考虑热-流-固耦合的水工混凝土水力劈裂的细观机理研究

This project aims at carrying out research on meso-mechanism of hydraulic fracturing in hydraulic concrete. In recent years, a number of more than 200m high concrete dams were constructed. Hydraulic fracturing is one of the important reasons for the destruction of these high concrete dams. However, because of the complex of stress conditions in hydraulic concrete structures and the simplification of the existing research methods, the study on the mechanism of hydraulic fracturing is still at preliminary stage. Considering discrete element method has the advantages of simulating the crack propagation and the complex mechanism, the project for the first time uses this method to establish the thermal–fluid–solid coupling mesoscopic model based on thermal–solid and fluid–solid coupling model in order to consider hydraulic concrete complex work environment, and researches on the influence of the initial damage randomly distributed within the concrete and the development of damage on hydraulic fracturing process by using the particle discrete element method. And then the project explores the mechanisms of hydraulic fracturing of hydraulic concrete from meso-scopic scale and combines laboratory tests to verify the reliability of the meso-model. This project provides new ideas for the research on hydraulic fracturing of hydraulic concrete, and the research results have important theoretical implications for the construction of high concrete dams.

本项目针对水工混凝土水力劈裂的细观机理开展研究。近年来，我国已建和在建了一批200m级以上的高混凝土坝，对这些高水头水工混凝土结构而言，水力劈裂是其破坏的重要原因之一。然而，由于水工混凝土结构的受力条件复杂而现有研究方法的计算模型简化，使得有关水力劈裂的破坏机理研究尚处于初级阶段。本项目鉴于颗粒离散元法在模拟裂缝扩展及复杂机理方面的优势，以热-固及流-固耦合模型为基础，首次采用该方法建立热-流-固三场耦合的细观计算模型，以考虑水工混凝土复杂的工作环境，并计入混凝土内随机分布的初始损伤及损伤演化发展对水力劈裂裂缝扩展过程的影响，实现对混凝土水力劈裂发生及发展过程的颗粒流数值仿真，进而从细观角度探究水工混凝土水力劈裂破坏的力学机理；同时结合室内试验验证细观模型的结果。本项目的研究方法为水工混凝土的水力劈裂研究提供了新思路，研究成果对高混凝土坝的建设具有重要的理论指导意义。

本项目研究的目标是揭示水工混凝土水力劈裂的细观力学机理。近年来，我国已建和在建了一批200m级以上的高混凝土坝，对于这些承受高水头的水工混凝土结构而言，混凝土表面存在的初始裂缝等缺陷，则有可能导致其发生水力劈裂破坏，从而引发灾难性的后果。然而，水工混凝土结构在材料组成和受力条件等方面均比较复杂，现有研究采用的简化计算模型尚不能较全面地反映实际情况。.本项目鉴于颗粒离散元法在模拟裂缝扩展及研究破坏机理等方面的优势，首次采用颗粒离散元模型研究了混凝土发生水力劈裂破坏的细观力学机理。本项目采用BPM(Bonded-Particle Model)建立了以颗粒簇为粗骨料的混凝土颗粒离散元模型。试验结果表明，采用颗粒簇模拟粗骨料不仅更真实地反映了混凝土骨料的不规则形状，而且通过单轴压缩和巴西劈裂试验得到的模型抗压抗拉强度比值（7.1），较圆形骨料模型的（4.0~5.0之间）更接近混凝土的实际情况。本项目通过考虑混凝土内随机分布的初始损伤及损伤演化发展过程，改进了混凝土的离散元数值模型。二维模型的试验结果表明，指数形式的损伤演化模型可以一定程度上反映实际混凝土在加载过程中的损伤发展，但模型的抗压抗拉强度比值（7.3）提高并不显著，仍偏低。在此基础上，本项目针对考虑流-固耦合效应的混凝土离散元模型开展了二维的水力劈裂数值试验。试验结果显示，在逐级施加水压力的过程中，颗粒间平行粘结的法向破坏数目逐步增加，最终形成了贯通性的宏观裂缝，即发生了水力劈裂破坏，该结果表明混凝土发生水力劈裂的细观力学机理为法向张拉破坏。.本项目的研究方法为水工混凝土的水力劈裂研究提供了新思路，在已取得的研究成果的基础上作进一步深入研究，将对高混凝土坝的建设具有理论指导意义。