重力壩水力劈裂破壞結(jié)構(gòu)變形分析

胡少偉， 王 洋， 孫岳陽(yáng)， 陸 俊

(南京水利科學(xué)研究院， 水文水資源與水利工程科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京 210098)

混凝土重力壩在其施工和運(yùn)營(yíng)期間會(huì)發(fā)生不同程度的形變位移，工程中及時(shí)掌握大壩的變形演變規(guī)律并做出準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，對(duì)大壩的結(jié)構(gòu)安全分析起到了至關(guān)重要的作用[1-3]。工程實(shí)踐中，大壩的變形位移安全監(jiān)測(cè)是大壩管理的重要內(nèi)容，對(duì)大壩監(jiān)測(cè)變形位移的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行綜合分析是評(píng)判大壩安全狀況的有效方法[4-6]。大壩受載后結(jié)構(gòu)的變形位移全過(guò)程分析，結(jié)合大壩結(jié)構(gòu)關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)變形位移的特征規(guī)律分析，對(duì)大壩的結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)和其災(zāi)害預(yù)警具有重要意義。

大壩的變形位移充分反映了大壩壩體及壩基的結(jié)構(gòu)工作性態(tài)，由于幾何變形位移易于測(cè)量，是綜合分析、評(píng)價(jià)和監(jiān)控大壩運(yùn)行安全狀態(tài)的主要依據(jù)。當(dāng)變形位移監(jiān)測(cè)值在安全監(jiān)控指標(biāo)的某一范圍時(shí)，立即可以對(duì)大壩的安全狀況作出診斷[7-10]。混凝土重力壩縮尺模型試驗(yàn)是一種可靠的分析大壩結(jié)構(gòu)安全的試驗(yàn)手段，利用大壩縮尺模型研究大壩結(jié)構(gòu)在不同受載條件下的變形位移規(guī)律，通過(guò)分析結(jié)構(gòu)變形規(guī)律特征可總結(jié)獲得真實(shí)大壩結(jié)構(gòu)的變形位移指標(biāo)閾值。目前，重力壩模型試驗(yàn)結(jié)果被引用頻率較高的是由Carpinteri等[11]和Valente等[12]先后在意大利都靈大學(xué)結(jié)構(gòu)材料實(shí)驗(yàn)室完成，后者的模型試驗(yàn)常被一些學(xué)者[13-15]作為數(shù)值計(jì)算準(zhǔn)確性的驗(yàn)證數(shù)據(jù)。榮華等[16-17]改進(jìn)了前人的重力壩模型試驗(yàn)，并利用該方法研究了重力壩斷裂過(guò)程中斷裂過(guò)程區(qū)對(duì)結(jié)構(gòu)變形的影響效應(yīng)。重力壩模型不僅可用于模擬重力壩結(jié)構(gòu)的安全問(wèn)題，也可以用于研究大壩地基穩(wěn)定性[18-20]。本文基于前人的研究方法，建立了重力壩模型水力劈裂物理模型試驗(yàn)，并利用該試驗(yàn)研究了不同工況下混凝土重力壩的變形特性規(guī)律。

1 重力壩縮尺模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)概況

重力壩變形分析以重力壩縮尺模型超載變形試驗(yàn)為基礎(chǔ)，試驗(yàn)中監(jiān)測(cè)大壩坡面水平變形位移值，分別沿垂直方向等間距設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。大壩模型的澆筑采用混凝土澆筑，大壩設(shè)置水平裂縫，大壩的結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示，大壩模型澆筑的混凝土配合比及力學(xué)性能參數(shù)值分別列于表1和表2。

圖1 重力壩模型試件尺寸圖(單位：cm)

表1 試驗(yàn)混凝土材料配合比

表2 試驗(yàn)混凝土材料力學(xué)參數(shù)

1.2 大壩水力劈裂試驗(yàn)方法

在已有重力壩失事事例中，幾乎很少發(fā)生過(guò)沿壩體發(fā)生水力劈裂產(chǎn)生結(jié)構(gòu)失事的現(xiàn)象，這主要是因?yàn)閴误w結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)完全由水力劈裂導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)失事時(shí)，其內(nèi)部裂縫的擴(kuò)展極其極端，實(shí)際工程中這種極端的現(xiàn)象基本可以被杜絕。然而，重力壩結(jié)構(gòu)迎水面裂縫中含水壓力對(duì)壩體結(jié)構(gòu)的變形性能會(huì)產(chǎn)生重大影響。圖2為重力壩結(jié)構(gòu)中迎水面裂縫中含水壓力下結(jié)構(gòu)的變形示意圖。由圖2可知，水力劈裂作用下壩體的變形主要由靜水壓力P和裂縫中水壓力Pc引起的，由于工程中裂縫相比較大壩結(jié)構(gòu)存在尺寸上的巨大差異，因此，為了突出迎水面裂縫中水力劈裂的影響效應(yīng)，本文設(shè)計(jì)的裂縫結(jié)構(gòu)尺寸與大壩尺寸為同一級(jí)別。

