ，H o h a i U n i v e r s i t y ， N a n j i n g 2 1 0 0 9 8 ， Ch i na ) Ab s t r a c t ：T h e r e s e a r c h s t a t u s of h y d r a u l i c f r a c t u r e s i n c o n c r e t e s t r u c t u r e s i s r e v i e we d W i t h r e g a r d t o t h e e x i s t i n g p r o b l e ms i n t h e r e s e a r c h o n h y d r a u l i c f r a c t u r e s i n h i g h c o n c r e t e d a ms u n d e r mu h i f i e l d c o u p l i n g c o n d i t i o n s ，t h e w o r l d w i d e r e s u l t s o f h y d r a u l i c f r a c t u r e s i n c o n c r e t e s t ruc t u r e s a r e s u mma ri z e d f r o m t h e p e r s p e c t i v e s o f h y d r a u l i c f r a c t u ri n g t h e o ri e s ， t e s t t e c h n i q u e s ，n u me ri c a l s i mu l a t i o n me t h o d s ，a n d c r a c k p r o p a g a t i o n s t u d i e s u n d e r d i ff e r e n t c o u p l i n g c o n d i t i o n s S e v e r a l p r o s p e c t s are p r o p o s e d：t e s t e q u i p me n t a n d t e c h n i q u e s f o r h y d r a u l i c f r a c t u r e s i n h i g h c o n c r e t e d a ms u n d e r mu l t i fi e l d c o u p l i n g c o n d i t i o n s ， c r a c k p r o p a g a t i o n a n d c o u p l i n g me c h a n i s ms f o r d i f f e r e n t c o u p l i n g c o n d i t i o n s ， a n d n u me r i c al t e c h n i q u e s c o n s i d e rin g arb i t r a r y s t ruc t u r a l c r a c k s Ke y wo r d s ：h i g h c o n c r e t e d a m ；h y d r a u l i c f r a c t u r e ；mu l t i - fi l e d c o u p l i n g ；c r a c k p r o p a g a t i o n；r e v i e w 随着大型水利水电工程建设的不断建成和投入 运行 ， 大型水工混凝土结构越来越多 ， 受设计和施工 以及养护等方面因素的影响， 混凝土出现裂缝及裂 缝扩展几乎是不可避免 的， 有的甚至在施工期就 出 现了各种各样的裂缝 ， 影响了结构的安全性 、 实用性 和耐久性 。