裂缝问题与混凝土结构的安全性、稳定性、耐久性密切相关,裂缝已经成为混凝土坝病变的主要诱因之一。因此,开展混凝土断裂特性的研究对大坝的安全运行具有重大意义。在实际工程中,拱坝稳定性强、抗震性能好,能够充分发挥混凝土材料抗压强度高的优势,因此被广泛应用。由于其是一种不甚规则、变厚度的三维空间壳体结构且受力情况非常复杂,此时平面问题假设不能应用于拱坝的断裂分析中。此外,由染色试验发现,裂纹轮廓及扩展轨迹都是几何不规则的,但传统的二维模型及分析方法无法反映裂缝前沿的非线性分布。因此,建立三维裂缝扩展路径的扩展准则以及预测三维裂缝在各种可能条件下的扩展过程,对保障结构安全具有重要的理论意义及工程应用价值。本文从混凝土试件角度出发,以Ⅰ型裂缝为研究对象,采用试验与数值计算相结合的方法进行三维裂缝扩展分析,主要工作如下:（1）不同厚度混凝土试件三点弯曲梁试验本试验以厚度为变量进行三点弯曲梁试验研究。试件长度为500mm,跨度为400mm,高度为100mm,缝高比为0.3,厚度分别为40mm、80mm、100mm、120mm及160mm。通过试验可以直接获得试件的起裂荷载、峰值荷载、临界裂缝长度以及完整的荷载-加载点位移曲线（P-δ）与荷载-裂缝口张开位移曲线（P-CMOD）。试验发现在试件厚度变化时,双K断裂韧度及临界裂缝扩展长度几乎都不存在明显的厚度尺寸效应。根据P-δ曲线计算得到试件的断裂能,发现在本试验定量计算和研究范围内,当试件厚度大于100mm时,断裂能随试件厚度的增大而增大。（2）多阶段裂缝扩展染色试验对厚度为40mm、80mm、100mm、120mm、160mm的混凝土试件进行三点弯曲梁染色试验,得到不同荷载水平下的裂缝扩展轨迹。考虑到混凝土呈碱性的性质,选用酚酞酒精溶液作为染色剂。选取裂缝扩展过程中的6种荷载水平进行染色,由染色结果可知:对于同一厚度试件,随着裂缝的向前扩展,试件表面和试件中心处的裂缝扩展长度差值呈现先增大后减小的趋势;对于不同厚度试件,当试件厚度B≥80mm时,裂缝前沿扩展轨迹是不规则的,但当试件厚度B=40mm时,试件内部不同位置受厚度边界影响较为一致,裂缝前沿扩展轨迹近似为一条直线。（3）基于厚度边界效应的三维裂缝扩展数值计算引入虚拟裂缝模型及以起裂韧度为基础的裂缝扩展准则进行裂缝扩展全过程模拟分析。为了反映出厚度边界的影响,基于混凝土断裂能的边界效应模型,本文提出考虑厚度边界效应的双线性软化曲线及考虑厚度边界影响的起裂韧度三线性模型。采用APDL命令流建立不同厚度试件的半结构有限元分析模型,并对裂缝尖端附近的网格进行局部加密。基于本文提出的相关模型,对三维裂缝扩展全过程进行模拟。通过对比试验与数值的P-CMOD曲线、裂缝扩展轨迹,验证了本文所提理论模型的合理性。（4）数值计算中软化曲线的影响分析本文基于两种软化曲线进行三维裂缝扩展数值验证。两种数值验证方法分别记为数值1和数值2。由P-CMOD曲线对比可知,数值1与试验结果更加接近。对比裂缝前沿的扩展轨迹,发现数值2的扩展轨迹接近于直线,无法反映出裂缝前沿的扩展不均匀性。此外,对于同一厚度试件,数值2未出现表面与中心裂缝扩展长度之差先增大后减小的趋势,与染色试验结果相差较大。综上所述,由P-CMOD曲线及裂缝前沿扩展轨迹对比,发现本研究中数值1所采用的软化曲线,与试验结果吻合度较高,更接近裂缝扩展的真实情况。