Estudo experimental sobre a influência da fraturação hidráulica em barragens de alta densidade de concreto

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Estudo experimental sobre a influência da fraturação hidráulica em barragens de alta
densidade de concreto
 
 
abstrato  
 A segurança de barragens de alta gravidade em concreto na presença de fraturamento hidráulico é experimental e numérica investigado. Final aplicação do isto estude é uma Novo testando método para concreto fraturamento hidráulico
e o código de tensão ([ r ]) para projetar barragens de alta densidade de concreto (H> 200 m). Um cilindro espécime com embutido rachar estava projetado para simular a hidráulico fratura a gravidade barragem salto.
Testes em diferentes idades de concreto foram realizados, e estes espécimes foram submetidos a uma pressão hidrostática interna, bem como a uma carga mecânica uniaxial. Foi observado que, para os espectros testados, a fraturação
hidráulica foi mais sensível à carga mecânica uniaxial do que ao concreto resistência à tração. Em seguida, foi desenvolvido um modelo de elementos finitos baseados em mecânica de fraturas não-lineares para investigar a influência da
fraturação hidráulica em barragens de gravidade. A análise foi realizada utilizando análise de crack crete dis-. Com base nesses testes, as propriedades do modelo de elementos finitos foram otimizadas. Além disso, segurança do diferente
barragens projetado por especificações em China, a EUA, e Suíça foram comparados considerando fraturamento hidráulico. Foi determinado que as barragens de alta gravidade (H> 200 m) projetadas pelas especificações atuais estarão em
risco. A tensão de compressão vertical na superfície da barragem a montante foi a chave para melhorar a segurança da barragem, e estudos adicionais foram necessários para quantificar ainda mais o permissível estresse.
 
 
 