混凝土坝 的失 效和破坏总是 由坝体 混凝土的裂缝萌生和扩展 引起 ， 随着筑坝技术的 快速发展 ， 许多坝 高 2 0 0 m 以上甚至 3 0 0 i n级的混 凝土高坝已在建设 ， 而高坝都是在深水压力和温度 变化作用下运行 ， 因此坝身存在的裂缝 引起 的水力 劈裂问题尤为突出_ 3 J ， 坝身存在的损伤裂缝在深水 压力和温度变化作用下有可能进一步扩展， 特别在 坝踵这样的要害部位 ， 如果裂缝延伸较长， 就有可能 破坏坝体的整体性， 发展成为渗漏通道， 威胁坝体的 安全， 造成 巨大的经济以及生命财产损失 J 。因 此 ， 水工混凝土结构水力劈裂 问题 已成为 目前迫切 需要研究解决 的热点问题。 水工混凝土内部存在着随机分布的初始微观裂 纹 ， 当混凝土结构受力时， 这些缺陷极易产生应力集 中并迅速起裂、 扩展 、 汇聚形成宏观裂缝 ， 诱发混凝 土结构的宏观开裂 或破坏 J 。同时， 混凝土 中的裂 纹通常不是单一的， 而是 由多种裂纹共 同扩展形成 。 对于水工混凝土水力劈裂问题， 由于水压力和温度 荷载作用下的混凝 土裂缝扩展试验难度大 ， 装置复 杂 ， 导致 目前的相关试验研究还不多。 水工混凝土水力劈裂问题的实质就是具有高势 能的水对混凝土的破坏 ， 由于混凝土内孔隙水的渗 流过程及孔隙水压力的存在， 使得对渗流与应力耦 基 金项 目： 国家 自然科学基金 ( 5 1 1 7 9 0 6 2 ) ； 江苏省普通高校研究生科研创新计划( C X L X 1 1 _ 0 4 4 7 ) 作者简介： 甘磊( 1 9 8 7 一) ， 男， 博士研究生， 江西抚州人， 主要从事坝工设计计算理论与试验技术研究。E - m a i l ： g a n le i 2 0 1 5 h h u e d u c n 水利水电科技进展 ， 2 0 1 3， 3 3 ( 2 ) T e l ： 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E m a i l h h u e d u c a h t t p ： k k b h h u e d u c n 8 7 合作用下的混凝土水力劈裂机理过程的描述更为复 杂和困难。同时， 混凝土的温度改变将 引起混凝土 应力发生变化， 当约束拉应变超过混凝土的极限拉 伸值时， 混凝土结构发生开裂破 坏。温度变化引起 热应力和热应变使得应力场和位移场发生改变， 从 而引起水工混凝土裂缝特性发生改变 ， 甚至引起裂 缝的进一步扩展。渗流一 应力一 温度等多场耦合作用 下高混凝土坝裂缝 产生 、 发展 的机理以及模拟分析 方法的研究 ， 具有重要的理论意义和应用价值 ， 研究 成果可广泛应用于水工混凝土结构 的设计 、 施工和 安全评价。 1 混凝土裂缝扩展 理论研 究 材料的破坏过程是两大力学难题之一。传统的 力学强度计算理论以材料力学和结构力学为基础 ， 通常假定材料为均匀连续体 ， 而且认 为材料各 向同 性 ， 避开了材料客观存在的缺 陷、 裂缝等 ， 无法解释 理论强度远高于实际强度 的原因 ， 也不能描述裂缝 尖端存在应力集中严重的现象。 断裂力学主要研究对象为裂纹 ， 通过考虑裂纹 尖端的应力场和位 移场 ， 计算裂纹尖端 的应力强度 因子 ， 从而 分析 荷载作 用下裂 纹 的扩展 规律 。 。 。 1 9 1 3年 I n g l i s 采用应力集 中观点解释了由于材料存 在缺陷使得材料的实际强度远低于理论强度 。1 9 2 1 年 ， G r i f fi t h提出了脆性材 料裂纹扩展 的能量准则 ， 用弹性体能量平衡的观点研究了玻璃、 陶瓷等脆性 材料中的裂纹扩展 问题 。1 9 5 7年 I r w i n提出了应力 场强度观点及应力强度因子断裂准则。应力强度因 子断裂准则与裂缝扩展的能量准则构成 了线弹性断 裂力学 的核心内容 。弹塑性断裂研究的发展起步于 2 0世纪 6 0年代 ， 英 国科学家认 为弹塑性 断裂过程 聚集于裂缝前方的条状屈服区， 并建立了 B C S连续 位错模型 、 C o t t r e l l 断裂过程 区模型 、 D u g d a l e简化条 状塑性区模型 、 B a r e n b l a t t 内聚断裂模型等弹塑性断 裂模型。