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水 利 学 报

2025 年 11 月 SHUILI XUEBAO 第 56 卷 第 11 期

文章编号：0559-9350（2025）11-1432-12

考虑初始裂缝形态影响的混凝土细观水力劈裂研究

吕从聪 1，2 ，杨国栋 ，吴振超 ，李宗利 ，卢晓春 1，2 ，田 斌 1，2
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（1. 三峡大学 水电工程施工与管理湖北省重点实验室，湖北 宜昌 443002；2. 三峡大学 水利与环境学院，
湖北 宜昌 443002；3. 西北农林科技大学 水利与建筑工程学院，陕西 杨凌 712100）
摘要：为探究细观尺度下混凝土水力劈裂裂缝的扩展演化规律，引入砂浆渗透系数随损伤演化的关系，建立可反
映渗流-应力耦合作用的细观混凝土孔压内聚力模型，重点分析细观尺度下初始裂缝倾角、长度、多条裂缝及特
殊形态裂缝对水力劈裂破坏的影响。研究结果表明，初始裂缝倾角差异诱导主裂缝贯穿点发生偏移；临界开裂水
压随初始裂缝长度增加而降低，裂缝长度由 5 mm 增至 20 mm 时下降尤为显著；相较于单条裂缝，多条初始裂缝
不仅劣化混凝土抗劈裂性能，还导致稳定扩展水压出现非周期性剧烈震荡。此外，特殊形态裂缝影响裂缝与界面
过渡区的连接方式，易诱发更复杂的开裂模式。初始裂缝形态对混凝土水力劈裂临界开裂水压与裂缝扩展路径具
有重要影响。本研究可为混凝土结构水力劈裂破坏的预测与防控提供参考。
关键词：初始裂缝；混凝土水力劈裂；细观尺度；内聚力单元；临界开裂水压
中图分类号：TU528 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20250217

1 研究背景

混凝土因其良好的抗压性能和耐久性被广泛应用于水利工程结构。然而，受浇筑、养护等因素影
响，混凝土内部常存在微裂纹、孔洞等初始缺陷，在细观尺度上混凝土可认作为多相复合材料 ［1］ 。相
较于其优异的抗压强度，混凝土抗拉强度仅约为抗压强度的 10%，导致结构易发生受拉开裂。长期处
于高水压和高应力状态下，混凝土内部孔隙与微裂纹等初始缺陷会逐渐扩展 ［2］ ，并引起局部应力
集中。
现行大坝设计规范常采用材料力学法进行坝体应力分析。该方法基于连续、均匀、各向同性的弹
性假设，较少考虑混凝土内孔隙水压作用，也未涉及既有微裂缝的稳定与扩展问题，导致规范计算应
力与原型观测值之间存在较大差异，且应力变化规律与传统设计概念不符 ［3］ 。高孔隙水压引发的工程
事故屡见发生，如美国德沃歇克坝 ，奥地利 Kolnbrein 拱坝 及加拿大 Revelstoke 重力坝 。此外，大
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坝设计需保留一定安全裕度 。为深入探究混凝土水力劈裂机制，学者开展了大量试验与数值研究。
［8］
在试验方面，徐世烺等 通过楔入式紧凑拉伸试验提出了双 K 断裂参数计算公式，验证了其在混凝土
水力劈裂分析中的可靠性。杜成斌等 ［9］ 改进了试验密封装置，提升了缝内水压的稳定性。贾金生等 ［10］
结合断裂与损伤力学，通过预裂试件在拉压作用下的水力劈裂试验，为坝体水力劈裂预测提供了参考
依据。甘磊等 ［11］ 开展多组应力状态下试验，发现临界劈裂水压与轴压之差小于混凝土劈拉强度。在数
值模拟方面，董玉文等 ［12］ 实现了裂纹面水压荷载的 XFEM 模拟，并在向家坝坝踵水力劈裂分析中验证
了其优势。Li 等 ［13］ 基于 SBFEM 建立了重力坝水力劈裂模型，探讨了裂缝水压对断裂行为的影响。钟

收稿日期：2025-04-10；网络首发日期：2025-11-19
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网络首发地址：https：/link.cnki.net/urlid/11.1882.TV.20251118.1030.002
基金项目：国家自然科学基金项目（52209164）；国家重点研发计划项目（2017YFC405101）
作者简介：吕从聪（1987—），副教授，硕士生导师，主要从事水工结构稳定与混凝土材料特性研究。E-mail：lcc320721@163.com
通信作者：李宗利（1967—），教授，博士生导师，主要从事水工结构与岩土工程稳定分析理论研究。E-mail：Zongli02@163.com
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