1 Introdução
 
A fraturação hidráulica é bem conhecida como uma técnica de estimulação na qual as rachaduras são fraturadas por um líquido pressurizado. No entanto , isso também acontece em rachaduras de concreto, pois o
concreto é um material quebradiço, semelhante à rocha, e geralmente com baixa tenacidade à fratura. Barragens de concreto com a finalidade de formar vastos reservatórios de água irão facilmente atender aos
requisitos de fraturamento hidráulico. Alguns projetos mostraram que o fraturamento hidráulico é uma das causas de falha de barragem. Um exemplo é a represa de contraforte de concreto Zhexi (104 m de altura)
na China. As fissuras na superfície a montante propa- garam-se profundamente no interior do corpo da barragem devido à alta pressão da água. Assim, a barragem foi ameaçada e teve que ser reabilitada [1] .
Outro exemplo é a represa do arco de Kölnbrein (200 m de altura) em Aus- tria. Quando o reservatório foi apreendido até 42 m abaixo do nível da água max- imo operacional em 1978, o vazamento na sua galeria
subitamente aumentada para 200 l / s, e a pressão de elevação em vários barragem monólitos aumentou inesperadamente. Análise demonstraram que as rachaduras iniciais no salto da barragem foram
severamente fraturadas sob alta pressão de água [2] .
Tanto quanto os autores estão cientes, o complexo problema de fraturamento lic hydrau- em barragens gravidade rachados raramente tem sido experimentalmente investigado, mas uma série de
investigações numéricas têm foi conduzido. Javanmardi et al. [3] desenvolveram um modelo teórico para variações transitórias da pressão da água ao longo de uma fissura de concreto, e implementaram o
modelo em um programa de elementos finitos não-lineares de rachadura para análise dinâmica de barragens de gravidade considerando o acoplamento hidro-mecânico água-fissura. Resultados numéricos
mostram que as pressões de elevação em trincas reduzem o fator de segurança de deslizamento, comparado a um valor similar assumindo força de elevação zero na trinca. Ren et al. [4,5] utilizou o método de
elementos finitos estendido (XFEM) para modelar a fraturação hidráulica de concreto. Ao considerar a pressão da água na superfície da trinca, estudou-se a estabilidade das fissuras na barragem de gravidade.
Os resultados demonstraram que a pressão hidráulica na superfície da trinca desempenhou um papel fundamental na propagação da trinca . Secchi e Schrefler [6,7] apresentou um método para a simulação de
fraturamento hidráulico 3D (tridimensional) em meios porosos totalmente saturados. A (s) fratura (s) discreta (s) foi impulsionada (s) pela pressão do fluido e adotou-se o modelo de fratura coesiva.
Finalmente, eles analisaram uma barragem de gravidade concreta para avaliar a capacidade preditiva de seu método e os resultados mostraram que as rachaduras nas barragens se propagariam muito mais
profundamente na presença de fratura hidráulica. Wang e Zhang et al. [8] introduziu uma abordagem híbrida combinando o método dos elementos finitos estendidos e o método dos volumes finitos para
simular fraturamento hidráulico em barragens de concreto. Ele ilustrou que a pressão da água nas rachaduras levou a uma maior propagação.
Para a previsão numérica da propagação de fissuras de concreto, muitos estudos foram realizados. A maioria dos modelos numéricos baseia-se no método de elementos discretos e no modelo de trinca
coesiva e , na maioria das vezes, são implementados no método de elementos finitos (MEF). [3,6,7,9-11] . Nos últimos anos, alguns novos métodos foram introduzidos na fraturação de concreto, alternativa ao
MEF. Pekau e Cui
[12] estudaram o comportamento dinâmico da gravidade de Koyna fraturada. barragem usando o método do elemento distinto (DEM). Em seu estudo, a pressão de elevação foi adicionada ao longo da fissura
na parte inferior do bloco superior e no topo da parte inferior e assumida conservadoramente como pressão total da água sem desconto. Um modelo numérico baseado no DEM também foi desenvolvido por
Bretas et al. [13] para a análise de barragens gravimétricas de alvenaria, suas fundações e interfaces entre elas. Bolzon [14] focou-se em um procedimento numérico eficiente para a avaliação de fatores de
segurança e modos de falha de estruturas geometricamente semelhantes com juntas de atrito dilatáveis, como barragens de gravidade de concreto. A sua metodologia baseia-se na solução de um problema de
minimização constrangido dotado com uma formulação algébrica de forma fechada, sob a hipótese de que dam- idade evolui ao longo de juntas estruturais, enquanto o material a granel permanece elástico
linear. Shi et al. [15] introduziram um método para simular a propagação de rachaduras de barragens por gravidade através de polígonos de fronteira escalonados e modelo coeso de trincas. Zhang et al. [16]
desenvolveu um método baseado no método numérico de segunda ordem (NMM) para simular o processo de propagação de fraturas hidráulicas em rocha ou concreto. Faivre et al. [17] focaram em um novo
modelo numérico para a análise hidromecânica de fluxos de água totalmente acoplados através de meios saturados poroplásticos, e a presença e eventual propagação de fraturas por fluido foi contabilizada
dentro de um modelo de zona coesiva não regularizada. Dias et al. [18] investigado a propagação de fissuras à tracção em barragens gravidade concreto usando algumas técnicas numéricas recentemente
desenvolvidas (rachar-caminho campo e injecção estirpe técnicas).
Alguns testes clássicos de fraturamento hidráulico do concreto devem ser mencionados. Brühwiler, Shinmura, Saouma e Slowik [19-23] con- canalizado um estudo experimental com base em amostras da
cunha, em que foi determinado que a pressão da água no interior de uma fenda creta con- era uma função da abertura de fissuras e que, ao longo a zona de processo de fratura (FPZ), a pressão da água reduzida
da pressão total do reservatório para zero. Eles também estudaram a distribuição da pressão hidráulica na fissura do concreto, controlando artificialmente as velocidades de abertura e fechamento da fissura.
Observou-se que a taxa de abertura de crack tem importantes conseqüências na distribuição da pressão da água. Os resultados dos testes propuseram que a energiade fratura reduzida do concreto sob pressão
de água era de 35% do valor seco original. Visser [24] apresentou um extenso estudo sobre fraturamento hidráulico de concreto e arenito. Mostrou-se que a permeabilidade e saturação nível do contínuo em
torno da fenda influência do efeito da pre- hidrostática com certeza no crack. Xu e Wang [25] Estudou experimentalmente a fraturação hidráulica do espécime de cunhagem em larga escala (1100 1150 mm).
Seus testes indicaram que a pressão hidráulica na fissura do concreto foi um importante fator causador de fraturas. Para manter a pressão da água no entalhe, uma membrana de borracha e uma braçadeira de
aço foram usados na amostra de divisão de cunha .
Pode notar-se que as investigações existentes na fracturação hidráulica de barragens gravidade de concreto são baseados principalmente no método numérico e pesquisas experimentais existentes são
puramente sobre o mecanismo de fractura hidráulica com base em imens cunha espec-. O trabalho apresentado neste trabalho é um avanço desses esforços, e centra-se em uma pesquisa de teste que simula o
fraturamento hidráulico de uma rachadura horizontal superfície no calcanhar barragem de gravidade. Em primeiro lugar, os principais componentes do aparelho de teste e procedimentos de teste são
introduzidos. Em segundo lugar, os resultados do teste sob diferentes tensões e forças concretas são apresentados. Com base nos resultados do teste, um modelo de elementos finitos (MEF) para a fraturação
da barragem rachada é desenvolvido. O fraturamento hidráulico de várias barragens gravidade personalizados por diferentes padrões são ana- lisados pelo FEM, e discussões sobre como projetar uma
gravidade segura barragem quando considerando hidráulico fratura está executada.
 