1 9 6 5年 We l l s 根据上述模型提出以裂缝尖 端张开位移 C O D( c r a c k o p e n i n g d i s p l a c e m e n t ) 作 为 表征断裂的参量 ， 建立 了裂缝的断裂准则。 从应力强度因子出发 ， 1 9 6 8年美 国科学家提出 以J 积分和H R R理论作为断裂力学参量。1 9 9 1 年 美国电力研究院以 J积分为断裂判据 ， 推出 了较完 整的延性断裂手册 ， 标志着弹塑性断裂力学的完善 。 1 9 6 1年 K a p l a n _ 8 将断裂力学的概念引入 到混凝 土 中。L a j t a i l _ 9 建立 了压剪断裂 的强变理 论 ， 指 出在 受压剪作用下， 裂缝端部形成不均匀应力场， 存在拉 应力和压应力集 中现象， 产生垂直受力方 向的正剪 切裂缝 。在国内， 徐道远等_ 1 。 。 在分析大体积混凝土 破坏机理并进行大量试验的基础上 ， 提 出了一种损 伤一 断裂耦合模型， 该模型能反映如混凝土坝这样 的 大体积混凝土结构开裂至破坏过程的实际情况。张 镜剑等 提出了一种适 用于分析含压剪裂缝结构 的非线性断裂力学数值分析模型压剪钝裂缝带 模型； 杨延毅 运用损伤力学理论， 从微裂缝损伤 演化发展的角度研 究混凝土裂缝 的形成与扩展机 理 ， 提出了相应的理论判据。混凝土结构 中不可避 免地存在缺陷和裂缝 ， 用连续介质来反映应混凝土 材料的力学性能不符合实 际情况。现今 ， 许多学者 将混凝土断裂力学和损伤力学引入到混凝土裂缝 的 扩展研究工作中。 2 混凝土水 力劈裂试验研究 从 2 0世纪末开始 ， 我国进入 了水利建设 的黄金 时期 ， 一大批处于高水头、 大埋深等恶劣水文地质条 件下的高坝 、 深埋隧洞相继开工建设。相对于复杂 多样的工程建设背景， 岩体和混凝 土水力劈裂 的研 究却还处于初始阶段 ， 工程实践缺少理论支持 ， 急需 深入开展水力劈裂的试验以及计算方法研究。水力 劈裂实验是揭示水力劈裂机理 的最佳 方法 ， 有关研 究岩体单裂纹渗流特性与周围应力之问关系和裂纹 水力劈裂机理的试验较多 ， 但研究混凝 土材料 断裂细观物理机制方面的试验 以及裂纹水力劈裂机 理的试验却较少。由于混凝土的力学性能与试件尺 寸有关 ， 要确切描述混凝土 的力学性能就必须研究 混凝土 的尺寸效应 。很多实际的混凝土结构尺寸均 比较大 ， 难以进行实际结构的系统试验 ， 仅能在实验 室进行小尺寸试件的模拟 ， 据此得到 的结果对实际 结构的指导意义和实用性有限， 成 为 目前研究 的难 题之一 。吴智敏等 的试验表 明， 混凝土的断裂 韧度随试件尺寸的增加而增加 ， 但 当试件尺寸增加 到一定值时， 断裂韧度趋于恒定 ， 即混凝土断裂韧度 只在一定范围内存在尺寸效应。同时， 徐世娘等 采用体积 、 跨度、 厚度和高度四系列的三点弯曲梁试 件研究 了混凝土断裂韧度的尺寸效应规律 ， 发现试 件高度是影响混凝土断裂韧度的主要原因。 在混凝 土水 力 劈 裂 机理 研 究 方 面， B r u h w i l e r 等 卿 采用混凝 土楔形劈裂试件 对混凝土裂缝进 行了试验研究和数值模拟 ， 研究了裂缝 中静水压力 对混凝土表观断裂能和表观断裂韧度的影 响， 测试 了裂纹内水压力分布 ， 结果表明 ， 裂纹内水压力会导 致裂纹尖端损伤 ， 降低裂尖部位的断裂韧度 。贾金 生等 采用预设裂缝 的全级配混凝土大试件进行 试验 ， 在裂缝面上直接施加水压力 ， 直至混凝土被高 压水击穿。由于混凝土的力学行为与岩石材料有许 8 8 水利水电科技进展 ， 2 0 1 3 ， 3 3 ( 2 ) T e l ： 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E m a i l ：豇h h u e d u c n h t tp： k k b h h u e d u c n 多相似之处 ， 故可以将有关岩石水力劈裂方面的试 验方法引入混凝土水力劈裂试验研究工作 中， 李宗 利等 针对岩体混凝 土类材料从单裂纹 的水力劈 裂模型、 试验技术、 数值方法、 裂纹内水压力分布等 方面介绍了国内外 的理论研究成果。 