多場耦合作用下高混凝土壩水力劈裂研究綜述

甘 磊,沈振中,徐力群

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇南京 210098; 2.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室,江蘇南京 210098)

多場耦合作用下高混凝土壩水力劈裂研究綜述

甘 磊1,2,沈振中1,2,徐力群1,2

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院,江蘇南京 210098; 2.河海大學(xué)水文水資源與水利工程科學(xué)國家重點實驗室,江蘇南京 210098)

闡述了混凝土結(jié)構(gòu)水力劈裂的研究現(xiàn)狀,結(jié)合多場耦合作用下高混凝土壩水力劈裂研究中存在的問題,從水工混凝土結(jié)構(gòu)水力劈裂理論、試驗技術(shù)、數(shù)值模擬和不同耦合條件下裂縫擴(kuò)展研究等方面歸納了國內(nèi)外的研究成果,提出了多場耦合作用下高混凝土壩水力劈裂試驗儀器設(shè)備研制、試驗測試技術(shù)、多場耦合作用下裂縫擴(kuò)展機(jī)理及耦合機(jī)理、考慮結(jié)構(gòu)裂縫任意性的數(shù)值模擬技術(shù)等尚待進(jìn)一步研究的問題。

高混凝土壩;水力劈裂;多場耦合;裂縫擴(kuò)展;綜述

水工混凝土內(nèi)部存在著隨機(jī)分布的初始微觀裂紋,當(dāng)混凝土結(jié)構(gòu)受力時,這些缺陷極易產(chǎn)生應(yīng)力集中并迅速起裂、擴(kuò)展、匯聚形成宏觀裂縫,誘發(fā)混凝土結(jié)構(gòu)的宏觀開裂或破壞[5]。同時,混凝土中的裂紋通常不是單一的,而是由多種裂紋共同擴(kuò)展形成。對于水工混凝土水力劈裂問題,由于水壓力和溫度荷載作用下的混凝土裂縫擴(kuò)展試驗難度大,裝置復(fù)雜,導(dǎo)致目前的相關(guān)試驗研究還不多。

水工混凝土水力劈裂問題的實質(zhì)就是具有高勢能的水對混凝土的破壞,由于混凝土內(nèi)孔隙水的滲流過程及孔隙水壓力的存在,使得對滲流與應(yīng)力耦合作用下的混凝土水力劈裂機(jī)理過程的描述更為復(fù)雜和困難。同時,混凝土的溫度改變將引起混凝土應(yīng)力發(fā)生變化,當(dāng)約束拉應(yīng)變超過混凝土的極限拉伸值時,混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生開裂破壞。溫度變化引起熱應(yīng)力和熱應(yīng)變使得應(yīng)力場和位移場發(fā)生改變,從而引起水工混凝土裂縫特性發(fā)生改變,甚至引起裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展。滲流-應(yīng)力-溫度等多場耦合作用下高混凝土壩裂縫產(chǎn)生、發(fā)展的機(jī)理以及模擬分析方法的研究,具有重要的理論意義和應(yīng)用價值,研究成果可廣泛應(yīng)用于水工混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計、施工和安全評價。

1 混凝土裂縫擴(kuò)展理論研究

材料的破壞過程是兩大力學(xué)難題之一。傳統(tǒng)的力學(xué)強(qiáng)度計算理論以材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)為基礎(chǔ),通常假定材料為均勻連續(xù)體,而且認(rèn)為材料各向同性,避開了材料客觀存在的缺陷、裂縫等,無法解釋理論強(qiáng)度遠(yuǎn)高于實際強(qiáng)度的原因,也不能描述裂縫尖端存在應(yīng)力集中嚴(yán)重的現(xiàn)象。