2. Experimentos
 
Embora a maioria das barragens de gravidade apareçam como estruturas alongadas , elas geralmente são divididas em monólitos de barragens independentes a cada 12 a 20 m por juntas cruzadas. Então,
para barragens de alta gravidade (H> 200 m), cada monólito da barragem tem mais de 200 m de altura, mas 10 a 20 m de espessura. Portanto, o monólito da barragem gravitacional pode ser considerado como
uma estrutura de tensão plana. As cargas de condução de crack fractur- ing perto da face de montante mostrado na Fig. 1 são apenas a pressão da água p w que está dentro da fenda e a tensão vertical r y que é
tensão ou compressão. Com base em tal stress con- dição, um espécime de betão de fractura hidráulica sujeita a uni tensão axial foi concebido. O layout geral da amostra é mostrado na Fig. 2 . A pressão da
água pode ser aplicada na fenda ded embed- e a carga uniaxial pode ser aplicada em ambas as extremidades a espécime.
A amostra de concreto foi projetada como um cilindro com um diâmetro de 450 mm. Assim, foi possível empregar concreto a partir de um projeto real de barragem, e o maior agregado desse concreto foi de
80 mm. Adoptando as recomendações do Princípio de Saint-Venant, a duração da amostra foi determinada em cerca de três vezes do diâmetro. Foi tempo suficiente para eliminar a influência da concentração
de tensão causada por âncoras de concreto que eram necessárias quando se aplica a carga de tração. No centro da amostra, uma rachadura tipo moeda foi incorporada e conectada com o espaço externo
através de dois tubos de aço. A fenda tinha 150 mm de diâmetro, porque essa dimensão era comum para rachaduras superficiais de barragens de gravidade.
Um molde especial na Fig. 3 foi desenvolvido também, a fim de incorporar a fenda tipo moeda no espécime de concreto. Duas chapas de aço inoxidável circulares, ambas com um diâmetro de 150 mm,
foram empilhadas juntas para formar uma lacuna tipo moeda, que serviu como rachar
incorporado na amostra de concreto. Um fio de aço foi usado para fixar a folha superior com a inferior. O fio de aço deve ser cortado durante a realização do teste de fraturamento hidráulico, de modo que a carga
de erro adicional possa ser evitada. Algumas fotos da configuração do teste são mostradas na Fig. 4 .
o concreto misturar desenhar estava regido por requisitos do os chineses Gravidade Longtan barragem projeto (agora H = 192 me será aumentada para 216,5 m na segunda fase). A distribuição de dimensão de
grão (GSD) dos agregados e da proporção dos outros materiais são dadas na Tabela 1 .
Após a colocação do concreto, o molde foi mantido imóvel por uma semana. Então, o molde foi desmontado, e as tubulações de água foram imediatamente testadas. Se as tubulações forem utilizáveis, sua
entrada e saída devem ser bloqueadas para proteção. Todos os espécimes foram armazenados em uma vapor sala até teste.
Tal como foi referido na Secção 2 , a fractura hidráulica de fissuras na superfície de montante da barragem de gravidade foi influenciado pela ver- tical estresse r y . o concreto força dureza estava a aspecto
de resistência à fratura também. Com base nisso, cinco espécimes Tipo foram produzidas com diferentes tensões uniaxiais e diferentes dosagens creta con-, como mostrado na Tabela 2 . O tremendo impulso
da água no reservatório consome a maior parte da força gravitacional da represa, de modo que a vertical estresse r y não vai ser tensão de compressão muito ideal. Além disso, r y será tensão de tracção às
vezes. De acordo com isso, r y foi fixado em 0,71, 0,00 e 1,00 MPa em amostras diferentes. Após sua remoção da sala de vapor, a amostra foi fixada na máquina de teste de 15.000 kN. A entrada de água da
amostra foi conectada a um dispositivo de carregamento hidráulico e a saída de água foi conectada a um transdutor de pressão de água. Era importante que a entrada e saída de água da amostra fosse para
baixo para garantir que o ar nas tubulações de água pudesse ser completamente excluído. Antes do teste, a superfície da amostra deve ser seca ao ar para facilitar a observação do vazamento de água.
Uma carga constante foi aplicada na amostra pela máquina de teste para simular a vertical estresse r y . Então, uma variável agua pressão foi aplicada na fissura da amostra pelo dispositivo de
carregamento hidráulico. A pressão da água foi aumentada em todas as etapas até o valor final ser atingido. Um incremento típico da pressão da água é ilustrado na Fig. 5 . Deve-se assegurar que o teste seja
de carga quase-estática, e a pressão da água deve ser mantida constante por pelo menos uma hora em cada estágio. Assim, a pressão da água tem tempo para se desenvolver e a água pode atingir todos os
micro defeitos. Esta configuração está próxima da situação real da barragem de gravidade, porque o nível da água em um reservatório geralmente muda muito lentamente. Durante o experimento, a força
aplicada e a pressão de entrada de água foram monitoradas.
Como descrito pela teoria da mecânica de fratura de concreto, a curva completa de deslocamento e carga da fissura de concreto é mostrada na Fig. 6 . A resposta pós-pico pode ser obtida apenas no caso em que
o teste é controlado por deslocamento. No entanto, o teste em este papel foi controlado pela carga. De modo que somente a fase de subida da curva de carga-deslocamento poderia ser registrada, e a pressão
máxima de água que o transdutor poderia detectar equivalia ao valor crítico que causava a fraturação hidráulica do material de concreto, ou seja, o valor de Pmax na Fig. 6 .
Tomando a amostra IV como um exemplo, quando a pressão hidráulica foi aumentada para 3,2 MPa, a água começou a percolar a partir da superfície da amostra. Vários minutos depois, uma grande
quantidade de água fluiu repentinamente das rachaduras na superfície da amostra ( Fig. 7 ), e então a pressão da água diminuiu acentuadamente. Assim, o crit- ical valor do a agua pressão causando hidráulico
fratura estava
3,2 MPa. Fig. 8 mostra a amostra após o teste. Deve- se notar que as rachaduras na a superfície da amostra é aproximadamente paralela à trinca anteriormente incorporada, mas não tão boa quanto os testes
conduzidos por Brühwiler e Saouma [21] e Xu e Wang[25]. Isso porque, em testes anteriores, o tamanho máximo do agregado de concreto é inferior a 30 mm e é menor que o maior agregado (80 mm) neste
trabalho. O desvio ao redor do grosseiro agregar resultados a inclinação do a rachaduras em FIG. 7 .
 