3 混凝土水力劈裂数值方法研究 3 1 连续介质力学分析法 有限元法是当今应用最为广泛的数值方法 。为 了解决裂缝的扩展问题 ， B e n z l e y 提出采用奇异单 元法 ， A t l u r i 等 提出采用增强单元 法和动态奇 异单元法。S w e n s o n等 副采用节点释放技术模拟裂 缝沿单元边界扩展 ， B i t t e n c o u r t 等 通过调整局部 网格以实 现 对线 弹性材 料 裂缝 扩 展 的模 拟 ； L i m 等 应用上述相近方法实现对弹塑性材料 的复合 型断裂的模拟 ； 杨庆生等 提 出采用 自适应有限元 法对裂缝扩展进行模拟分析 ； P o s t o n等 通过引入 接触单元实现裂缝扩展模 拟， 该方法在可能产生裂 缝的区域布置厚度为零 的接触面单元 ， 通过接触面 单元的应力判断裂缝的开裂情况及路径。 B e l y s c h k o 等 等采用扩展有限元法 ( e x t e n d e d f i n i t e e l e me n t m e t h o d ， X F E M) 解决 了网格不 断调整 的问题 ， 将裂缝和有限元网格分开考虑 ， 通过在位移 函数中加入增强项以解决裂缝面的不连续性和裂尖 的奇异性 ， 从而解决裂缝扩展 问题。 目前 国内有学 者将 X F E M应用于混凝土重力坝的开裂分析 ， 方修君等 还利用 X F E M对裂隙水压作用下混凝 土试件的开裂过程进行 了模拟 ， 首次将 X F E M 应用 于混凝土水 力劈裂研究 。可以看 出 ， X F E M 的应用 已经由最初的梁 、 板等构件拓宽到 了大型水工结构 的开裂破坏研究 ， 并且可以用于研究混凝土的水力 劈裂破坏。董玉文等 研究 了采用 X F E M进行重 力坝水力劈裂数值模拟的方法。 边界元法 可以分别通过直接法 和间接法建 立边界方程。为了处理裂缝扩展问题 ， S l a d e k 采 用拉普拉斯变化法分析 了在 冲击荷载作用下 ， 无 限 弹性内含圆片裂缝 的动态应力强度 因子 ； P o r t e l a _ 4 采用双重边 界元 法研究二维和三维 的裂缝扩展 问 题 ； S h o u等 采用位移不连续法求解裂缝 的不连续 位移场和应力场 ； D w y e r等 采用边 函数 法， 通过 不同的势函数考虑不同的边界 ， 如内部空洞 、 裂缝等 边界； 程玉民等 驯 分别采用相似边界元法和无 限 相似边界元法， 对瞬态载荷作用下的动态应力强度 因子进行了分析计算。尽管边界元法的研究已经开 展了很多年 ， 但是边界元 法还是不适合用来处理非 线性材料 、 多介质等复杂问题 。 3 2非连续介质力学分析法 数 值 流 形 方 法 ( n u me r i c a l ma n i f o l d me t h o d ， N MM) 以拓扑流形 和微分流形为基础 ， 采用数学覆 盖和物理网格两套独立 网格 ， 将有限元网格作为数 学覆盖， 边界条件、 裂缝、 交界面等作为物理网格， 通 过物理网格对数学覆盖的再剖分 ， 形成覆盖材料全 域 的物理覆盖系统。此方法可以较好地模拟裂缝扩 展问题 ， T s a y等 。 。 采用数值流形方法和断裂力学相 结合的方法研究 裂缝 扩展及 尖端 应力场 ； 王 水林 等_ 5 利用这种将连续变形与非连续变形分析相结 合的数值流形法对裂缝扩展进行 了数值模拟； C h i o u 等 用虚位移扩展法和数值流形方法相结合来研 究混合裂缝扩展问题 。 无单元法( E F M) 是一种较为新颖的数值方法， 它只需计算域的几何边界及计算点， 不需要单元信 息 ， 因此具有边界元法的优点 ， 且可以在开裂点附近 布置可移动的加密节点以方便地跟踪裂缝 的扩展过 程 ， 同时无单元法基本方程 的数学基础与有限元法 类似 ， 所以无单元法也具有有限元法 的优点 ， 又比边 界元法具有更广泛的应用范围。