斷裂力學(xué)主要研究對象為裂紋,通過考慮裂紋尖端的應(yīng)力場和位移場,計算裂紋尖端的應(yīng)力強(qiáng)度因子,從而分析荷載作用下裂紋的擴(kuò)展規(guī)律[6-7]。1913年Inglis采用應(yīng)力集中觀點解釋了由于材料存在缺陷使得材料的實際強(qiáng)度遠(yuǎn)低于理論強(qiáng)度。1921 年,Griffith提出了脆性材料裂紋擴(kuò)展的能量準(zhǔn)則,用彈性體能量平衡的觀點研究了玻璃、陶瓷等脆性材料中的裂紋擴(kuò)展問題。1957年Irwin提出了應(yīng)力場強(qiáng)度觀點及應(yīng)力強(qiáng)度因子斷裂準(zhǔn)則。應(yīng)力強(qiáng)度因子斷裂準(zhǔn)則與裂縫擴(kuò)展的能量準(zhǔn)則構(gòu)成了線彈性斷裂力學(xué)的核心內(nèi)容。彈塑性斷裂研究的發(fā)展起步于20世紀(jì)60年代,英國科學(xué)家認(rèn)為彈塑性斷裂過程聚集于裂縫前方的條狀屈服區(qū),并建立了BCS連續(xù)位錯模型、Cottrell斷裂過程區(qū)模型、Dugdale簡化條狀塑性區(qū)模型、Barenblatt內(nèi)聚斷裂模型等彈塑性斷裂模型。1965年Wells根據(jù)上述模型提出以裂縫尖端張開位移COD(crack opening displacement)作為表征斷裂的參量,建立了裂縫的斷裂準(zhǔn)則。

從應(yīng)力強(qiáng)度因子出發(fā),1968年美國科學(xué)家提出以J積分和HRR理論作為斷裂力學(xué)參量。1991年美國電力研究院以J積分為斷裂判據(jù),推出了較完整的延性斷裂手冊,標(biāo)志著彈塑性斷裂力學(xué)的完善。1961年Kaplan[8]將斷裂力學(xué)的概念引入到混凝土中。Lajtail[9]建立了壓剪斷裂的強(qiáng)變理論,指出在受壓剪作用下,裂縫端部形成不均勻應(yīng)力場,存在拉應(yīng)力和壓應(yīng)力集中現(xiàn)象,產(chǎn)生垂直受力方向的正剪切裂縫。在國內(nèi),徐道遠(yuǎn)等[10]在分析大體積混凝土破壞機(jī)理并進(jìn)行大量試驗的基礎(chǔ)上,提出了一種損傷-斷裂耦合模型,該模型能反映如混凝土壩這樣的大體積混凝土結(jié)構(gòu)開裂至破壞過程的實際情況。張鏡劍等[11]提出了一種適用于分析含壓剪裂縫結(jié)構(gòu)的非線性斷裂力學(xué)數(shù)值分析模型——壓剪鈍裂縫帶模型;楊延毅[12]運用損傷力學(xué)理論,從微裂縫損傷演化發(fā)展的角度研究混凝土裂縫的形成與擴(kuò)展機(jī)理,提出了相應(yīng)的理論判據(jù)?；炷两Y(jié)構(gòu)中不可避免地存在缺陷和裂縫,用連續(xù)介質(zhì)來反映應(yīng)混凝土材料的力學(xué)性能不符合實際情況。現(xiàn)今,許多學(xué)者將混凝土斷裂力學(xué)和損傷力學(xué)引入到混凝土裂縫的擴(kuò)展研究工作中。

2 混凝土水力劈裂試驗研究

從20世紀(jì)末開始,我國進(jìn)入了水利建設(shè)的黃金時期,一大批處于高水頭、大埋深等惡劣水文地質(zhì)條件下的高壩、深埋隧洞相繼開工建設(shè)。相對于復(fù)雜多樣的工程建設(shè)背景,巖體和混凝土水力劈裂的研究卻還處于初始階段,工程實踐缺少理論支持,急需深入開展水力劈裂的試驗以及計算方法研究。水力劈裂實驗是揭示水力劈裂機(jī)理的最佳方法,有關(guān)研究巖體單裂紋滲流特性與周圍應(yīng)力之間關(guān)系和裂紋水力劈裂機(jī)理的試驗較多[13-21],但研究混凝土材料斷裂細(xì)觀物理機(jī)制方面的試驗以及裂紋水力劈裂機(jī)理的試驗卻較少。由于混凝土的力學(xué)性能與試件尺寸有關(guān),要確切描述混凝土的力學(xué)性能就必須研究混凝土的尺寸效應(yīng)。很多實際的混凝土結(jié)構(gòu)尺寸均比較大,難以進(jìn)行實際結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)試驗,僅能在實驗室進(jìn)行小尺寸試件的模擬,據(jù)此得到的結(jié)果對實際結(jié)構(gòu)的指導(dǎo)意義和實用性有限,成為目前研究的難題之一。吳智敏等[22-23]的試驗表明,混凝土的斷裂韌度隨試件尺寸的增加而增加,但當(dāng)試件尺寸增加到一定值時,斷裂韌度趨于恒定,即混凝土斷裂韌度只在一定范圍內(nèi)存在尺寸效應(yīng)。同時,徐世烺等[24]采用體積、跨度、厚度和高度四系列的三點彎曲梁試件研究了混凝土斷裂韌度的尺寸效應(yīng)規(guī)律,發(fā)現(xiàn)試件高度是影響混凝土斷裂韌度的主要原因。