3 .Experimental resultados
 
Os resultados desses testes estão resumidos na Tabela 3 . Mostrou que a propagação de trinca dependia da resistência do concreto e da condição de carga. Com base nos resultados desses testes, os
mínimos quadrados ordinários (OLS) foram empregados na análise dos dados, e uma fórmula correspondente foi ajustada, como mostrado na Eq. (1)
 
O lado esquerdo da Eq. (1) é a carga motriz de fração hidráulica turing e a certo mão lado é a resistência. isto apontou Fora naquela cerca de 60% da resistência à tração do concreto foi a resistir tância, e a
compressão vertical, estresse r y poderia aumentar a resistência linearmente ou reduzir linearmente se o r y é uma tração estresse. o teste resultados ter mostrando naquela a crítico agua pressão do
fraturamento hidráulico foi de 1,5-3,2 MPa que foi similar para a máximo agua pressão (reservatório cabeça) em uma Alto gravidade barragem (H> 200 m). E o experimento foi projetado de acordo com a
condição de estresse no salto da barragem de gravidade. Portanto, esses testes provaram que a fraturação hidráulica era um problema real na barragem de alta gravidade . Embora dois casos de fraturamento
hidráulico das barragens de concreto tenham sido destacados na introdução, o monitoramento da fraturação hidráulica da barragem por gravidade ainda não foi relatado até agora, como os autores sabem,
porque a fraturação do concreto é instantânea, dificultando muito a sua execução. ser monitorado. Além disso, a Eq.
(1) ressaltou que a resistência do concreto não melhoraria efetivamente a resistência à fraturação hidráulica. Daí, à vertical estresse r y seria a chave para melhorar a concepção de barragem de gravidade na
presença de fractura hidráulica. Uma discussão mais detalhada será apresentada mais adiante (Seção 6 ).
 
Modelo de elementos finitos de fraturamento hidráulico de concreto
 
Um modelo de elementos finitos (MEF) foi estabelecido para analisar a fraturamento hidráulico de barragens de gravidade, e a análise FEM do a amostra de teste foi realizada assumindo axisimétrico condições.
o FEM estava Sediada em a discreto rachar abordagem. UMA comum A suposição de modelo coesivo-crack discreto é linear elasticidade fora dos locais de deslocamento potencial descontinuidade
(rachaduras), onde a não linearidade está confinada. O concreto foi assumido para ser linear elástico até a final elástico força estava alcançado. Depois dessa força, o concreto seria fraturado e sua força seria
suavizada. Mais especificamente: a relação constitutiva de concreto rachado empregue o modelo de fissuras fictício que foi proposto pela primeira vez por Hillerborg et al. [26,27] . Modelo de crack fictício
apontado Fora naquela lá estava uma fratura processo zona (FPZ) a a ponta da rachadura , e amolecimento tracção-separação lei estava característica do o crack. Uma vez a elástico força f t e fratura energia G f
estavam determinada , a lei de separação de tração de amolecimento poderia ser obtida. Muita experiência mostrou que a tração-separação suavizante bilinear lei proposta por Petersson [28,29] estava por longe
a mais preciso 1 [30] , Como mostrando por a sólido linha em FIG. 9 . o relações
 
algumas pesquisas recentes [31,32] também apontou que o modo Ifratura energia lançamento taxa poderia estar reduzido em umidade meio Ambiente. Infelizmente, essas expressões são aplicáveis para pressão de água de 0 a 0,9 MPa e não são adequadas para nossos testes.
Para o melhor do autores conhecimento, a tracção-separação lei quando a con- fenda creta foi enchido com água a alta pressão (> 1,5 MPa) era raramente estudou. Assim sendo, isto estava assumido naquela lá
estava uma mudar em a lei Como mostrando por a tracejadas linha em FIG. 9 .
Para simplificar a calibração do modelo FEM com os resultados do teste, assumiu-se que f t , w s e w 0 não mudaram e apenas r s foi alterado m vezes pela pressão hidráulica. Desta forma , a tração efetiva é
introduzida como uma função da efetiva
abertura de deslocamento v e é caracterizada por uma resposta reversível inicial, seguido por uma resposta irreversível, logo que uma crítica efectiva deslocamento de abertura v c tenha sido atingido. A parte
irreversível é caracterizada pela lei de separação de tração suavizante bilinear como mostrado na Fig. 9 (linha de traço). Toda a relação constitutiva do elemento de interface é mostrada na Fig. 11 .
É fácil saber que o comportamento na direção normal e de cisalhamento é tratado similarmente no parágrafo acima. No entanto, às vezes, o comportamento de uma zona de processo de fratura de concreto
pode ser diferente em tensão e cisalhamento. O método usual para incluir tais diferenças é incorporado pela relação de tensão normal de cisalhamento b . Esta relação é geralmente usada para redefinir a
abertura efetiva deslocar mentação de acordo para . o teste do isto artigo é puro Modo Eu fratura, portanto isto é impossível para em forma a parâmetro b . foi assumido naquela b é igual para 1 em isto artigo.
que é uma limitação de a FEM. Apesar isto faz não afetar a inversão análise do No teste, ele causará erro no cálculo do projeto da barragem, porque uma barragem gravitacional geralmente é uma fratura de
modo misto. Mas o erro é aceitável. Afinal, a tensão de cisalhamento perto da face a montante não é grande como mostrado na Fig. 1 .
Devido à conveniência de pesquisas anteriores de projeto Longtan, algumas propriedades dos materiais (como mostrado na Tabela 4 ) do betão usadas no teste foram obtidas experimentalmente, que são
Essary nec para os parâmetros em Fig. 11 . O fator de redução, m, foi obtido pela análise de inversão do teste. Depois disso, os resultados finais da FEM foram mostrados na Tabela 3 . Para investigar a influência
do a m em a precisão do FEM, a FEM resultados também foi comparado com alguns resultados de extensão da Eq. (1) , como mostrado na Fig. 12 . A boa correlação entre resultados experimentais e numéricos
pode ser observada esta figura.
 