应用无单元法追踪 裂纹扩展 ， 目前还存在着不少难题有待解决 ， 在工程 中的应用也很少 ， 国内外许多学者都在进行着这方 面的研究 ： B e l y t s c h k o等 提 出了无单元伽辽金法 ( E F G M) ， 这种方法在计算形函数 导数 时保 留了被 N a y r o l e s 等 忽略的所有项 ， 并利用拉格朗 日乘子 法引入本质边界条件 ； 在国内 ， 清华大学 张雄等 提出了基于子域法的紧支函数加权残量法的无 网格 格式和最小二乘配点的无网格法， 避免采用背景网 格形式以消除其对数值积分的限制 ， 并将此法应用 于求解弹塑性及波传动等问题； 栾茂田等 驯提出 了采用有限覆盖无单元法解决连续与非连续 问题 ， 并将此法应用于裂缝扩展追踪 问题 、 岩土类弱拉 型 材料摩擦接触问题和脆性材料损伤断裂演化行为问 题等方面的研究； 刘欣等 提出了流形覆盖思想的 无单元法 ， 该法在边界奇异性半解析无单元法研究 的基础上 ， 采用 四象限法以确定覆盖范围大小 ； 周维 垣等 对无单元伽辽金法进行 了详细介绍 ， 提出了 一 种拱坝开裂分析的近似方法 ( 代表体积法 ) ， 随后 又将无单元伽辽金法用于三维断裂力学 ， 并应用 于拱坝三维开裂分析 中 。但是无单元法计算 中 系数矩阵带宽比较大， 致使计算量也相当大， 从计算 精度及方便性来说， 无单元法优于有限元法， 但就计 算效率而言， 无单元法不及有限元法， 因此， 将无单 元法与有限元法耦合起来处理问题 效果更好 、 更为 方便， 为解决高混凝土坝水力劈裂问题提供了全新 的途 径 。 水利水 电科技进展 ， 2 0 1 3 ， 3 3 ( 2 )T e l ： 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E ma i l ： j z h h u e d u c n h t tp： k k b h h u e d u c n 8 9 4 混凝土 多场耦合模型研究 4 1 渗流一 应力耦合模型 渗流_ 应力耦合模型主要包括渗流场 和应力场 的数值模拟及裂缝特性的模拟两个方面的内容 ， 其 中耦合模型中的关键问题就是如何反映渗流过程中 裂缝 的扩展和萌生。一直以来 ， 关于混凝土水力劈 裂方面的研究都 只考虑裂缝的内水压力或者整体渗 流场对结构应力、 变形状态的作用 以及对裂缝扩展 的影响。混凝土结构的应力状态和裂缝位置、 长度、 宽度 以及形状的变化也都会改变结构的渗流场和裂 缝的内水压力， 因此渗流场与应力场之间的相互作 用在研究高混凝土坝水力劈裂时是不容忽视的。高 压水致使混凝土裂纹张开、 扩展、 贯通的同时 ， 伴随 着水流在裂纹中运动。裂纹内水力特性及压力直接 影响混凝土的应力应变状态 ， 尤其是对于在深水压 力下运行的高混凝土坝而言， 建立其流固耦合模型 存在一定的困难： 裂纹的失稳扩展也并非稳定的 发展 ， 而是跳跃式前进 ， 水流也并非恒定流。裂纹流 体运动方程的求解边界条件注入流量和外部水头是 恒定的， 这样的边界条件不符合深埋地下结构、 高坝 结构等结构中水流所产生的水力劈裂问题。流固 耦合分析时 ， 涉及裂纹的张开宽度、 张开速率及加速 度 、 裂纹的渗透系数等参数 ， 实际应用较为困难。 目前渗流场与应力场的耦合研究多半都以岩 体， 尤其是含裂隙的岩体作为研究对象。鉴于混凝 土与岩体同为多孔介质， 它们的内部结构在很多方 面具有类似的特征， 将岩体的渗流场与应力场耦合 模型应用到混凝土结构上也不失为一种有效的解决 办法 。沈振 中等 螂 将无单元伽 辽金法引入渗流 场计算， 运用无单元法求解重力坝以及岩体的渗流 场与应力场。将无单元法引入渗流一 应力耦合分析 模型 ， 研究耦合条件下高坝的水力劈裂问题是一种 比较可行的方法。 4 2 渗流一 温度耦合模型 温度荷载是混凝 土坝的主要荷载之一 ， 当混凝 土的温度发生改变时， 例如冷却水的侵入、 水泥水化 热以及环境温度的改变， 都将引起混凝土的应力改 变， 当约束拉应变超过混凝土的极限拉伸值时， 混凝 土结构发生开裂破坏。温度变化引起热应力和热应 变使得应力场和位移场发生改变， 同时随着温度的 变化 ， 材料的 自身物理力学性质也会发生改变 ， 从而 引起水工混凝土裂缝的特性发生改变 ， 甚至引起裂 缝 的进一步扩展。