在混凝土水力劈裂機(jī)理研究方面,Bruhwiler 等[25-27]采用混凝土楔形劈裂試件對混凝土裂縫進(jìn)行了試驗研究和數(shù)值模擬,研究了裂縫中靜水壓力對混凝土表觀斷裂能和表觀斷裂韌度的影響,測試了裂紋內(nèi)水壓力分布,結(jié)果表明,裂紋內(nèi)水壓力會導(dǎo)致裂紋尖端損傷,降低裂尖部位的斷裂韌度。賈金生等[3]采用預(yù)設(shè)裂縫的全級配混凝土大試件進(jìn)行試驗,在裂縫面上直接施加水壓力,直至混凝土被高壓水擊穿。由于混凝土的力學(xué)行為與巖石材料有許多相似之處,故可以將有關(guān)巖石水力劈裂方面的試驗方法引入混凝土水力劈裂試驗研究工作中,李宗利等[28]針對巖體混凝土類材料從單裂紋的水力劈裂模型、試驗技術(shù)、數(shù)值方法、裂紋內(nèi)水壓力分布等方面介紹了國內(nèi)外的理論研究成果。

1．4 腦電圖檢測 FS組患兒在入院第1天采用意大利ENG＿GNT2SW腦電圖機(jī)行常規(guī)腦電圖描記。結(jié)果按照黃遠(yuǎn)貴編制的《臨床腦電圖學(xué)》分為正常、異常，異常包括非特異性異常（廣泛性慢波）及發(fā)作性異常［棘波、尖波、棘（尖）－慢復(fù)合波］。

3 混凝土水力劈裂數(shù)值方法研究

3.1 連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析法

有限元法是當(dāng)今應(yīng)用最為廣泛的數(shù)值方法。為了解決裂縫的擴(kuò)展問題,Benzley[29]提出采用奇異單元法,Atluri等[30-31]提出采用增強(qiáng)單元法和動態(tài)奇異單元法。Swenson等[32]采用節(jié)點釋放技術(shù)模擬裂縫沿單元邊界擴(kuò)展,Bittencourt等[33]通過調(diào)整局部網(wǎng)格以實現(xiàn)對線彈性材料裂縫擴(kuò)展的模擬;Lim 等[34]應(yīng)用上述相近方法實現(xiàn)對彈塑性材料的復(fù)合型斷裂的模擬;楊慶生等[35]提出采用自適應(yīng)有限元法對裂縫擴(kuò)展進(jìn)行模擬分析;Poston等[36]通過引入接觸單元實現(xiàn)裂縫擴(kuò)展模擬,該方法在可能產(chǎn)生裂縫的區(qū)域布置厚度為零的接觸面單元,通過接觸面單元的應(yīng)力判斷裂縫的開裂情況及路徑。

Belyschko等[37-38]等采用擴(kuò)展有限元法(extended finite element method,XFEM)解決了網(wǎng)格不斷調(diào)整的問題,將裂縫和有限元網(wǎng)格分開考慮,通過在位移函數(shù)中加入增強(qiáng)項以解決裂縫面的不連續(xù)性和裂尖的奇異性,從而解決裂縫擴(kuò)展問題。目前國內(nèi)有學(xué)者將XFEM應(yīng)用于混凝土重力壩的開裂分析[39-40],方修君等[41]還利用XFEM對裂隙水壓作用下混凝土試件的開裂過程進(jìn)行了模擬,首次將XFEM應(yīng)用于混凝土水力劈裂研究?？梢钥闯?XFEM的應(yīng)用已經(jīng)由最初的梁、板等構(gòu)件拓寬到了大型水工結(jié)構(gòu)的開裂破壞研究,并且可以用于研究混凝土的水力劈裂破壞。董玉文等[42]研究了采用XFEM進(jìn)行重力壩水力劈裂數(shù)值模擬的方法。