圖2 重力壩模型受載變形位移圖

重力壩模型受載示意圖如圖3(a)所示，該受載模式模擬大壩在實(shí)際運(yùn)行中承受上游面靜水壓力的狀態(tài)，設(shè)該靜水壓力總和為P。同時(shí)，大壩上游面設(shè)置的水平裂縫中，由于壓力水的存在產(chǎn)生了作用于裂縫表面的水壓力。試驗(yàn)中利用兩個(gè)水平作用于大壩的機(jī)械荷載力代替上游面的靜水壓力(如圖3(b)所示)，利用砝碼重力模擬裂縫中的水力劈裂力(如圖3(c)所示)。其中，作用的水平集中荷載由液壓千斤頂提供并通過(guò)剛度較大的分配梁作用于大壩裂縫上下兩部分。

圖3 重力壩模型加載示意圖

兩個(gè)集中荷載的值P1、P2和相應(yīng)的荷載作用點(diǎn)計(jì)算公式為：

(1)

大壩模型的裂縫起裂前，裂縫中水壓力為均勻分布且保持恒定。因此，大壩裂縫起裂前，裂縫中水壓力Pc為恒定值與裂縫的縱向位置相關(guān)，其計(jì)算公式為：

(2)

1.3 大壩變形監(jiān)測(cè)方法

重力壩模型變形位移的監(jiān)測(cè)分別采用高精度和棱鏡進(jìn)行監(jiān)測(cè)，關(guān)鍵點(diǎn)的位置布置如圖4所示，實(shí)驗(yàn)中高精度位移計(jì)與棱鏡同時(shí)布置于關(guān)鍵監(jiān)測(cè)點(diǎn)處。圖5(a)為壩體模型的高精度位移計(jì)布設(shè)示意圖，圖5(b)為壩體模型棱鏡布設(shè)示意圖。監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置為壩頂和距壩頂分別15 cm、30 cm、45 cm、60 cm位置處的壩體坡面上，其中壩頂位置處監(jiān)測(cè)內(nèi)容為水平位移和垂直位移，其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)處為水平位移。監(jiān)測(cè)位移的數(shù)據(jù)參量命名為：壩頂水平位移HD-1、距壩頂15 cm處坡面水平位移HD-2、距壩頂30 cm處坡面水平位移HD-3、距壩頂45 cm處坡面水平位移HD-4、距壩頂60 cm處坡面水平位移HD-5、壩頂垂直位移VD-1。

圖4 重力壩模型變形位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)

圖5 重力壩模型變形位移監(jiān)測(cè)儀器

2 大壩變形全過(guò)程及其轉(zhuǎn)異特征分析

2.1 大壩變形全過(guò)程分析及轉(zhuǎn)異點(diǎn)判定

混凝土重力壩的典型超載變形全過(guò)程曲線如圖6所示。大壩的P-δ曲線可將結(jié)構(gòu)變形過(guò)程分為三個(gè)階段：(1) 線彈性階段，即圖中OA段，該階段內(nèi)壩體的變形屬于彈性變形，并且壩體中任意部位的應(yīng)力均未超過(guò)材料的比例極限，重力壩的壩踵受壓，卸載后壩體變形將完全恢復(fù)且加、卸載的曲線將完全重合；(2) 屈服變形階段，即圖中AB段，該狀態(tài)下大壩處于彈塑性工作狀態(tài)，外加荷載P繼續(xù)增大導(dǎo)致重力壩的局部區(qū)域?qū)⒊霈F(xiàn)拉伸或者壓剪破壞的現(xiàn)象，并且，超載導(dǎo)致的重力壩結(jié)構(gòu)變形顯著增大；(3) 破壞階段，即圖中BC段，該狀態(tài)下即使外加荷載增加的很小也會(huì)導(dǎo)致壩體結(jié)構(gòu)的變形迅速增加，并且，達(dá)到C點(diǎn)后重力壩將會(huì)喪失其承載能力，繼續(xù)加載將導(dǎo)致大壩于CD段某一點(diǎn)突然坍塌，運(yùn)行中的混凝土重力壩結(jié)構(gòu)絕對(duì)不允許出現(xiàn)處于破壞階段的狀態(tài)。