在温度场分析中， 由于水等渗透 介质在渗流场中的运移过程中， 必然存在与坝体的 热量传递与交换， 导致水工结构内的温度场分布发 生一定的改变 ， 因此渗流场对温度场 的作用是不可 忽视的。当前渗流一 温度耦合作用大多都是针对地 下岩体进行研究 的， H a r l a n 考虑渗 流场和温度场 的耦合作用， 提出了冻结过程中的热质迁移数学模 型 ； 柴军瑞等 采用等效连续介质法 ， 提 出渗流和 温度耦合模型， 并给出了有限元法计算方法； 黄涛 等_ 6 通过将裂隙围岩体渗透性能与热物理性能的 等效连续化处理 ， 建立 了围岩体温度场与渗流场耦 合作用数学模型 ， 计算了某隧洞 的温度和渗流场 ； 赖 远明等 应用伽辽金法导 出相变温度场和渗流场 的有限元方程 ， 并计算 了寒 区大坝和挡土墙 的渗流 场和温度场 ； 周志芳等 建立 了考虑热对流、 热传 导 、 热机械弥散及含水介质骨架与水之间的热量交 换的地下水热量运移数学模型 ， 运用 B E M F A M 耦 合法求解热量运移的水流一 传热耦合模型 ， 具有较好 的计算精度 ； 张树光 提出渗流改变了温度场 的对 称分布 ， 热交换随着渗流速度的增加而向顺渗流方 向移动 ； 张玉军 采用裂隙岩体的渗透性能和热学 性能等效连续处理方法 ， 指出由于裂隙中的渗流通 过与岩体的热量传递使得温度场的分布发生改变。 到目前为止， 关于 昆 凝土裂缝的渗流一 温度耦合分析 研究的报道还很少。 4 3 温度一 渗流一 应力耦合模型 目前温度一 渗流一 应力 三场耦合大 多应用 于核 能 、 地热 以及核废料填埋等方面， 三场耦合理论的发 展过程中， 国内外研究人员提出了多种形式 的三场 耦合数学模型， 大致可分为两类 ： 饱和介质三场耦合 数学模型与非饱 和一 饱和介质 三场耦合数学模 型。 N o o r i s h a d等 在扩展 的 B i o t 固结理论基础上 ， 提 出了饱和孔隙介质的三场耦合控制方程组；H a r t 等r 基于混合物理论， 推导 了饱和孑 L 隙介质的热一 力一 水流完全耦合方程组； G a t m i r i 等 提出了饱和 土的热 液一 力耦合微分方程组 ；B o w e r 等 提 出了 饱和 双 重 介 质 的三 场 耦 合 数 学 模 型；N e a u p a n e 等 推导了各向异性非饱和一 饱和孔隙介质的三场 耦合控制方程 ； 赖远 明等 根据冻 土力学 、 渗流理 论和传热学 提出了带相变 的三 场耦合 数学力学模 型； 黄涛等 通过等效性能场之间耦合作用的研究 建立了岩体地下水渗流场 、 应力场与温度场耦合作 用 的简单数学模型； 刘亚晨等 副根据不可逆热力学 基本理论， 推导了核废料贮库裂隙岩体介质热一 液 力耗散过程的定解方程 ； 梁冰等 在块裂介质理论 的基础上 ， 导出了三维裂 隙网络的块裂介质高温岩 体热一 流一 固耦合方程； R u t q v i s t 等 叫 导出了对于饱和 一 非饱和介质三场耦合控制方程的一般形式。 三场耦合模型的数值模拟由于能更好地体现结 9 0 水利 水电科技进展 ， 2 0 1 3 ， 3 3( 2 ) T e l ： 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E ma i l h h u ， e d u e li h t tp： k k b h h u e d u c n 构的运行工作状态 ， 已经成 为很多研究者的重要研 究方向， 但是有关水工混凝土结构裂缝扩展方面的 研究却很少。水工混凝土结构大多都是在水压力作 用和温度变化条件下运行的， 而温度场、 渗流场和应 力场的分布是评价水工混凝土结构工程运行状况的 重要方面， 同时三者之间并非是孤立存在的， 它们之 间是相互作用、 相互影响和相互制约的， 当某一场发 生扰动变化时 ， 另外两场也将受到一定程度的影响。 