邊界元法[43]可以分別通過直接法和間接法建立邊界方程。為了處理裂縫擴(kuò)展問題,Sladek[44]采用拉普拉斯變化法分析了在沖擊荷載作用下,無限彈性內(nèi)含圓片裂縫的動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子;Portela[45]采用雙重邊界元法研究二維和三維的裂縫擴(kuò)展問題;Shou等[46]采用位移不連續(xù)法求解裂縫的不連續(xù)位移場和應(yīng)力場;Dwyer等[47]采用邊函數(shù)法,通過不同的勢函數(shù)考慮不同的邊界,如內(nèi)部空洞、裂縫等邊界;程玉民等[48-49]分別采用相似邊界元法和無限相似邊界元法,對瞬態(tài)載荷作用下的動態(tài)應(yīng)力強(qiáng)度因子進(jìn)行了分析計算。盡管邊界元法的研究已經(jīng)開展了很多年,但是邊界元法還是不適合用來處理非線性材料、多介質(zhì)等復(fù)雜問題。

3.2 非連續(xù)介質(zhì)力學(xué)分析法

數(shù)值流形方法(numerical manifold method, NMM)以拓?fù)淞餍魏臀⒎至餍螢榛A(chǔ),采用數(shù)學(xué)覆蓋和物理網(wǎng)格兩套獨立網(wǎng)格,將有限元網(wǎng)格作為數(shù)學(xué)覆蓋,邊界條件、裂縫、交界面等作為物理網(wǎng)格,通過物理網(wǎng)格對數(shù)學(xué)覆蓋的再剖分,形成覆蓋材料全域的物理覆蓋系統(tǒng)。此方法可以較好地模擬裂縫擴(kuò)展問題,Tsay等[50]采用數(shù)值流形方法和斷裂力學(xué)相結(jié)合的方法研究裂縫擴(kuò)展及尖端應(yīng)力場;王水林等[51]利用這種將連續(xù)變形與非連續(xù)變形分析相結(jié)合的數(shù)值流形法對裂縫擴(kuò)展進(jìn)行了數(shù)值模擬;Chiou 等[52]用虛位移擴(kuò)展法和數(shù)值流形方法相結(jié)合來研究混合裂縫擴(kuò)展問題。

無單元法(EFM)是一種較為新穎的數(shù)值方法,它只需計算域的幾何邊界及計算點,不需要單元信息,因此具有邊界元法的優(yōu)點,且可以在開裂點附近布置可移動的加密節(jié)點以方便地跟蹤裂縫的擴(kuò)展過程,同時無單元法基本方程的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)與有限元法類似,所以無單元法也具有有限元法的優(yōu)點,又比邊界元法具有更廣泛的應(yīng)用范圍。應(yīng)用無單元法追蹤裂紋擴(kuò)展,目前還存在著不少難題有待解決,在工程中的應(yīng)用也很少,國內(nèi)外許多學(xué)者都在進(jìn)行著這方面的研究:Belytschko等[53]提出了無單元伽遼金法(EFGM),這種方法在計算形函數(shù)導(dǎo)數(shù)時保留了被Nayroles等[54]忽略的所有項,并利用拉格朗日乘子法引入本質(zhì)邊界條件;在國內(nèi),清華大學(xué)張雄等[55]提出了基于子域法的緊支函數(shù)加權(quán)殘量法的無網(wǎng)格格式和最小二乘配點的無網(wǎng)格法,避免采用背景網(wǎng)格形式以消除其對數(shù)值積分的限制,并將此法應(yīng)用于求解彈塑性及波傳動等問題;欒茂田等[56-57]提出了采用有限覆蓋無單元法解決連續(xù)與非連續(xù)問題,并將此法應(yīng)用于裂縫擴(kuò)展追蹤問題、巖土類弱拉型材料摩擦接觸問題和脆性材料損傷斷裂演化行為問題等方面的研究;劉欣等[58]提出了流形覆蓋思想的無單元法,該法在邊界奇異性半解析無單元法研究的基礎(chǔ)上,采用四象限法以確定覆蓋范圍大小;周維垣等[59]對無單元伽遼金法進(jìn)行了詳細(xì)介紹,提出了一種拱壩開裂分析的近似方法(代表體積法),隨后又將無單元伽遼金法用于三維斷裂力學(xué)[60],并應(yīng)用于拱壩三維開裂分析中[61]。但是無單元法計算中系數(shù)矩陣帶寬比較大,致使計算量也相當(dāng)大,從計算精度及方便性來說,無單元法優(yōu)于有限元法,但就計算效率而言,無單元法不及有限元法,因此,將無單元法與有限元法耦合起來處理問題效果更好、更為方便,為解決高混凝土壩水力劈裂問題提供了全新的途徑。