1 Discussão do hidráulico fratura a a Alto gravidade barragem
 
É bem sabido que a fraqueza inerente do concreto na tensão resulta em rachaduras, especialmente para grandes barragens de concreto. Além disso, para a barragem de betão compactado por rolos (barragem
RCC), a própria camada RCC resulta numa interface fraca, comparativamente muito permeável [35] . Embora encolhimento fissuras (térmico) em barragens de betão são fre- quentemente observado [36] , que não
têm nenhum efeito sobre a segurança da barragem inferior a 200 m, e a ocorrência de fissuras não implica os insucessos do uma gravidade barragem [37] . Mas para gravidade barragens superior do que 200 m,
 
a pressão de água (cabeça de reservatório) será muito elevado no calcanhar barragem, e a vertical estresse r y na superfície de montante vai ser deteriorada, porque a maioria gravidade foi consumida para
resistir à força de impulso de água. Então, o que acontece com a estabilidade das barragens nesta situação? Essa questão mais importante desempenha um papel fundamental na avaliação da segurança de
uma barragem de alta gravidade e é de importância semelhante também para as barragens de arco elevado. No entanto, este artigo só diz respeito à barragem de alta gravidade.
À luz dos experimentos de apoio deste trabalho, as rachaduras no salto da barragem de alta gravidade podem ser instáveis na presença de fraturamento hidráulico, como discutido na Seção 4 . A
resistência à fraturação hidráulica das rachaduras no salto da barragem deve ser um aspecto importante para projetar barragens de alta gravidade (H> 200 m). Ele é discutido em detalhes nos parágrafos
seguintes, comparando três especificações de projeto diferentes para barragensde gravidade de concreto da China, EUA e Suíça.
Na China, os códigos de design existentes de barragem de gravidade especifica a vertical estresse r y sobre a superfície de montante não deve ser de tracção, e a pressão de elevação hidráulico está
incluído no cálculo do r y [38] . Nos EUA, as normas existentes requerem o montante vertical, estresse r y deve ser compressiva e deve ser maior do que a pressão da água de menos a resistência do betão na
ausência de subpressão [39] . Para o código de criação de barragem de gravidade Grande Dixence na Suíça, a compressão vertical, estresse r y sobre a superfície de montante deve ser maior do que 85% da
pressão da água em todos os níveis, quando a pressão de elevação hidráulico é ignorado.
Uma investigação foi conduzida em áreas transversais de três represas localizadas na China, nos EUA e na Suíça. Represa de gravidade Longtan RCC (Agora H = 192 me será aumentada para
216,5 m na segunda fase) é a maior barragem de gravidade na China, e foi projetada por especificações chinesas. Geralmente, em comparação com a barragem de Dworshak (EUA, H = 219 m, barragem de
concreto convencional) e a barragem de Grande Dixence (Suíça, H = 285 m, barragem de concreto convencional), a barragem de gravilha de Longtan tem um cruzamento significativamente diferente. seção. Os
detalhes do investigação está mostrando em Mesa 5 .
Usando a FEM mencionado em Seção 5 , a hidráulico fraturando no salto da barragem destas seis barragens na Tabela 5 foram analisados para comparação. UMA 3D modelo com horizontal rachar a a
barragem salto é considerado, nomeadamente o modelo discreto coesiva-crack. A malha de elementos finitos é mostrada na Fig. 13 . As profundidades de trincas horizontais variam de 0,1 a 2,0 m. A pressão
de água crítica (cabeça do reservatório) de fraturamento hidráulico de uma rachadura de profundidade específica pode ser obtida com a FEM. o resultados está mostrando em Figs. 14-16 , e cada dados ponto
representa uma específico reservatório cabeça (iniciando do nível do salto da barragem e da água que excede a crista é permitido) resposta para uma profundidade específica crack.
Observou-se que as especificações do projeto tiveram consequências importantes na resistência da barragem à fraturação hidráulica.
 
