Page 108 - 2022年第53卷第12期

水 利 学 报

２０２２年 １２月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５３卷 第 １２期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２２）１２ － １５００ － １２

高混凝土坝考虑水表面张力影响的水力劈裂研究

１
２
２
吴洋锋 ，汪 洋 ，贾金生 １，２ ，丁廉营 ，单丙寅 ３
（１．天津大学 建筑工程学院，天津 ３００３５０；２．中国水利水电科学研究院 北京中水科海利工程技术有限公司，北京 １０００３８；
３．中地海外水利水电工程有限公司，河南 郑州 ４７００１６）

摘要：水力劈裂是 ２００ｍ以上高混凝土坝、高碾压混凝土坝需要重点关注的安全隐患。为深入研究高混凝土坝的
水力劈裂机理，研发了一种新型混凝土高压水劈裂试件，利用该试件进行了相同条件下水力劈裂及气压劈裂对比
试验。研究表明，在静态加压条件下，混凝土发生破坏的水力劈裂水压显著大于气压劈裂的气压，混凝土断裂过
程区中水的表面张力对裂缝扩展有抵抗作用。基于试验，提出了水表面张力抵抗劈裂作用的表达式，利用混凝土
断裂力学中的裂纹尖端应力强度因子法，构建了考虑水表面张力作用的混凝土水力劈裂模型，该模型计算结果与
试验结果吻合良好。应用水表面张力模型分析 ２００ｍ级重力坝水力劈裂影响，可进一步改进考虑高压水劈裂的特
高混凝土坝设计。
关键词：混凝土高坝；水力劈裂；气压劈裂；表面张力；应力强度因子
中图分类号：ＴＶ３１４
文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２２００９８

１ 研究背景

２００ｍ以上的高混凝土坝、高碾压混凝土坝，上游面裂缝在高水压作用下有时会发生水力劈裂，
由于劈裂破坏形成的漏水通道很难封堵，往往需要放空大修，造成重大经济损失。美国的德沃夏克混
凝土重力坝 ［１］ ，坝高 ２１９ｍ，施工期间温控措施不当，坝体表面产生了许多裂缝，大坝运行第 ７年蓄
水至设计最高水位时，上游面 ３５号坝段裂缝突然增大，裂缝深度达 ５０ｍ，张开宽度达 ２．５ｍｍ，渗水
量约 ４８３Ｌ?ｓ，后降低水位才封堵住水力劈裂缝。奥地利的科恩布莱恩拱坝 ［２］ ，坝高 ２００ｍ，首次蓄水
过程中最高坝段的坝踵底部出现裂缝并发生漏水，且当水库水位达到约 １８３０ｍ 时，坝踵裂缝最大宽
度约 ５ｍｍ，曾采用冷冻、注浆、坝前加设护坦等多种方式修补加固，但都没有解决开裂漏水问题，
最后在大坝下游做了一个复杂的支撑拱坝，改善了大坝应力状态，才实现了安全运行。奥地利的兹兰
哥伦特拱坝 ［３］ ，坝高 １８２ｍ，设计时吸取了科恩布莱恩拱坝的教训，为避免发生高压水劈裂，大坝设
置了底缝并在上游面基础部位设置了护坦，护坦与大坝柔性连接，但蓄水后在底缝的上部发生了高压
水劈裂缝，后放空水库，把干性底缝做成湿缝，将缝中水压控制为坝前水压的一半，才实现了安全运
行。中国也有高混凝土坝因泄洪孔混凝土开裂导致的高压水劈裂事例，如东风拱坝 ［４］ ，也有大头坝温
控不当导致的混凝土开裂，蓄水后形成贯穿性裂缝，如柘溪大头坝 ［５］ 。我 国 有 不 少 混 凝 土 坝 高 度 达
到了 ３００ｍ级，不少高碾压混凝土坝坝高达到了 ２００ｍ级，有些高坝还建在高寒地区，要保障大坝
全生命期安全，在设计和建设阶段考虑并采取预防高压水劈裂，具有重要意义。小湾拱坝在研究抗劈
裂机理、提升坝体材料抗劈裂能力、采取抗劈裂漏水措施方面，做了大量工作，大坝整体漏水量只有

收稿日期：２０２２ － ０２ － １３；网络首发日期：２０２２ － １２ － １６
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２２１２１５．１５１９．００２．ｈｔｍｌ
基金项目：国家自然科学基金青年科学基金项目（５１９０９２７９）
作者简介：吴洋锋（ １９９４ － ），博士生，主要从事水利工程和智能化施工设备研究。Ｅ － ｍａｉｌ：６３２６８６０８０＠ｑｑ．ｃｏｍ
通讯作者：贾金生（１９６３ － ），教授级高级工程师，主要从事水工结构研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ｊｉａｊｓｈ＠ｉｗｈｒ．ｃｏｍ
— １ ５ ０ —
０