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２．７８Ｌ?ｓ，是全世界同类工程中最小的，是可资借鉴的工程实例 ［６ － ８］ 。
针对混凝土高坝的水力劈裂机理，以往采用不同形式的试件开展相应的水力劈裂试验。Ｒｉｚｋａｌｌａ
等 ［９］ 、Ｓｕｚｕｋｉ等 ［１０］ 和 Ｉｒｉｙａ等 ［１１］ 先后开展了混凝土楔入式劈拉试件的水力劈裂试验，研究证明了裂缝
水力劈裂的危险，验证了混凝土强度和结构配筋等因素对水力劈裂的影响。Ｂｒüｈｗｉｌｅｒ等 ［１２ － １３］ 基于不同
配合比的混凝土楔入式劈拉试件，研究了裂缝内水压对混凝土劈裂过程的影响，认为裂缝内的水压损
伤了裂缝尖端，导致缝尖部位的断裂韧度和断裂能降低，在裂缝扩展过程中，水压分布非线性下降。
徐世?等 ［１４］ 基于楔入劈拉试件的水力劈裂试验，提出了双 Ｋ断裂模型，将所有荷载代入双 Ｋ断裂模
型，计算了试件的起裂韧度和失稳断裂韧度，研究了混凝土水力劈裂的断裂性能规律。杜成斌等 ［１５］ 采
用硅胶板和夹具对混凝土楔入劈拉试件的裂缝内水实现了密封，研究了不同水压力（ ０．２ＭＰａ，０．４ＭＰａ）
和不同加载速度（２μ ｍ?ｓ，２００μ ｍ?ｓ）下缝内水压分布和失稳荷载变化规律。甘磊等 ［１６］ 通过对正方体混
凝土试件中部预设贯穿裂缝，并采用钢框架将橡胶垫固定在试件表面，实现了可承受 ３ＭＰａ水压的封
闭效果。利用此试件开展了不同压应力下的混凝土水力劈裂试验，研究表明混凝土试件临界劈裂水压
及轴压的差值均小于材料的抗拉强度。贾金生等 ［１７］ 采用直径 ４５０ｍｍ、高 ９００ｍｍ 的全级配圆柱体混
凝土试件模拟了无拉压应力作用下混凝土结构的水力劈裂问题，试验采用在试件一端沿中心轴预设长
７００ｍｍ、宽 １１０ｍｍ的裂缝，然后安装钢顶盖密封高压水。综上可知，以上高压水劈裂试验中的混凝
土试件均需附加橡胶或者其他密封装置约束高压水，而在计算分析时又将附加约束作为额外的强度值
叠加入混凝土中，易造成分析上的失真。为此，贾金生等 ［１８ － １９］ 研制了利用混凝土试件自身强度去真实
地约束高压水的内埋式裂缝水力劈裂试验装置，利用此装置开展了单轴拉、压作用下混凝土构件的高
压水劈裂试验，运用断裂力学对试验结果进行了分析和校核，推导了判定重力坝坝踵发生水力劈裂的
分析公式。然而此试验所使用的试件为直径 ４５０ｍｍ、高 １３５０ｍｍ的圆柱试件，较适用于常态混凝土
的浇筑。若进行碾压混凝土的浇筑，试件需预加拉应力，则只能在模具的中间段浇筑，两端仍应浇筑
常态混凝土用于埋设锚杆，且夯振过程对裂缝构件造成破坏较大。因此简易合理的试件形式将有助于
研究混凝土高坝的水力劈裂机理。
上述高坝的水力劈裂研究主要关注了裂缝内水压力变化对混凝土力学性能的影响，没有考虑水表
面张力对力学性能的影响。文献［ ２０］研究了不同表面张力溶液充分浸泡的混凝土试件在准静态试验条
件下的抗压强度，认为混凝土内部浸入液体使得混凝土的表面能降低，从而引起混凝土抗压强度的下
降，且浸泡液体表面张力越大抗压强度下降程度越显著。然而未考虑起裂后微裂纹断裂过程区内，液
体表面张力抵抗微裂纹扩展的趋势。文献［ ２１］提出在外部压力快速加载下，裂缝中自由水的运移速度
不及裂纹扩展速度，水不能达到缝尖，这就导致在自由水和裂缝尖端之间存在气 － 液界面的表面张力
作用，阻碍裂纹的扩展。
本文在文献［ １９］的研发理念上，开发了一种结构简易、更易加工成型和控制的小混凝土水力劈裂
试件（发明专利授权号：ＺＬ２０１９１０３８３０４６．９），利用试件模拟了混凝土高坝的水力劈裂与气压劈裂，探
究水表面张力对高压水劈裂的影响。依据试验结果构建了水力劈裂的数学模型，对混凝土高坝的水力
劈裂作用进行了更全面的分析。

２ 新的高压水劈裂试验模拟方法和水压、气压劈裂比较结果

２．１ 新高压水劈裂试验试件 图 １为重力坝横截面上所呈现的坝踵裂缝周围的应力状态，可视为平面
应变结构。由图 １可知，坝体主要利用自重 Ｇ来维持稳定，决定裂缝扩展的主要因素是裂缝中的水压
不是缝端产生应力奇异
ｗ ｗ
力 ｐ，以及垂直方向上的应力 σ ｙ ，上游面的水压力 ｐ和坝体内的水平应力 σ ｘ
自上游至下游一般呈二次抛物线分布，靠近上游面的
导致裂缝劈裂的主要驱动力，平面上的剪应力 τ ｘｙ
剪应力对裂缝劈裂的影响可忽略不计。为此本文设计了内部预埋钱币型裂缝的正方体水力劈裂试件
（如图 ２所示），进行模拟试验，与以往试验方法比，可更真实模拟实际工程，实施方法更为简便。试
件边长 １５０ｍｍ，预设裂缝的直径 ５０ｍｍ，为试验试件边长的 １?３。可在试件的预埋裂缝中通入高压水，

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