圖6 混凝土重力壩變形轉(zhuǎn)異全過(guò)程曲線

大壩變形轉(zhuǎn)異特征點(diǎn)的確定方法應(yīng)該結(jié)合其特征狀態(tài)，即確定A點(diǎn)應(yīng)考慮處于線彈性階段與屈服變形階段大壩的狀態(tài)差異，確定B點(diǎn)應(yīng)考慮處于屈服變形階段與破壞階段壩體的狀態(tài)差異，確定C點(diǎn)應(yīng)考慮大壩的最大承載極限。

2.2 不同水壓力大壩模型變形全過(guò)程分析

為了分析不同水壓力下大壩模型的變形全過(guò)程，試驗(yàn)中在大壩的預(yù)制縫內(nèi)分別設(shè)定了四種不同的水壓力分析狀態(tài)，試驗(yàn)獲得了不同狀態(tài)下大壩的斷裂變形全過(guò)程曲線。工程中大壩內(nèi)部會(huì)設(shè)有排水系統(tǒng)，這會(huì)改變裂縫中原有的水壓力分布，因此本文設(shè)定了四種水壓力分布狀態(tài)。試驗(yàn)中在10 cm長(zhǎng)預(yù)設(shè)裂縫中設(shè)定的水壓力分布分別為無(wú)水壓力、三角形分布、梯形分布、矩形分布四種狀態(tài)。各水壓力分布狀態(tài)示意圖如圖7所示，相應(yīng)的大壩模型分別命名為：Dam0-10、Dam1-10、Dam2-10、Dam3-10。

圖7 不同水壓力分布模型狀態(tài)示意圖

圖8為重力壩模型迎水面裂縫中含不同比例系數(shù)的HD-1水力劈裂試驗(yàn)變形全過(guò)程曲線圖。由圖8可知，隨著裂縫中水力劈裂效應(yīng)的增強(qiáng)模型的承載力顯著降低，且模型極限承載點(diǎn)的位移變形量隨著水力劈裂系數(shù)增大而增大。這表明隨著壩體結(jié)構(gòu)中水力劈裂效應(yīng)的增加結(jié)構(gòu)的抵擋水壓能力降低，結(jié)構(gòu)的變形位移增大。同時(shí)，對(duì)比超載試驗(yàn)中壩體結(jié)構(gòu)的前期變形趨勢(shì)可知，隨著裂縫中水力劈裂系數(shù)的增大結(jié)構(gòu)的剛性降低，結(jié)構(gòu)承載后變形能力增大。通過(guò)裂縫中水力劈裂的這種影響效果可以反映出結(jié)構(gòu)中不同的水壓分布模型對(duì)判定壩體結(jié)構(gòu)中水力劈裂的影響效果具有十分重要的影響。反應(yīng)較小水力劈裂效應(yīng)的水壓分布模型不能準(zhǔn)確的描述重力壩中水力劈裂對(duì)結(jié)構(gòu)安全性能的影響效果，特別是當(dāng)結(jié)構(gòu)中水壓力較大時(shí)的安全狀態(tài)。反應(yīng)較大水力劈裂效應(yīng)的水壓分布模型會(huì)卻會(huì)使得對(duì)結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)過(guò)程中放大水力劈裂效應(yīng)，從而在評(píng)價(jià)中對(duì)結(jié)構(gòu)的承載性能產(chǎn)生浪費(fèi)。合理的裂縫中水壓分布模型是準(zhǔn)確指導(dǎo)構(gòu)建結(jié)構(gòu)水力劈裂影響效應(yīng)的重要依據(jù)，然而，目前還沒(méi)有對(duì)大結(jié)構(gòu)體裂縫中水壓分布合理預(yù)測(cè)的模型，這也是目前眾多學(xué)者研究工作的重點(diǎn)。