4 混凝土多場耦合模型研究

4.1 滲流-應(yīng)力耦合模型

滲流-應(yīng)力耦合模型主要包括滲流場和應(yīng)力場的數(shù)值模擬及裂縫特性的模擬兩個方面的內(nèi)容,其中耦合模型中的關(guān)鍵問題就是如何反映滲流過程中裂縫的擴(kuò)展和萌生。一直以來,關(guān)于混凝土水力劈裂方面的研究都只考慮裂縫的內(nèi)水壓力或者整體滲流場對結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形狀態(tài)的作用以及對裂縫擴(kuò)展的影響。混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)和裂縫位置、長度、寬度以及形狀的變化也都會改變結(jié)構(gòu)的滲流場和裂縫的內(nèi)水壓力,因此滲流場與應(yīng)力場之間的相互作用在研究高混凝土壩水力劈裂時是不容忽視的。高壓水致使混凝土裂紋張開、擴(kuò)展、貫通的同時,伴隨著水流在裂紋中運動。裂紋內(nèi)水力特性及壓力直接影響混凝土的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài),尤其是對于在深水壓力下運行的高混凝土壩而言,建立其流固耦合模型存在一定的困難:①裂紋的失穩(wěn)擴(kuò)展也并非穩(wěn)定的發(fā)展,而是跳躍式前進(jìn),水流也并非恒定流。裂紋流體運動方程的求解邊界條件注入流量和外部水頭是恒定的,這樣的邊界條件不符合深埋地下結(jié)構(gòu)、高壩結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)中水流所產(chǎn)生的水力劈裂問題。②流固耦合分析時,涉及裂紋的張開寬度、張開速率及加速度、裂紋的滲透系數(shù)等參數(shù),實際應(yīng)用較為困難。

目前滲流場與應(yīng)力場的耦合研究多半都以巖體,尤其是含裂隙的巖體作為研究對象。鑒于混凝土與巖體同為多孔介質(zhì),它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在很多方面具有類似的特征,將巖體的滲流場與應(yīng)力場耦合模型應(yīng)用到混凝土結(jié)構(gòu)上也不失為一種有效的解決辦法。沈振中等[62-63]將無單元伽遼金法引入滲流場計算,運用無單元法求解重力壩以及巖體的滲流場與應(yīng)力場。將無單元法引入滲流-應(yīng)力耦合分析模型,研究耦合條件下高壩的水力劈裂問題是一種比較可行的方法。

