水力劈裂對高混凝土重力壩影響的試驗研究

計 陽

(南水北調中線實業發展有限公司，北京 100000)

1 概 述

絕大部分混凝土壩體都存在著一定的裂縫，在已建工程中出現過裂縫擴張，這些問題最終會由于高水頭的靜水壓力產生滲漏，繼而引發滲透破壞，最終威脅大壩的安全。當施加液壓使有效應力降至零度或零度以下時，土壤中就會發生水力壓裂，這種現象在灌漿工業中廣為人知，因為灌漿壓力過大，鉆孔中的漿液流失。在大壩中，如果由于儲存的水而產生的孔隙壓力足夠高，能夠將壩體的有效應力降低到零或零以下，則水力壓裂就可能在壩的薄弱處發生。研究表明，水力壓裂是大壩潰壩的原因之一[1-3]。

對于混凝土裂縫擴展的研究大多數為采用各類力學模擬軟件進行的數值模型研究[4]。王洋等[5]應用ANSYS有限元軟件，模擬了混凝土受到不同荷載時裂縫擴張情況。基于實驗的測算研究較少，模型軟件盡管建立模型和施加連續的荷載變量很容易，但對于壩體實際的狀況可能模擬不到位。因此，本文根據實際的壩體受力情況，設計荷載實驗。本文的研究重點是模擬高混凝土重力壩壩踵表面由水力劈裂對水平裂縫的影響研究，主要內容包括實驗測試裝置的運行操作及測量實驗步驟；記錄施加不同應力時混凝土強度的試驗結果；分析和討論不同標準設計下重力壩水力劈裂的安全性。

2 實驗研究

混凝土重力壩在平面上來看，其縱向長度遠大于橫向距離。但實際上，壩體是分段澆筑的，且以橫截面受力情況來分析，也是屬于平面應力結構。因此，對于高混凝土重力壩(H>200 m)，但其厚度為10～20 m，受力情況見圖1。

圖1 重力壩裂縫周圍的應力狀態

根據壩體橫截面的受力情況，制作圓柱體混凝土試件，見圖2。具體尺寸數據均已在圖2中標明，且設置了一個“圓盤”型的裂縫，裂縫直徑為150 mm，用以模擬在壩體中的實際裂縫。在左右兩邊預埋兩根鋼管至圓盤底下，用以施加靜水壓力，作為水力劈裂的荷載。另外，在圓柱體的上下兩個截面上施加軸向荷載，以模擬混凝土自重產生的壓力，部分地方可能會產生拉應力。

圖2 單軸應力水壓致裂試驗混凝土試件(單位：mm)

圖3為模具部件包含的預埋錨桿。在錨桿周圍以及在最后的末端節點處將產生集中應力，集中應力地方如果過于靠近裂縫，會影響裂縫的擴張，所以盡量將試件的長度加大一點，達到3倍以上。

圖3 有裂紋試樣的模具部件(單位：mm)

為了形成圖2所示的裂縫，將兩塊直徑均為150 mm的圓形不銹鋼板堆疊在一起，形成一個圓盤形缺口，澆筑進入混凝土試件中。試件的制備過程見圖4，混凝土配合比設計符合混凝土重力壩項目的要求。試件在相應條件下靜置7天后，待試件穩定后進行實驗。在測試完水管的流通性之后，將所有試樣均存放在蒸汽室中，保持試件的含水率、強度等不受外界的影響干擾，以便進行下一步的實驗檢測。表1給出了實驗混凝土試件的骨料粒度分布(GSD)以及水灰比和其他兩種外加劑的含量；表2為具體的荷載情況和混凝土的抗壓(拉)強度。

圖4 試驗裝置照片

表1 混凝土成分

表2 水力壓裂試件

3 測試程序

從試驗室取出試樣后，將其固定在15 000 kN的試驗機上。試樣的進水口與液壓加載裝置相連，出水口與水壓傳感器相連。需要注意的是，試樣的進水口和出水口應向下，以確保水管中的空氣可以完全排除。試驗前，試樣表面應風干，以便觀察漏水情況。通過試驗機對試件施加恒定載荷以模擬垂直應力σy，然后通過液壓加載裝置在試件裂縫處施加可變水壓。每個階段的水壓都會增加，直到達到最終值。水壓的典型增量見圖5。同時，必須確保試驗為準靜態荷載，且水壓應在每個階段保持恒定至少1 h，以便水壓有時間發展，使水可以到達每個微缺陷。這種設置與重力壩上的實際情況非常接近，因為水庫中的水位變化通常非常緩慢。