要想准确 、 客观和全 面评价水工混凝 土结构 的裂缝 萌生 、 扩展 以及可能的失稳状况 ， 应 当考虑温度、 渗 流和应力之间的相互作用关系 ， 即考虑温度场、 渗流 场 、 应力场三场间的耦合作用 。因此 ， 需要研究多场 耦合条件下的高混凝土坝水力劈裂问题就必须建立 合理的混凝土裂缝温度一 渗流一 应力多场耦合模型。 5 尚待研 究的问题 目前 ， 多场耦合作用下水工混凝土结构水力劈 裂试验 、 发生机理 以及高压水力劈裂数值 模拟等方 面的研究不多， 尚有许多有待进一步研究的问题： a 研究水工混凝土裂缝在外荷 载和水压力 的 双重影响下 ， 水工混凝土在非恒定水头和流量时裂 缝扩展与流体的耦合机理， 研究渗流一 应力耦合条件 下裂缝的萌生、 发展以及失稳机理和特性。 b 在温度一 渗流一 应力耦合作用条件下， 其耦合 机理复杂 ， 需要深入研究水工混凝土结构裂缝开度 、 扩展长度 、 裂缝内的内水压力 、 起裂韧度 、 裂缝在不 同水压情况下的起裂宽度 、 外部水温等对混凝土结 构裂缝扩展的影响。 c 采用数值模拟方法研究多场耦合 作用下水 工混凝土裂缝产生和发展过程 ， 需要重点解决多裂 缝、 交叉裂缝以及任意裂缝开展的计算技术， 同时其 断裂准则也有待进一步深入研究。 d 针对高混凝土坝水力劈裂问题 ， 需要研制先 进的测试技术和试验设备 ， 以及研发混凝土裂缝起 裂判断和扩展过程 的相关计算 程序 ， 注重多场耦合 作用和结构裂缝 的任意性 ， 研究高混凝 土坝水力劈 裂的萌生 、 发展和失稳破坏的演化规律。 参考文献 ： 1朱伯芳 混凝土坝温度控制与防止裂缝的现状与展望 J 水 利 学 报， 2 0 0 6 ， 3 7( 1 2) ：1 4 2 4 - 1 4 3 2 ( Z H U Bo n gCu r r e n t s i t u a t i o n a nd p r o s pe c t o f t e mp e r a t u r e c o n t r o l a n d c r a c k i n g p r e v e n t i o n t e c h n o l o g y f o r c o n c r e t e d a m J J o u r n a l o f H y d r a u l i c E n g i n e e ri n g ，2 0 0 6 ，3 7 ( 1 2 ) ： 1 4 2 4 - 1 4 3 2 ( i n C h i n e s e ) ) 2徐道远 ， 王向东， 朱为玄 ， 等 混凝土坝的损伤及损伤仿 真计算 J 河海大学学报： 自然科学版， 2 0 0 2 ， 3 0 ( 4 ) ： 水利水电科技进展 。 2 0 1 3 ， 3 3 ( 2 ) T e l ： 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 1 4 - 1 7 ( X U D a o y u a n ， WA N G X i a n g d o n g ， Z H U We i x u a n Da ma g e t o c o n c r e t e d a ms a n d i t s s i mu l a t i o n c a l c u l a t i o n J J o u r n a l o f H o h a i U n i v e r s i t y ： N a t u r a l S c i e n c e s ， 2 0 0 2 ， 3 0 ( 4 ) ： 1 4 1 7 ( i n C h i n e s e ) ) 3贾金生 ， 李新宇， 郑璀莹 特高重力坝考虑高压水劈裂 影响的初步研究 J 水利学报， 2 0 0 6 ， 3 7( 1 2 ) ： 1 5 0 9 1 5 1 5 ( J I A J i n s h e n g ， L I X i n y u ， Z H E N G C u i y i n g S t u d i e s o n s a f e t y p r o b l e m o f h i g h g r a v i t y d a ms h i g h e r t h a n 2 