As barragens de gravidade maiores que 200 me projetadas pela especificação chinesa podem não ser seguras considerando a fraturação hidráulica. Por exemplo, as cabeças de reservatório seguro das barragens
com a altura de 216,5 m, 219 me 285 m são apenas 201 m, 210 me 278 m, respectivamente. Para as barragens concebidas pela especificação do EUA e com a altura de 216,5 m, 219 m, as suas cabeças de
reservatório são seguras 205 m, 218 m, respectivamente. Para as barragens projetadas pela especificação da Suíça e com a altura de 216,5 m, 285 m, suas cabeças de reservatório seguro são 205 m, 297 m,
respectivamente.
Pode-se notar que as barragens seguintes as especificações dos EUA e da Suíça são mais seguros do que as barragens personalizados por código atual chinês. No entanto, se a pressão de elevação for tão alta
quanto a Longtan barragem em China, a barragens projetado por a NOS e As especificações suíças também não serão seguras. Em conclusão, os códigos de projeto existentes de barragens de gravidade
podem ser imperfeitos para barragens de alta gravidade (H> 200 m). Vale ressaltar que, devido ao freeboard, a pressão da água é menor do que a altura da barragem, então as barragens verdadeiras são
menos propenso a fraturamento hidráulico.
Como mencionado anteriormente, as maiores diferenças de especificações da China, EUA e Suíça são as tensões verticais r y no rio acima superfície do a gravidade barragem. o análise do hidráulico
a fratura mostrou que uma tensão vertical de compressão na superfície a montante da represa por gravidade é benéfica para resistir à fraturação hidráulica, e testes adicionais são necessários para quantificar
ainda mais isto importante estresse r y .
 
Conclusões e recomendações
 
Um método de teste para estudar a fraturação hidráulica de barragens de gravidade foi desenvolvido. Usando concreto do projeto da barragem gravidade chinês Longtan e simulando a condição de estresse
do calcanhar barragem de gravidade, uma série de testes de fraturamento hidráulico com pontos fortes concretos dife- rentes e tensões uniaxiais foram realizadas. Os resultados revelaram que a tensão vertical ao
redor da trinca teve um efeito importante na fraturação hidráulica, e apenas cerca de 0,6 vezes da resistência à tração contribuíram para a resistência da amostra à fraturação hidráulica. Os testes mostraram
também que, se a barragem de gravidade foi muito alta (H> 200 m), a cabeça de reservatório seria levar a fraturamento hidráulico em rachaduras na superfície da barragem a montante. Portanto, a influência da
fraturação hidráulica deve ser introduzida no projeto de barragens de alta gravidade. No entanto, à luz da as experiências de apoio limitada, esta conclusão devem ser sub- stantiated por mais testes. Vale ressaltar
que os testes realizados são de importância semelhante para as grandes barragens também.
Usando o FEM, o fraturamento hidráulico de barragens localizadas na China, nos EUA e na Suíça foi analisado. Como indicado pelos resultados, as especificações de projeto existentes, especialmente para a
especificação de projeto da China, podem ter problemas na segurança de barragens ao considerar a fraturação hidráulica para barragens de gravidade maiores que 200 m, e os códigos atuais devem ser
melhorados para projetar alta gravidade barragens. Se a vertical estresse r y sobre a superfície a montante da barragem apresenta-se como uma tensão de compressão, será ficial be- para a resistência a fractura
hidráulica. Portanto, ele vai ser a chave para melhorar a especificação do projeto. No entanto, mais pesquisas devem ser realizadas para quantificar o estresse vertical r y . Eu t devemos estar notado naquela a
segurança do barragens projetado pelas especificações dos EUA e da Suíça declinará seriamente se as pressões de elevação hidráulica forem tão altas quanto as da barragem de Longtan na China, e esse fenômeno
indica que a pressão elevação hidráulica da barragem de gravidade pode ser um fator importante para ing quantify- a vertical estresse r y .
Neste estudo, apenas uma replicação (ou seja, espécime IR em
Tabela 3 ) foi realizada, o que não pôde verificar completamente a confiabilidade dos resultados do teste. Além disso, o FEM calibrado pelos testes pode não ser tão simples. Então, aumentar o número de
amostras é significativo no futuro. A zona de progresso de fratura (FPZ) da grande estrutura de concreto é de cerca de 20 cm [41,42] , os testes atuais não são grandes o suficiente para simular um FPZ totalmente
desenvolvido em barragem de gravidade, e é necessário fazer amostras maiores. A pesquisa de teste de fratura em modo misto (modo I e II) também é muito significativa, como mencionado na Seção 5 . No
entanto, como uma estrutura axissimétrica, a amostra neste artigo será a fratura dos modos I e II e modo I e III ao aplicar força de cisalhamento. De acordo com a experiência dos autores, a amostra de divisão de
cunha pode ser adequada para a fratura hidráulica de concreto do modo I e II, por ser uma estrutura bidimensional. [43-45] .
As especificações de projecto anteriores de barragens gravidade ter especifi- cados o montante vertical, estresse r y deve ser 0,25-0,85 c H (com- fora subpressão) [39,46-49] , que c refere-se à densidade da água
e H se refere para a cabeça da água. Hoje as pessoas são mais inclinado a adotar o código que o mínimo r y igual a zero (com elevar pressão). isto é não só muito popular em China, mas em
alguns outros países também. Este artigo já assinalou o risco de fratura hidráulica de barragens gravidade elevada personalizados por padrão atual. A r y
deve ser, por conseguinte, reavaliada, e vai estar interessante para re-entenda a alcance do 0,25-0,85c H.
 