4.2 滲流-溫度耦合模型

溫度荷載是混凝土壩的主要荷載之一,當(dāng)混凝土的溫度發(fā)生改變時,例如冷卻水的侵入、水泥水化熱以及環(huán)境溫度的改變,都將引起混凝土的應(yīng)力改變,當(dāng)約束拉應(yīng)變超過混凝土的極限拉伸值時,混凝土結(jié)構(gòu)發(fā)生開裂破壞。溫度變化引起熱應(yīng)力和熱應(yīng)變使得應(yīng)力場和位移場發(fā)生改變,同時隨著溫度的變化,材料的自身物理力學(xué)性質(zhì)也會發(fā)生改變,從而引起水工混凝土裂縫的特性發(fā)生改變,甚至引起裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展。在溫度場分析中,由于水等滲透介質(zhì)在滲流場中的運移過程中,必然存在與壩體的熱量傳遞與交換,導(dǎo)致水工結(jié)構(gòu)內(nèi)的溫度場分布發(fā)生一定的改變,因此滲流場對溫度場的作用是不可忽視的。當(dāng)前滲流-溫度耦合作用大多都是針對地下巖體進(jìn)行研究的,Harlan[64]考慮滲流場和溫度場的耦合作用,提出了凍結(jié)過程中的熱質(zhì)遷移數(shù)學(xué)模型;柴軍瑞等[65]采用等效連續(xù)介質(zhì)法,提出滲流和溫度耦合模型,并給出了有限元法計算方法;黃濤等[66]通過將裂隙圍巖體滲透性能與熱物理性能的等效連續(xù)化處理,建立了圍巖體溫度場與滲流場耦合作用數(shù)學(xué)模型,計算了某隧洞的溫度和滲流場;賴遠(yuǎn)明等[67]應(yīng)用伽遼金法導(dǎo)出相變溫度場和滲流場的有限元方程,并計算了寒區(qū)大壩和擋土墻的滲流場和溫度場;周志芳等[68]建立了考慮熱對流、熱傳導(dǎo)、熱機(jī)械彌散及含水介質(zhì)骨架與水之間的熱量交換的地下水熱量運移數(shù)學(xué)模型,運用BEM-FAM耦合法求解熱量運移的水流-傳熱耦合模型,具有較好的計算精度;張樹光[69]提出滲流改變了溫度場的對稱分布,熱交換隨著滲流速度的增加而向順滲流方向移動;張玉軍[70]采用裂隙巖體的滲透性能和熱學(xué)性能等效連續(xù)處理方法,指出由于裂隙中的滲流通過與巖體的熱量傳遞使得溫度場的分布發(fā)生改變。到目前為止,關(guān)于混凝土裂縫的滲流-溫度耦合分析研究的報道還很少。

4.3 溫度滲流-應(yīng)力耦合模型

目前溫度-滲流-應(yīng)力三場耦合大多應(yīng)用于核能、地?zé)嵋约昂藦U料填埋等方面,三場耦合理論的發(fā)展過程中,國內(nèi)外研究人員提出了多種形式的三場耦合數(shù)學(xué)模型,大致可分為兩類:飽和介質(zhì)三場耦合數(shù)學(xué)模型與非飽和-飽和介質(zhì)三場耦合數(shù)學(xué)模型。Noorishad等[71]在擴(kuò)展的Biot固結(jié)理論基礎(chǔ)上,提出了飽和孔隙介質(zhì)的三場耦合控制方程組;Hart 等[72]基于混合物理論,推導(dǎo)了飽和孔隙介質(zhì)的熱力水流完全耦合方程組;Gatmiri等[73]提出了飽和土的熱液力耦合微分方程組;Bower等[74]提出了飽和雙重介質(zhì)的三場耦合數(shù)學(xué)模型;Neaupane 等[75]推導(dǎo)了各向異性非飽和飽和-孔隙介質(zhì)的三場耦合控制方程;賴遠(yuǎn)明等[76]根據(jù)凍土力學(xué)、滲流理論和傳熱學(xué)提出了帶相變的三場耦合數(shù)學(xué)力學(xué)模型;黃濤等[77]通過等效性能場之間耦合作用的研究建立了巖體地下水滲流場、應(yīng)力場與溫度場耦合作用的簡單數(shù)學(xué)模型;劉亞晨等[78]根據(jù)不可逆熱力學(xué)基本理論,推導(dǎo)了核廢料貯庫裂隙巖體介質(zhì)熱液力耗散過程的定解方程;梁冰等[79]在塊裂介質(zhì)理論的基礎(chǔ)上,導(dǎo)出了三維裂隙網(wǎng)絡(luò)的塊裂介質(zhì)高溫巖體熱-流-固耦合方程;Rutqvist等[80]導(dǎo)出了對于飽和-非飽和介質(zhì)三場耦合控制方程的一般形式。