0 0 m wi t h c o n s i d e r a t i o n o f h y d r a u l i c f r a c t u ri n g u n d e r wa t e r p r e s s u r e J J o u r n al o f H y d r a u l i c E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 6 ， 3 7 ( 1 2 ) ： 1 5 0 9 1 5 1 5 ( i n C h i n e s e ) ) 4李雪红 重大水工混凝土结构裂缝演变规律及转异诊 断方法研究 D 南京： 河海大学， 2 0 0 3 5 朱万成 ， 赵启林， 唐春安， 等 混凝土断裂过程的力学模 型与数值模拟 J 力学进展， 2 0 0 2 ， 3 2 ( 4 ) ： 5 7 9 5 9 8 ( Z H U Wa n c h e n g ， Z H A O Q i l i n ， T A N G C h u n a n ， e t a 1 Me c h an i c a l mo d e l a n d n u me ri c a l s i mu l a t i o n o f f r a c t u r e p r o c e s s o f c o n c r e t e J A d v a n c e s i n M e c h a n i c s ， 2 0 0 2， 3 2 ( 4 ) ： 5 7 9 - 5 9 8 ( i n C h i n e s e ) ) 6尹双增 断裂判据与在混凝土工程中应用 M 北京： 科学出版社， 1 9 9 6 ： 1 5 1 8 7蔡四维， 蔡敏 混凝土的损伤断裂 M 北京： 人民交通 出版社 ， 2 0 0 0 ： 5 5 - 6 5 8K A P L A N M F C r a c k p r o p a g a t i o n and t h e fr a c t u r e o f c o n c r e t e J A C I J o u r n al， 1 9 6 1 ， 5 8 ( 1 1 ) ： 5 9 1 -61 0 9L A J T A L E Z B ri t t l e fr a c t u r e i n c o m p r e s s i o n J I n t e rna t i o n a l J o u rna l o f F r a c t u r e ， 1 9 7 7， 1 0 ( 4 ) ： 1 9 5 - 2 0 8 1 0 徐道远， 符晓陵， 朱为玄， 等 坝体混凝土损伤一 断裂模 型 J 大连理工大学学报， 1 9 9 7 ， 3 7 ( 增刊 1 ) ： 1 -6 ( X U D a o y u an ，WANG F U Xi a o l i n g ，Z HU W e i x u a n，e t a1 D a m a g e f r a c t u r e m o d e l fo r c o n c r e t e o f d a m J J o u rna l o f D a l i a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， 1 9 9 7 ， 3 7( S u p 1 ) ： 1 -6 ( i n C h i n e s e ) ) 1 1 张镜剑 ， 涂金良， 翟奇愚， 等 龙滩碾压混凝土重力坝水 平层面稳定安全的断裂分析 J 华北水利水电学院学 报， 1 9 9 6 ， 1 7( 4) ： 2 - 7 ( Z HA N G J i n g j i a n ， T U J i n l i a n g ， Z H A I Q i y u ， e t a 1 F r a c t u r e a n a l y s i s o f t h e s t a b i l i t y s afe t y o f t h e h o r i z o n t al c o n s t r u