w 0
algumas pesquisas recentes [31,32] também apontou que o modo Ifratura energia lançamento taxa poderia estar reduzido em umidade meio Ambiente. Infelizmente, essas expressões são aplicáveis para a água pressão de 0 a 0,9 MPa e não é adequada para nossos testes. Para o
melhor do autores conhecimento, a tracção-separação lei quando a con- fenda creta foi enchido com água a alta pressão (> 1,5 MPa) era raramente estudou. Assim sendo, isto estava assumido naquela lá estava
uma mudar em a lei Como mostrando por a tracejadas linha em FIG. 9 .
Para simplificar a calibração do modelo FEM com os resultados do teste, assumiu-se que f t , w s e w 0 não mudaram e apenas r s foi alterado m vezes pela pressão hidráulica. Desta forma , a tração efetiva é
introduzida como uma função da efetiva
abertura de deslocamento v e é caracterizada por uma resposta reversível inicial, seguido por uma resposta irreversível, logo que uma crítica efectiva deslocamento de abertura v c tenha sido atingido. A parte
irreversível é caracterizada pela lei de separação de tração suavizante bilinear como mostrado na Fig. 9 (linha de traço). Toda a relação constitutiva do elemento de interface é mostrada na Fig. 11 .
É fácil saber que o comportamento na direção normal e de cisalhamento é tratado similarmente no parágrafo acima. No entanto, às vezes, o comportamento de uma zona de processo de fratura de concreto
pode ser diferente em tensão e cisalhamento. O método usual para incluir tais diferenças é incorporado pela relação de tensão normal de cisalhamento b . Esta relação é geralmente usada para redefinir a
abertura efetiva deslocar mentação de acordo para v ¼ v 2 º b 2 v 2 º b 2 v 2 . o teste do isto artigo é puro Modo Eu fratura, portanto isto é impossível para em forma a parâmetro b . foi assumido
naquela b é igual para 1 em isto artigo. que é uma limitação de a FEM. Apesar isto faz não afetar a inversão análise do No teste, ele causará erro no cálculo do projeto da barragem, porque uma barragem
gravitacional geralmente é uma fratura de modo misto. Mas o erro é aceitável. Afinal, a tensão de cisalhamento perto da face a montante não é grande como mostrado na Fig. 1 .
Devido à conveniência de pesquisas anteriores do projeto Longtan, algumas propriedades do material (como mostrado na Tabela 4 ) do concreto usado no teste foram obtidas experimentalmente, o que é
necessário para os parâmetros da Fig. 11 . O fator de redução, m, foi obtido pela análise de inversão do teste. Depois disso, os resultados finais da FEM foram mostrados na Tabela 3 . Para investigar a influência do
a m em a precisão do FEM, a FEM resultados também foi comparado com alguns resultados de extensão da Eq. (1) , como mostrado na Fig. 12 . A boa correlação entre resultados experimentais e numéricos pode
ser observada esta figura.
 
2 Discussão do hidráulico fratura a a Alto gravidade barragem
 
É bem sabido que a fraqueza inerente do concreto na tensão resulta em rachaduras, especialmente para grandes barragens de concreto. Além disso, para a barragem de betão compactado por rolos (barragem
RCC), a própria camada RCC resulta numa interface fraca, comparativamente muito permeável [35] . Embora encolhimento fissuras (térmico) em barragens de betão são fre- quentemente observado [36] , que não
têm nenhum efeito sobre a segurança da barragem inferior a 200 m, e a ocorrência de fissuras não implica os insucessos do uma gravidade barragem [37] . Mas para gravidade barragens superior do que 200 m,
 
a pressão de água (cabeça de reservatório) será muito elevado no calcanhar barragem, e a vertical estresse r y na superfície de montante vai ser deteriorada, porque a maioria gravidade foi consumida para
resistir à força de impulso de água. Então, o que acontece com a estabilidade das barragens nesta situação? Essa questão mais importante desempenha um papel fundamental na avaliação da segurança de
uma barragem de alta gravidade e é de importância semelhante também para as barragens de arco elevado. No entanto, este artigo só diz respeito à barragem de alta gravidade.
À luz dos experimentos de apoio deste trabalho, as rachaduras no salto da barragem de alta gravidade podem ser instáveis na presença de fraturamento hidráulico, como discutido na Seção 4 . The
resistance to hydraulic fracturing of the cracks at dam heel should be an impor- tant aspect for designing high gravity dams (H > 200 m). It is dis- cussed in details in follow paragraphs by comparing three
different design specifications for concrete gravity dams from China, the USA and Switzerland.
In China, the existing design codes of gravity dam specify the vertical stress r y on the upstream surface must not be tensile, and the hydraulic uplift pressure is included when calculating the r y [38] . In
the USA, the existing standards require the upstream vertical stress r y should be compressive and should be greater than the water pressure minus the concrete strength in the absence of uplift pressure [39]
. For the design code of Grande Dixence gravity dam in Switzerland, the compressive vertical stress r y on the upstream surface must be larger than 85% of the water pressure at all levels when the hydraulic
uplift pressure is disregarded.
An investigation was conducted on cross-sectional areas of three dams located in China, the USA, and Switzerland. Longtan RCC gravity dam (Now H = 192 m and will be increased para
216.5 m in the second phase) is the highest gravity dam in China, and was designed by Chinese specifications. Generally, compared with the Dworshak dam (USA, H = 219 m, conventional concrete gravity
dam) and the Grande Dixence dam (Switzerland, H = 285 m, conventional concrete gravity dam), the Longtan grav- ity dam has a significantly different cross section. The details of the investigação está
mostrando em Mesa 5 .
Usando a FEM mencionado em Seção 5 , a hidráulico fracturing at the dam heel of these six dams in Table 5 were analyzed for comparison. UMA 3D modelo com horizontal crack a a dam heel is
considered, namely the discrete cohesive-crack model. The finite element mesh is shown in Fig. 13 . The horizontal crack depths range from 0.1 m to 2.0 m. The critical water pressure (reservoir head) of
hydraulic fracturing of a specific depth crack can be obtained com a FEM. o resultados está mostrando em Figs. 14–16 , and each dados ponto representa uma específico reservatório cabeça (starting from the
dam heel and water level exceeding the crest is allowed) response for a specific depth crack.
It was observed that the design specifications had important consequences on the dam's resistance to hydraulic fracturing.
 