圖8 不同水力劈裂比例系數(shù)重力壩模型變形

為了更準(zhǔn)確對(duì)比裂縫中水力劈裂效應(yīng)對(duì)壩體結(jié)構(gòu)超載全過(guò)程曲線的影響效果，通過(guò)上文提到的轉(zhuǎn)異特征點(diǎn)計(jì)算方法計(jì)算所有壩體模型的變形轉(zhuǎn)異特征點(diǎn)并列于表3中。由表可知，隨著裂縫中水力劈裂比例系數(shù)的增大，壩體結(jié)構(gòu)變形轉(zhuǎn)異點(diǎn)A越來(lái)越靠近起點(diǎn)，這表明結(jié)構(gòu)的線彈性階段減小，結(jié)構(gòu)裂縫中的水壓力使得壩踵位置處由重力引起的壓應(yīng)力減小，重力壩安全性能降低。同時(shí)，隨著水力劈裂系數(shù)的增大，變形轉(zhuǎn)異點(diǎn)B點(diǎn)與A點(diǎn)距離增大而與C點(diǎn)相接近，這表明結(jié)構(gòu)的屈服階段加長(zhǎng)且破壞階段提前。由此可知，壩體結(jié)構(gòu)中水平裂縫的水力劈裂效應(yīng)會(huì)使得結(jié)構(gòu)受載后提前進(jìn)入屈服階段且結(jié)構(gòu)的破壞過(guò)程加快，即結(jié)構(gòu)達(dá)到承載極限后隨即坍塌。

表3 重力壩模型超載變形轉(zhuǎn)異特征點(diǎn)

2.3 不同長(zhǎng)度初始縫長(zhǎng)大壩變形全過(guò)程分析

為了研究初始縫長(zhǎng)對(duì)大壩變形全過(guò)程的影響特性，試驗(yàn)中建立了初始縫長(zhǎng)分別為10 cm、15 cm、20 cm、25 cm的大壩模型，并對(duì)大壩分別進(jìn)行了裂縫中有、無(wú)水壓力下的斷裂試驗(yàn)，并得到不同初始縫長(zhǎng)對(duì)大壩變形全過(guò)程的影響規(guī)律。

圖9為HD-1含不同長(zhǎng)度初始裂縫的混凝土重力壩模型超載試驗(yàn)壩體變形轉(zhuǎn)異特征曲線圖。由圖可知，隨著靜水壓力荷載的不斷增加，大壩發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)變形，壩頂水平向位移不斷增大。同時(shí)，可以看出荷載的增加速率隨著變形量增大而變緩，當(dāng)靠近峰值時(shí)，較小的荷載增加量依然引起壩體結(jié)構(gòu)較大的變形。并且，當(dāng)荷載超過(guò)峰值后，結(jié)構(gòu)變形增加的趨勢(shì)加快，結(jié)構(gòu)破壞后的卸荷過(guò)程較快，最終滯留的殘余重力壩結(jié)構(gòu)抵抗部分靜水壓力荷載，大壩變形轉(zhuǎn)異曲線表征出壩體結(jié)構(gòu)依然擁有殘余承載能力。

圖9 不同初始裂縫長(zhǎng)度重力壩模型變形轉(zhuǎn)異特征曲線(HD-1)

對(duì)比相同模型有、無(wú)水力劈裂的試驗(yàn)曲線可知，裂縫中含水力劈裂的模型結(jié)構(gòu)承載力小于不含水力劈裂的情況，且含水力劈裂模型的結(jié)構(gòu)變形在加載初始階段大于不含水力劈裂模型，但是，當(dāng)壩體結(jié)構(gòu)處于破壞階段后，含水力劈裂的大壩模型的結(jié)構(gòu)水平位移增加量小于不含水力劈裂的壩體結(jié)構(gòu)模型。這表明水力劈裂的模型結(jié)構(gòu)破壞過(guò)程較無(wú)水力劈裂模型破壞快，試驗(yàn)測(cè)試中模型結(jié)構(gòu)的坍塌效應(yīng)也更加劇烈。