三場耦合模型的數(shù)值模擬由于能更好地體現(xiàn)結(jié)構(gòu)的運行工作狀態(tài),已經(jīng)成為很多研究者的重要研究方向,但是有關(guān)水工混凝土結(jié)構(gòu)裂縫擴(kuò)展方面的研究卻很少。水工混凝土結(jié)構(gòu)大多都是在水壓力作用和溫度變化條件下運行的,而溫度場、滲流場和應(yīng)力場的分布是評價水工混凝土結(jié)構(gòu)工程運行狀況的重要方面,同時三者之間并非是孤立存在的,它們之間是相互作用、相互影響和相互制約的,當(dāng)某一場發(fā)生擾動變化時,另外兩場也將受到一定程度的影響。要想準(zhǔn)確、客觀和全面評價水工混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫萌生、擴(kuò)展以及可能的失穩(wěn)狀況,應(yīng)當(dāng)考慮溫度、滲流和應(yīng)力之間的相互作用關(guān)系,即考慮溫度場、滲流場、應(yīng)力場三場間的耦合作用。因此,需要研究多場耦合條件下的高混凝土壩水力劈裂問題就必須建立合理的混凝土裂縫溫度-滲流-應(yīng)力多場耦合模型。

5 尚待研究的問題

目前,多場耦合作用下水工混凝土結(jié)構(gòu)水力劈裂試驗、發(fā)生機(jī)理以及高壓水力劈裂數(shù)值模擬等方面的研究不多,尚有許多有待進(jìn)一步研究的問題:

a.研究水工混凝土裂縫在外荷載和水壓力的雙重影響下,水工混凝土在非恒定水頭和流量時裂縫擴(kuò)展與流體的耦合機(jī)理,研究滲流-應(yīng)力耦合條件下裂縫的萌生、發(fā)展以及失穩(wěn)機(jī)理和特性。

b.在溫度滲流應(yīng)力耦合作用條件下,其耦合機(jī)理復(fù)雜,需要深入研究水工混凝土結(jié)構(gòu)裂縫開度、擴(kuò)展長度、裂縫內(nèi)的內(nèi)水壓力、起裂韌度、裂縫在不同水壓情況下的起裂寬度、外部水溫等對混凝土結(jié)構(gòu)裂縫擴(kuò)展的影響。

c.采用數(shù)值模擬方法研究多場耦合作用下水工混凝土裂縫產(chǎn)生和發(fā)展過程,需要重點解決多裂縫、交叉裂縫以及任意裂縫開展的計算技術(shù),同時其斷裂準(zhǔn)則也有待進(jìn)一步深入研究。

d.針對高混凝土壩水力劈裂問題,需要研制先進(jìn)的測試技術(shù)和試驗設(shè)備,以及研發(fā)混凝土裂縫起裂判斷和擴(kuò)展過程的相關(guān)計算程序,注重多場耦合作用和結(jié)構(gòu)裂縫的任意性,研究高混凝土壩水力劈裂的萌生、發(fā)展和失穩(wěn)破壞的演化規(guī)律。

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Review on hydraulic fracture in high concrete dam under multi-field coupling conditions

//GAN Lei1,2,SHEN Zhenzhong1,2,XU Liqun1,2(1.College of Water Conservancy and Hydropower Engineering,Hohai University,Nanjing 210098,China;2.State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering,Hohai University, Nanjing 210098,China)

The research status of hydraulic fractures in concrete structures is reviewed.With regard to the existing problems in the research on hydraulic fractures in high concrete dams under multi-field coupling conditions,the worldwide results of hydraulic fractures in concrete structures are summarized from the perspectives of hydraulic fracturing theories,test techniques,numerical simulation methods,and crack propagation studies under different coupling conditions.Several prospects are proposed:test equipment and techniques for hydraulic fractures in high concrete dams under multi-field coupling conditions,crack propagation and coupling mechanisms for different coupling conditions,and numerical techniques considering arbitrary structural cracks.

high concrete dam;hydraulic fracture;multi-filed coupling;crack propagation;review

10.3880/j.issn.10067647.2013.02.019

TV642

A

10067647(2013)02008708

2012-06-14 編輯:熊水斌)

國家自然科學(xué)基金(51179062);江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計劃(CXLX11_0447)

甘磊(1987—),男,博士研究生,江西撫州人,主要從事壩工設(shè)計計算理論與試驗技術(shù)研究。E-mail:ganlei2015@hhu.edu.cn