混凝土重力壩模型試驗(yàn)研究

榮 華，董 偉 ，吳智敏

（大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連 116024）

自20世紀(jì)60年代一系列大壩失事事件發(fā)生后，混凝土壩體的安全問(wèn)題引起了國(guó)際學(xué)者的廣泛關(guān)注[1]。混凝土重力壩是實(shí)際工程中較為常見(jiàn)的壩體型式，而壩體破壞往往會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。因此，重力壩等水工建筑物的安全分析和裂縫擴(kuò)展監(jiān)控研究是工程技術(shù)人員急需解決的課題，這具有重要的科研意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

本文的工作重點(diǎn)是對(duì)帶裂縫混凝土重力壩模型進(jìn)行試驗(yàn)研究，在試驗(yàn)中記錄荷載-裂縫口張開(kāi)位移曲線，并補(bǔ)充混凝土材料的斷裂試驗(yàn)，以獲得更為完備、準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

為了能夠反映重力壩在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的裂縫擴(kuò)展過(guò)程，重力壩模型試驗(yàn)是一種有效的技術(shù)手段。通過(guò)模型試驗(yàn)可以觀測(cè)到重力壩真實(shí)、直觀的裂縫擴(kuò)展過(guò)程，并反演原型重力壩的破壞模式。這樣，一方面為重力壩的設(shè)計(jì)施工提供了重要的試驗(yàn)參考，另一方面更為數(shù)值及理論計(jì)算提供了可靠的驗(yàn)證數(shù)據(jù)。

目前被引用頻率較高的重力壩模型試驗(yàn)是由Barpi等學(xué)者[2]在意大利都靈大學(xué)結(jié)構(gòu)材料實(shí)驗(yàn)室內(nèi)制作完成的，這一經(jīng)典算例因被眾多學(xué)者用于驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可靠性而被廣泛使用，但是該模型也存在兩個(gè)不完善之處：一方面是該模型試驗(yàn)中兩個(gè)不同初始縫長(zhǎng)試件的試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定的測(cè)量偏差，這使數(shù)值計(jì)算方法的驗(yàn)證缺乏客觀性和真實(shí)性。圖1為Barpi在試驗(yàn)中測(cè)得的初始縫長(zhǎng)分別為150 mm和300 mm重力壩模型的荷載（P）～裂縫口張開(kāi)位移（CMOD）曲線結(jié)果與多位學(xué)者數(shù)值計(jì)算結(jié)果的對(duì)比圖。斷裂力學(xué)理論分析認(rèn)為，相同工況時(shí)在同一荷載水平作用下初始縫長(zhǎng)為300 mm的模型壩對(duì)應(yīng)的CMOD值應(yīng)該大于初始縫長(zhǎng)為150 mm模型的CMOD值。此外，根據(jù)圖1中試驗(yàn)與數(shù)值的對(duì)比結(jié)果可知，對(duì)于初始縫長(zhǎng)為150 mm的模型，數(shù)值與試驗(yàn)得到的荷載-裂縫口張開(kāi)位移曲線都吻合較好。但是計(jì)算初始縫長(zhǎng)為300 mm模型時(shí)，不同數(shù)值方法計(jì)算得到的P-CMOD曲線較為接近，但均與試驗(yàn)結(jié)果偏差較大，在荷載的上升段，CMOD的測(cè)定值普遍小于計(jì)算結(jié)果。綜上分析，本文認(rèn)為該模型試驗(yàn)中初始縫長(zhǎng)為300 mm的模型結(jié)果應(yīng)存在一定偏差。該模型試驗(yàn)有待完善的另一方面是模型試驗(yàn)中沒(méi)有測(cè)得完備的斷裂參數(shù)，如試驗(yàn)中沒(méi)有提供材料斷裂韌度等參數(shù)，這給基于斷裂力學(xué)理論計(jì)算重力壩裂縫擴(kuò)展過(guò)程的方法帶來(lái)一定困難。

因此，本文開(kāi)展了重力壩模型試驗(yàn)和斷裂參數(shù)測(cè)定試驗(yàn)研究。

2 試驗(yàn)概況及結(jié)果討論

2.1 斷裂參數(shù)試驗(yàn)