對(duì)比不同初始裂縫長(zhǎng)度模型的超載變形轉(zhuǎn)異全過(guò)程曲線，可知模型全過(guò)程曲線都表征出相似的變化規(guī)律。同時(shí)，隨著裂縫長(zhǎng)度的增加，曲線的峰值不斷降低，表明結(jié)構(gòu)的承載能力隨迎水面初始裂縫長(zhǎng)度的增加而降低。并且，分析壩體結(jié)構(gòu)迎水面裂縫含水力劈裂的全過(guò)程曲線可知，裂縫長(zhǎng)度增加結(jié)構(gòu)中水力劈裂導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)承載力下降和結(jié)構(gòu)變形位移效應(yīng)增大，這種現(xiàn)象表明，壩體結(jié)構(gòu)迎水面的裂縫越長(zhǎng)結(jié)構(gòu)受水力劈裂的影響越大。水工結(jié)構(gòu)工程中，裂縫會(huì)隨著混凝土結(jié)構(gòu)的老化及材料性能降低而進(jìn)一步向結(jié)構(gòu)內(nèi)部延伸擴(kuò)展，結(jié)構(gòu)裂縫內(nèi)部的水力劈裂效應(yīng)將會(huì)隨著裂縫的擴(kuò)展而進(jìn)一步加重，因此，混凝土壩體受水力劈裂導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)性能降低若不進(jìn)行合理的控制將會(huì)愈發(fā)劇烈。

為了更加準(zhǔn)確的判定壩體結(jié)構(gòu)模型的變形轉(zhuǎn)異特性，現(xiàn)將壩體模型變形轉(zhuǎn)異特征點(diǎn)結(jié)果列于表4中。由表4可知，壩體結(jié)構(gòu)變形轉(zhuǎn)異點(diǎn)A點(diǎn)隨著裂縫初始長(zhǎng)度增加而越發(fā)接近O點(diǎn)，這表明大壩結(jié)構(gòu)中含有的裂縫長(zhǎng)度越長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)的彈性變形階段越短，超載后壩體進(jìn)入屈服階段加快，大壩更易發(fā)生失穩(wěn)斷裂。

表4 大壩模型超載變形轉(zhuǎn)異特征點(diǎn)

3 大壩模型超載變形安全評(píng)價(jià)

3.1 重力壩模型變形位移分析

試驗(yàn)中大壩模型的位移監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖10所示。可以看到，壩體的變形主要表現(xiàn)為水平方向上的撓曲、位移的最大值發(fā)生于壩頂處。同時(shí)，壩體迎水面在垂直方向上產(chǎn)生了微量的張拉變形，說(shuō)明這里出現(xiàn)了拉應(yīng)力。由于受到水力劈裂的作用，重力壩壩體結(jié)構(gòu)有繞壩趾轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，當(dāng)壩體坡面的變形水平位移沿垂直深度方向呈斜直線，其表征壩體變形依然維持線彈性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)的主要變形區(qū)域集中于原點(diǎn)附近。當(dāng)壩體坡面變形水平位移出現(xiàn)折點(diǎn)，表明在該點(diǎn)表征的深度出結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了裂縫，壩體轉(zhuǎn)動(dòng)中心由壩趾轉(zhuǎn)向該轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)壩高的位置。

圖10 不同級(jí)荷載下壩體水平位移沿縱向分布規(guī)律曲線

3.2 棱鏡監(jiān)測(cè)誤差分析

圖11為混凝土重力壩模型壩頂水平位移的棱鏡監(jiān)測(cè)結(jié)果與高精度位移計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的對(duì)比圖。由圖可知，初始階段二者的監(jiān)測(cè)結(jié)果保持一致，但是，隨著超載系數(shù)增大，棱鏡監(jiān)測(cè)結(jié)果出現(xiàn)略大于高精度位移計(jì)的現(xiàn)象。這是由于加載初期結(jié)構(gòu)處于彈性變形階段，分級(jí)加至目的荷載后結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布規(guī)律未發(fā)生明顯改變，結(jié)構(gòu)變形位移為彈性位移且較為穩(wěn)定。隨著超載系數(shù)增大，壩體結(jié)構(gòu)模型出現(xiàn)微裂縫，結(jié)構(gòu)出現(xiàn)塑性變形，且裂縫尖端出現(xiàn)起裂現(xiàn)象，由于試驗(yàn)中裂縫擴(kuò)展過(guò)程未間斷式，故棱鏡采集數(shù)據(jù)略延遲于高精度位移計(jì)。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，棱鏡與高精度位移計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果在壩體模型超載破壞全過(guò)程中監(jiān)測(cè)結(jié)果規(guī)律一致，僅僅出現(xiàn)加載后期的棱鏡數(shù)據(jù)微滯后現(xiàn)象，該現(xiàn)象對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響很弱。