在混凝土斷裂力學理論中，混凝土裂縫的完整荷載-位移曲線見圖6。只有在位移控制試驗的情況下，才能獲得峰后響應。但本文中的測試是由負載控制的，只能記錄荷載-位移曲線的發展部分，且傳感器可檢測到的最大水壓等于導致混凝土試樣水力破裂的臨界值，即圖6中的Pmax值。

圖5 水壓增加的圖示

圖6 混凝土的完整荷載-位移曲線

以試樣Ⅳ為例，當水壓增加至3.2 MPa時，試件表面細微處的裂縫開始逐漸滲水，大約15 min后，裂縫出現較大擴張，直接從滲流變為噴射，之后檢測到內部的水壓暴跌，見圖7。因此，引起水力壓裂的水壓臨界值為3.2 MPa。圖8為試驗后的試樣。應注意的是，試樣表面上的裂紋與先前嵌入的裂紋大致平行，這是因為在以前的試驗中，最大混凝土骨料尺寸小于30 mm，并且小于本工程中的最大骨料(80 mm)。粗骨料周圍的迂回導致圖7中裂縫的傾斜。

圖7 試樣表面上的泄漏

圖8 試驗后的試樣

4 結果分析

試驗結果見表3。

表3 不同試樣的水力壓裂總結

由表3可知，裂縫擴展與混凝土強度和荷載條件有關。基于表3測試結果，在數據分析中采用普通最小二乘法(OLS)，并擬合相應公式：

pw=0.6ft+σy+a

(1)

其中：pw為水力壓裂下的臨界水壓，MPa；ft為混凝土的單軸抗拉強度，MPa；σy為試樣兩端的壓縮壓力，MPa,對于拉伸壓力，σy為負；a為恒定系數，MPa，為了與本研究中5個樣本的結果相匹配，a取0.32 MPa。

式(1)的左側為水力壓裂的驅動載荷，右側為阻力。可以看出，混凝土抗拉強度的60%左右貢獻于抗力，豎向壓應力σy可以線性增加抗力，如果σy為拉應力，則線性降低抗力。試驗結果表明，水力壓裂的臨界水壓為1.5～3.2 MPa，與高重力壩(H>200 m)上的最大水壓(水庫水頭)相似，并根據重力壩壩踵處的應力情況進行了試驗設計。試驗證明，水力壓裂是高重力壩上的一個實際問題。此外，式(1)表明混凝土強度不會有效提高抗水力壓裂能力。因此，在水力劈裂的情況下，垂直應力是改進重力壩設計的關鍵。

現行設計規范在考慮200 m以上重力壩水力劈裂時，可能存在大壩安全問題，現行規范對高重力壩設計應進行改進。如果大壩上游表面上的垂直應力表現為壓應力，則有利于抵抗水力壓裂，這將是改進設計規范的關鍵，但需要進行更多的研究來量化垂直應力σy。在本研究中，僅進行了一次復制(即表3中的試樣Ⅰ-R)，這無法完全驗證試驗結果的可靠性，因此增加樣本數量在未來的研究中意義重大。

5 結 語

本文提出了一種研究重力壩水力劈裂的試驗方法。利用高重力壩工程混凝土，模擬重力壩踵的應力狀態，進行了一系列不同混凝土強度和單軸應力的水力劈裂試驗。結果表明，裂縫周圍的垂直應力對水壓致裂有重要影響，只有約0.6倍的抗拉強度對試件的抗水壓致裂性能有貢獻。試驗還表明，如果重力壩非常高(H>200 m)，水庫水頭將導致大壩上游表面裂縫處的水力壓裂。因此，在高重力壩設計中，應考慮水力劈裂的影響。