 
 
 
The gravity dams higher than 200 m and designed by the Chinese specification may be not safe in considering hydraulic fracturing. For example, the safe reservoir heads of the dams with the height of 216.5 m,
219 m and 285 m are just 201 m, 210 m and 278 m, respectively. For the dams designed by the specification of the USA and with the height of 216.5 m, 219 m, their safe reservoir heads are 205 m, 218 m,
respectively. For the dams designed by the specification of Switzerland and with the height of 216.5 m, 285 m, their safe reservoir heads are 205 m, 297 m, respectivamente.
It can be noted that the dams following the specifications of the USA and Switzerland are safer than the dams designed by Chinese current code. However, if the uplift pressure is as high as that of the
Longtan dam em China, a dams projetado por a NOS e Swiss specifications will not be safe either. In conclusion, the existing design codes of gravity dams might be imperfect for high gravity dams (H > 200
m). It is worth mentioning that due to the freeboard the water pressure is less than the dam height, so the real gravity dams are less prone to hydraulic fracturing.
As previously mentioned, the major differences of specifications of China, the USA and Switzerland are the vertical stresses r y on the rio acimasuperfície do a gravidade barragem. o análise do hidráulico
fracturing showed that a compressive vertical stress on the upstream surface of the gravity dam is beneficial for resisting hydraulic fracturing, and additional tests are necessary to further quantify isto importante
estresse r y .
 
Conclusions and recomendações
 
A test method for studying the hydraulic fracturing of gravity dams was developed. Using concrete from the Chinese Longtan gravity dam project and simulating the stress condition of the gravity dam heel, a
series of hydraulic fracturing tests with differ- ent concrete strengths and uniaxial stresses were carried out. The results revealed that the vertical stress around the crack had an important effect on the hydraulic
fracturing, and only about 0.6 times of tensile strength was contributed to the specimen's resis- tance to hydraulic fracturing. The tests also showed that if the gravity dam was very high (H > 200 m) the reservoir
head would lead to hydraulic fracturing at cracks on the dam upstream surface. Therefore, the influence of hydraulic fracturing should be intro- duced in the design of high gravity dams. However, in light of the
limited supporting experiments, this conclusion should be sub- stantiated by more tests. It is worth mentioning that the tests car- ried out are of similar importance for high arch dams também.
Using the FEM, the hydraulic fracturing of dams located in China, the USA, and Switzerland was analyzed. As indicated by the results, the existing design specifications, especially for the design specification
of China, may have problems in dam safety when considering hydraulic fracturing for gravity dams higher than 200 m, and the current codes should be improved for design- ing high gravity dams. If the vertical
stress r y on the dam upstream surface presents as a compressive stress, it will be bene- ficial for the resistance to hydraulic fracturing. Therefore, it will be the key for improving the design specification. However
more researches are required to be conducted to quantify the vertical stress r y . I t devemos estar notado naquela a segurança do dams projetado by the US and Swiss specifications will decline seriously if the
hydraulic uplift pressures are as high as that of the Longtan dam in China, and this phenomenon indicates that the hydraulic uplift pressure of gravity dam might be an important factor for quantify- ing a
vertical estresse r y .
In this study, only one replication (namely specimen IR in
Table 3 ) was performed, which could not fully verify the reliability of the test results. Furthermore, the FEM calibrated by the tests may not be that straightforward. So that increasing the number of samples is
significant in the future. The fracture progress zone (FPZ) of large concrete structure is about 20 cm [41,42] , the current tests are not large enough to simulate a fully developed FPZ in gravity dam, and it is
necessary to make larger specimen. Test research of mixed-mode fracture (mode I&II) is also very meaning- ful as mentioned in Section 5 . However, as an axisymmetric struc- ture, the specimen in this article will
be mode I&II and mode I&III fracture when applying shearing force. According to the authors' experience, wedge splitting specimen might be suitable for mode I&II hydraulic fracture of concrete, as it is a two-
dimensional struc- ture [43–45] .
The previous design specifications of gravity dams have speci- fied the upstream vertical stress r y should be 0.25–0.85 c H (with- out uplift pressure) [39,46–49] , which c refers to the density of water and H
refers to the water head. Today, people are more inclined to adopt the code that the minimum r y equaling zero (with uplift pressure). isto é não só muito popular em China, mas em
some other countries as well. This article has already pointed out the risk of hydraulic fracturing for high gravity dams designed by current standard. The r y should be, therefore, reassessed, and it will estar
interesting para re-understand a alcance do 0.25–0.85 c H.