圖11 棱鏡與高精度位移計(jì)測(cè)量結(jié)果對(duì)比

綜上所述，重力壩模型結(jié)構(gòu)超載破壞試驗(yàn)中利用棱鏡監(jiān)測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)壩體結(jié)構(gòu)位移是可行的，且監(jiān)測(cè)精度滿(mǎn)足結(jié)果要求。

3.3 不同水力劈裂比大壩變形分析

圖12為不同水壓力分布狀態(tài)大壩結(jié)構(gòu)受載關(guān)鍵點(diǎn)水平位移沿深度方向的分布曲線圖，圖13為不同超載下重力壩壩頂垂直位移變化曲線圖。

由圖12可知，隨著超載系數(shù)的增加，重力壩壩體結(jié)構(gòu)水平位移不斷增大，且由壩頂向下水平位移逐漸減小。同時(shí)，對(duì)比不同深度壩體坡面位置水平位移可知，壩頂?shù)乃轿灰圃隽侩S超載系數(shù)增大最大并且沿深度方向逐漸降低，位于裂縫水平位置處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移基本未發(fā)生改變，這說(shuō)明帶裂縫的混凝土重力壩模型超載破壞過(guò)程中主要的變形部位為裂縫上端重力壩壩體部分，而裂縫的下半部分壩體的變形水平位移較小。有此可知，壩體迎水面的水平裂縫擴(kuò)展對(duì)壩體結(jié)構(gòu)變形水平位移影響較大，壩體結(jié)構(gòu)中水平裂縫的擴(kuò)展會(huì)引起壩體結(jié)構(gòu)整體的位移變化十分明顯，可以推斷壩體結(jié)構(gòu)的外部變形位移突變式的增加極有可能是結(jié)構(gòu)內(nèi)部裂縫的擴(kuò)展延伸引起的。同時(shí)，由曲線規(guī)律可以得到水力劈裂效應(yīng)對(duì)壩體結(jié)構(gòu)變形水平位移的影響較小，因此，在分析水力劈裂導(dǎo)致結(jié)構(gòu)外部變形時(shí)與裂縫擴(kuò)展方向上的位移反映水力劈裂的影響效果不明顯。

圖12 不同超載下壩體水平位移沿深度分布曲線

由圖13可知，重力壩壩頂垂直位移隨著外加荷載的增加而不斷增大且其增大的趨勢(shì)也隨著荷載增加而加快。對(duì)比不同水壓力比例系數(shù)下的壩頂垂直位移變化可知，裂縫內(nèi)水壓力越大，結(jié)構(gòu)垂直位移越大，且位移增大的趨勢(shì)也越快。由此可知，重力壩迎水面裂縫水力劈裂會(huì)對(duì)壩體垂直位移產(chǎn)生重大影響，且裂縫內(nèi)部不同的水壓力也會(huì)對(duì)壩體結(jié)構(gòu)的垂直位移產(chǎn)生不同的影響，過(guò)于保守的水壓力分布模型會(huì)使得預(yù)測(cè)壩體的變形位移過(guò)大，這樣對(duì)設(shè)定壩體變形臨界位移會(huì)產(chǎn)生偏差，因此，獲得壩體結(jié)構(gòu)中合理的水壓分布模型具有重要的安全評(píng)價(jià)意義。