在進(jìn)行模型試驗(yàn)前，首先進(jìn)行了與模型試驗(yàn)材料等齡期、等配合比的混凝土斷裂試驗(yàn)。試驗(yàn)中采用三點(diǎn)彎曲梁的試件型式，通過(guò)測(cè)量試件的起裂荷載（Pini），荷載～裂縫口張開(kāi)位移曲線以及荷載-撓度曲線，進(jìn)而確定混凝土材料的起裂韌度（KiInCi），失穩(wěn)韌度（KuICn）和斷裂能（GF）。

試驗(yàn)中采用混凝土材料的配合比為水泥∶砂子∶石子∶水＝1∶2.08∶2.7∶0.44，其中水泥為大連水泥廠生成的 425 號(hào)普通硅酸鹽水泥；骨料為石灰?guī)r碎石，最大骨料粒徑為10 mm。試驗(yàn)時(shí)測(cè)得其立方體抗壓強(qiáng)度（fcu）為38.69 MPa，抗拉強(qiáng)度（ft）為2.9 MPa，泊松比（v）為0.22，彈性模量（E）為24.00 GPa。試驗(yàn)中所采用的三點(diǎn)彎曲梁試件尺寸和測(cè)得的起裂荷載值（Pini）、峰值荷載值以及計(jì)算得到的KiInCi，KuICn和GF均列于表1中。通過(guò)不同幾何尺寸三點(diǎn)彎曲梁試件的測(cè)定結(jié)果，起裂斷裂韌度、失穩(wěn)斷裂韌度與斷裂能均未顯現(xiàn)明顯的尺寸效應(yīng)，因此在數(shù)值計(jì)算過(guò)程中都取其均值，即KiInCi＝

2.2 重力壩模型試驗(yàn)

為了研究重力壩的斷裂特性，本文選取了與Barpi等[9]重力壩模型試驗(yàn)中相同的實(shí)體重力壩原型。原壩高為96 m,建立本文模型的比例尺為1∶80，模型實(shí)際壩高為1.2 m。試驗(yàn)中制作了兩個(gè)等高的標(biāo)號(hào)分別為D1和D2的重力壩模型，兩個(gè)模型壩的預(yù)置縫長(zhǎng)均為150 mm，厚度均為300 mm，縫的位置距壩底的距離分別為300 mm和450 mm（d＝300 mm或d＝450 mm）。通過(guò)在距壩頂200 mm處安置的一個(gè)水平方向千斤頂來(lái)施加連續(xù)水平推力，并采集了加載過(guò)程中重力壩模型的荷載～裂縫口張開(kāi)位移曲線和裂縫擴(kuò)展軌跡。

在試驗(yàn)中測(cè)得的試件D1和D2的P-CMOD曲線結(jié)果如圖2所示。由于試驗(yàn)中所所采用的加載設(shè)施剛度不足，導(dǎo)致峰值荷載后模型壩發(fā)生脆斷，故未能測(cè)得P-CMOD曲線的下降段。雖然沒(méi)能測(cè)得荷載～位移曲線的下降段，但是上升段對(duì)于評(píng)估帶裂縫混凝土重力壩的安全性能更為重要，因?yàn)閷?shí)際工程中主要關(guān)注壩體失穩(wěn)前的穩(wěn)定擴(kuò)展階段。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)不同工況下的重力壩模型進(jìn)行試驗(yàn)研究，觀測(cè)了重力壩起裂、穩(wěn)定擴(kuò)展和失穩(wěn)擴(kuò)展的全過(guò)程，記錄了荷載～裂縫口張開(kāi)位移曲線，這為評(píng)估帶裂縫工作重力壩的安全使用提供了試驗(yàn)依據(jù)，也為數(shù)值計(jì)算提供了驗(yàn)證數(shù)據(jù)。通過(guò)開(kāi)展混凝土斷裂試驗(yàn)，確定了斷裂韌度和斷裂能等參數(shù)，為基于斷裂力學(xué)方法的重力壩分析提供了完備的斷裂參數(shù)。

表1 三點(diǎn)彎曲梁的試件尺寸和參數(shù)

圖2 重力壩模型的荷載-裂縫口張開(kāi)位移全曲線

［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.