高渗透水压引起的混凝土损伤破坏机理研究

The problem of permeability damage of dam concrete is gradually highlighted with the raising of dam height. High permeable water pressure of dam concrete not only make the concrete humidity increases, but intensify the permeability damage, reduce the degree of safety of dam. According to the permeability damage of high hydraulic gradient region,such as dam heel of high concrete dam, the change rulers of its strength, wave velocity, elastic modulus and other macroscopic physical quantities are studied through physical experiments carried out under different water content of concrete. The predictor models of concrete strength and elastic modulus with water content are built by applying composite material theory and mesoscopic simulation technology. The effects of macroscopic physical quantities due to higher permeable pressure are studied,also. The water content and permeable demage effects is decomposed through above two aspects of studies，and damage mechanism due to permeability demage is studied further. The change ruler of concrete permeability coefficient in different loading phases is proposed through experiments of permeability behavior under diffenent damage or stress condition. In order to study the high dam damage failure by high permeable pressure and understand the change rule of dam performance,the coupled numerical model of seepage and elasto-plastic damage is built,and applied to analyze a typical high concrete gravity dam.Those studies will establishing the theoretical basis for the safety evaluation of high concrete dam.

随着坝高的不断增大，坝体混凝土的渗透损伤破坏更加突出。坝体混凝土内高渗透水压作用不仅使混凝土湿度增加，而且加剧了渗透损伤破坏，降低坝体安全度。针对高坝坝踵等高渗透水力梯度区域的渗透破坏问题，通过物理试验开展混凝土不同含水量下其强度、弹性模量、波速等宏观物理力学指标的变化规律研究；应用复合材料理论和细观模拟技术，建立不同含水量混凝土的强度和弹性模量预测模型；开展高渗透水压对混凝土强度、弹性模量、波速等宏观物理力学指标的影响规律研究，分解自由水及高渗透水压的不同效应，探求渗透力引起混凝土损伤破坏机理；开展损伤对混凝土渗流特性影响试验研究，建立不同受力阶段混凝土渗透系数的变化规律；进一步建立混凝土的渗流与弹塑性损伤耦合分析模型，研究高渗透水压对混凝土重力坝渗透损伤，了解坝体工作性态变化，为高坝工程的安全度评价建立理论基础。

本研究围绕高孔隙水压引起混凝土损伤破坏机理，首先，开展了混凝土无损干燥最佳工艺以及吸水规律，为本项目开展奠定了基础，也弥补了目前水工混凝土试验规程中关于混凝土干燥控制条件的缺失。其次，从物理试验、数值模拟和细观夹杂三个方面重点开展了混凝土在不同含水量下抗压强度、抗拉强度、弹性模量、断裂能、超声波速等宏观物理力学指标变化和率效应交互规律研究。第三，开展高孔隙水压作用后力学特性变化规律研究，分解得到混凝土含水量和渗透损伤两种因素的独立作用效应。第四，开展混凝土渗透特性研究，建立不同阶段受力阶段渗透系数耦合模型、混凝土渗流-弹塑性损伤模型，并应用于高混凝土重力坝渗透损伤分析。主要结论及成果如下：.（1）确定105 ℃持续干燥是对混凝土强度影响最小干燥方式。（2）随着含水量的增大，混凝土抗压强度、劈裂抗压强度、圆柱体抗压强度和断裂强度因子减小，而弹性弹性模量增大；随着加载速率提高，混凝土拉压强度均呈指数性增大，并随含水量增大，率效应更敏感，率效应和湿度效应存在较强的正负交互效应。（3）高孔隙水压作用造成混凝土强度损伤中既有水力劈裂效应，也有湿度增加产生的效应，且孔隙水压力越高，水力劈裂效应越为显著。当孔隙水压力小于混凝土裂纹扩展的临界孔隙水压力时，强度损伤主要由湿度增加造成的。（4）研究了混凝土各相材料力学和渗透性能物理试验和数值模拟研究，建立了砂浆相渗透系数与孔隙率之间的数学表达式，得到砂浆相和界面相的力学参数。（5）建立了不同应力阶段混凝土渗透系数与应力、损伤和考虑裂缝效应的耦合方程，完善了渗流-应力耦合理论。（6）应用统一强度理论，基于拉、压弹塑性损伤能释放率建立损伤演化法则，建立了一套可以描述混凝土渗透损伤破坏全过程的渗流-弹塑性损伤耦合模型，然后利用该模型对龙滩碾压混凝土重力坝进行了不同受力阶段下的水力劈裂损伤进行分析，并应用子模型法重点分析了坝踵部位的水力劈裂损伤。