圖13 不同超載下重力壩壩頂垂直位移變化曲線

3.4 不同初始縫長(zhǎng)大壩變形分析

通過(guò)分析不同初始縫長(zhǎng)大壩結(jié)構(gòu)受載關(guān)鍵點(diǎn)水平位移沿深度方向的分布規(guī)律和不同初始縫長(zhǎng)大壩結(jié)構(gòu)受載關(guān)鍵段垂直位移沿深度方向的分布規(guī)律，隨著混凝土重力壩模型結(jié)構(gòu)承載的靜水壓力值增大，壩體下游坡面的水平位移不斷增大，且通過(guò)分析水平位移可以發(fā)現(xiàn)壩體變形的轉(zhuǎn)折點(diǎn)逐漸由距壩頂50 cm深度位置上移至10 cm，代表壩體的轉(zhuǎn)動(dòng)中心位置上移了。該種現(xiàn)象是由于壩體模型的轉(zhuǎn)動(dòng)中心由預(yù)設(shè)的固定底座支撐轉(zhuǎn)變?yōu)橛闪芽p起裂導(dǎo)致的壩體上部繞裂尖轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)比有無(wú)水力劈裂壩體模型的水平位移分布曲線可知，含水力劈裂模型的水平位移略大于不含水力劈裂的重力壩模型，但是這種差異性隨著裂縫長(zhǎng)度增加逐漸減小。這表明裂縫中水力劈裂的作用對(duì)壩體的水平位移影響較靜水壓力的作用效果弱，同時(shí)，壩體結(jié)構(gòu)的水平變形作用主要來(lái)源于水平方向的靜水壓力，結(jié)構(gòu)裂縫加長(zhǎng)導(dǎo)致其彈性變形階段變短結(jié)構(gòu)承載力下降。對(duì)比不同初始裂縫長(zhǎng)度的重力壩模型變形水平位移變化規(guī)律可知，重力壩模型的水平位移不斷增大，壩體模型的水平位移隨著荷載超載系數(shù)的增大而增加量也不斷增大，這表明在壩體處于接近屈服階段過(guò)程中裂縫的擴(kuò)展加速使得結(jié)構(gòu)變形加大。因此，壩體迎水面結(jié)構(gòu)水平裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)的變形影響十分巨大，該種裂縫不僅在結(jié)構(gòu)承載能力上起到嚴(yán)重的削弱作用，也會(huì)使得結(jié)構(gòu)的變形量產(chǎn)生較大的增幅。

隨著水平荷載增加模型壩頂?shù)拇怪蔽灰撇粩嘣龃螅以摲N增大趨勢(shì)隨著荷載的增加不斷加大而變快。這種現(xiàn)象是由于壩體模型的裂縫擴(kuò)展張開(kāi)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的垂直位移加大，同時(shí)由于裂縫擴(kuò)展張開(kāi)速度隨著超載系數(shù)增大而加快的效應(yīng)使得結(jié)構(gòu)的垂直位移增加速率加快。對(duì)比不同長(zhǎng)度初始裂縫的重力壩模型垂直變形位移的變化曲線可知，隨著裂縫長(zhǎng)度增大，模型的垂直變形位移增大，這表明重力壩結(jié)構(gòu)中水平裂縫長(zhǎng)度增加將會(huì)導(dǎo)致其縱向變形能力的增大，裂縫的張開(kāi)擴(kuò)展將進(jìn)一步增強(qiáng)壩體垂直位移的增加。對(duì)比有、無(wú)水力劈裂重力壩模型的垂直位移變化規(guī)律可知，含水力劈裂的重力壩模型超載垂直位移大于無(wú)水力劈裂模型，這表明重力壩模型中迎水面裂縫的水力劈裂效應(yīng)會(huì)引起重力壩垂直位移的增大。通過(guò)對(duì)比分析重力壩模型的變形位移狀態(tài)可知，重力壩模型裂縫中含水力劈裂的超載破壞過(guò)程中，結(jié)構(gòu)的水平位移與不含水力劈裂模型試驗(yàn)的結(jié)果差異較小，而壩頂?shù)拇怪蔽灰撇町愝^大。這表明壩體迎水面裂縫中水力劈裂對(duì)結(jié)構(gòu)的變形位移影響主要體現(xiàn)在裂縫面的垂直方向上，而沿裂縫擴(kuò)展方向上的位移受水力劈裂的影響不明顯。

4 結(jié) 論

本文進(jìn)行了重力壩模型超載破壞試驗(yàn)中壩體變形位移全過(guò)程曲線轉(zhuǎn)異特征分析，研究了迎水面裂縫中水力劈裂作用對(duì)壩體結(jié)構(gòu)變形位移的影響特征。對(duì)不同水壓力分布狀態(tài)和不同初始縫長(zhǎng)的重力壩模型進(jìn)行了試驗(yàn)，得到了不同工況下重力壩迎水面裂縫中水力劈裂對(duì)壩體破壞的變形位移特征變化規(guī)律。對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著裂縫中水壓力增加，大壩的變形位移加快，大壩的變形位移特征點(diǎn)提前，結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性降低。隨著裂縫初始長(zhǎng)度增加，大壩的變形位移進(jìn)一步加大，且裂縫中的水力劈裂效應(yīng)也進(jìn)一步增強(qiáng)。試驗(yàn)結(jié)果表明，大壩迎水面水力劈裂效應(yīng)對(duì)大壩結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生較大的不利影響，當(dāng)結(jié)構(gòu)的裂縫長(zhǎng)度越長(zhǎng)其水力劈裂效應(yīng)越強(qiáng)，同時(shí)，有益的排水作用會(huì)降低水力劈裂的作用效果。