中文摘要：

高混凝土坝等水工混凝土结构在浇筑成形过程中普遍存在的微细裂纹和缺陷常可引起新裂纹甚至宏观裂缝。针对高混凝土坝的结构特点，利用地下水温度环境耦合模拟试验系统建立渗流-应力-温度等多场耦合的试验模型，进行多场耦合条件下水工混凝土结构裂缝萌生、发展的室内模拟试验，研究并揭示水力劈裂的机理。结合断裂力学、损伤力学理论和双K断裂模型，采用无单元法与有限元法耦合分析技术，分析研究水工混凝土结构在渗流和温度作用下裂缝从萌生、发展到失稳的过程，揭示裂缝扩展的变化规律以及水力劈裂的形成和扩展机理，建立温度-渗流-应力耦合条件下水工混凝土结构水力劈裂的数值分析模型，以预测裂纹的萌生位置和扩展长度，实现水工混凝土结构水力劈裂全过程的仿真模拟。高混凝土坝易出现裂缝并进一步扩展危及结构安全，尤其是坝踵等部位，故该成果可广泛应用于水工混凝土结构的计算分析和安全评价，不仅具有理论意义，而且具有重要的应用价值。

结论摘要：

随着筑坝技术的快速发展，大批水利水电工程的不断建成并投入运行，一批200m~300m级的高混凝土坝被兴建及投入运行，高混凝土坝在浇筑成形过程中普遍存在的微细裂纹和缺陷常可引起新裂纹甚至宏观裂缝。高混凝土坝在高压水流和库水温度变化情况下运行，坝身存在的损伤裂缝在深水压力作用和低温水作用下有可能进一步扩展，从而可能破坏坝体的整体性，甚至成为渗漏通道，进而影响结构的安全性、实用性和耐久性。本项目通过室内试验、理论分析和数值模拟等方法，开展混凝土结构水力劈裂试验及数值模拟研究（1）研制了混凝土试件水力劈裂试验高压水密封装置、缝内水压量测采集模块及应变采集模块等，完成了无拉压应力条件以及压应力条件下的混凝土结构单裂缝水力劈裂试验，研究了混凝土结构水力劈裂机理，提出了临界劈裂水压与轴压和材料抗拉强度之间的定量关系，揭示了裂缝内水流的双重力学效应。（2）基于断裂力学和试验研究，提出了水压作用下的混凝土结构裂缝尖端应力强度因子计算表达式，导出了拉剪及压剪应力状态下的混凝土结构水力劈裂裂缝开裂判据准则。（3）研究了混凝土结构水力劈裂缝内水压分布规律，提出了可以考虑缝内非饱和渗流的缝内流体流动模型及缝内水压力差分迭代计算方法；考虑裂缝扩展过程中缝内水流与结构的耦合作用，提出了渗透系数与应力的耦合关系式；建立了基于无单元法的混凝土结构水力劈裂数值分析模型，并研制了相应计算程序。（4）对比分析无单元法和有限元法各自的优缺点，阐述了无单元法和有限元法耦合的基本理论，采用耦合算法处理相关问题，施加了本质边界条件并提高了计算效率，编制了耦合程序并模拟了某重力坝裂纹扩展的过程，通过与模型试验结果的对比表明该方法的正确性与精确性。（5）提出将温度应力作为节点荷载力作用于混凝土结构裂缝的分析方法，建立了无单元法分析温度裂缝的分析模型，研究了温度场的变化对应力强度因子的影响。（6）应用提出的裂缝扩展判据和混凝土结构水力劈裂数值分析模型，研究了高混凝土重力坝水力劈裂裂缝扩展过程，揭示了不同裂缝位置、不同裂缝深度等因素对高混凝土重力坝水力劈裂裂缝稳定性的影响规律。