混凝土壩裂縫演變規(guī)律及轉(zhuǎn)異診斷非線性理論與方法

許多混凝土壩存在影響其安全的裂縫,目前常采用斷裂力學(xué)理論分析裂縫的擴展特性，而該理論中斷裂參數(shù)存在明顯的尺寸效應(yīng)，難以反映裂縫擴展過程中的非線性。本項目通過理論和試驗研究，結(jié)合具體工程進行數(shù)值模擬分析，研究了帶縫混凝土壩系統(tǒng)的動態(tài)耗散結(jié)構(gòu)特征，從熵變和能量轉(zhuǎn)化等方面揭示了裂縫擴展演變過程中的耗散結(jié)構(gòu)形成機理；根據(jù)裂縫表面分形性和裂縫擴展過程實際能量釋放率的分形特征，建立了基于分形幾何的裂縫擴展演變分析模型；探討了裂縫發(fā)展演化過程中的熵變機理及信息熵的計算方法，提出了應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)的熵值轉(zhuǎn)化方法，結(jié)合具體實驗及工程算例進行數(shù)值模擬，研究了帶縫混凝土重力壩在加載過程中的熵變規(guī)律；在利用相空間重構(gòu)技術(shù)重構(gòu)裂縫時效變形相平面的基礎(chǔ)上，提出了裂縫時效轉(zhuǎn)異點的相平面識別法；應(yīng)用信息論中的最大熵原理，根據(jù)各基本隨機變量的數(shù)字特征值確定其概率密度函數(shù)，建立了基于最大熵原理的裂縫轉(zhuǎn)異診斷判據(jù)。在國內(nèi)外重要學(xué)術(shù)期刊和會議上發(fā)表論文近50篇，其中17篇SCI收錄、30篇EI收錄。 2100433B

國內(nèi)外大量的混凝土壩都不同程度帶縫服役，包括龍羊峽、陳村等高混凝土壩,目前采用較普遍的分析理論為斷裂力學(xué)理論，而該理論中斷裂參數(shù)存在明顯的尺寸效應(yīng)，難以反映裂縫擴展過程中的非線性?；炷翂瘟芽p的實測數(shù)據(jù)中包含了裂縫擴展及失穩(wěn)的大量非線性信息，而熵、混沌和分形等非線性理論在對數(shù)據(jù)進行分解、重構(gòu)、提取與解釋等方面具有較強的功能，可彌補斷裂力學(xué)理論的不足。然而，目前非線性理論用于混凝土壩裂縫的研究存在著理論定位低、機械應(yīng)用與理論研究相脫節(jié)、物理模型實驗缺乏等突出問題。針對這一現(xiàn)狀，本課題將利用實測數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)值模擬和物理模型實驗，融合斷裂力學(xué)基本概念和非線性理論，研究裂縫發(fā)展演變過程的耗散結(jié)構(gòu)特征，構(gòu)建基于分形幾何裂縫擴展演變分析方法，建立混凝土壩裂縫擴展演變的熵變理論與方法體系，并探索基于非線性理論的裂縫失穩(wěn)轉(zhuǎn)異診斷方法。擬在國內(nèi)外重要期刊上發(fā)表論文8-10篇[SCI、EI收錄4篇]。

碾壓混凝土壩施工層面是壩體性態(tài)劣化的主要部位，申請人前期研究表明，層面狀態(tài)是評判大壩安全性態(tài)的重要依據(jù)，目前有關(guān)碾壓混凝土壩服役性態(tài)演化與診斷的系統(tǒng)研究相對較少。申請人擬采用理論分析、數(shù)值仿真、模型試驗與原位觀測相結(jié)合的研究方法，研究碾壓層內(nèi)主要物理參數(shù)的漸變規(guī)律及層面與本體變形協(xié)調(diào)力學(xué)特性，建立詮釋壩體層面與本體力學(xué)性態(tài)的仿真分析模型，揭示在役碾壓混凝土壩力學(xué)行為與其依存諸因素間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)；更進一步，通過對壩體兩場耦合作用機理分析，研究并提出基于參數(shù)漸變與劣化損傷的壩體流固耦合分析模型和關(guān)鍵參數(shù)的確定方法，以期揭示碾壓混凝土壩服役性態(tài)演化規(guī)律；綜合利用現(xiàn)役大壩的多維時空信息，完善構(gòu)建碾壓混凝土壩工作性態(tài)的融合評價指標(biāo)體系，探究大壩多源信息中指標(biāo)約簡、融合權(quán)重與梯階逐層集成技術(shù)，提出融合多源時空信息的碾壓混凝土壩服役性態(tài)綜合診斷方法，從而為服役期碾壓混凝土壩的性態(tài)診斷、管理決策奠定基礎(chǔ)。

碾壓混凝土壩施工層面是壩體性態(tài)劣化的主要部位，其服役期受靜動力荷載與不確定環(huán)境因素協(xié)同作用，層間材料性能演化是加劇大壩局部結(jié)構(gòu)和整體性態(tài)衰減的重要因素，是一種導(dǎo)致大壩安全裕度降低的時變不可逆過程，如何利用大壩多源時空監(jiān)測信息把控結(jié)構(gòu)服役性能演化態(tài)勢安全與否，是壩工領(lǐng)域亟需解決的科學(xué)技術(shù)問題。 本項目以運行期碾壓混凝土壩為研究對象，通過理論分析、數(shù)值仿真、模型試驗與原位觀測相結(jié)合的研究方法，從其壩體結(jié)構(gòu)宏觀力學(xué)行為角度，在考量碾壓混凝土壩服役性態(tài)演化程度的基礎(chǔ)上，融合多源時空信息對其運行性態(tài)實施了綜合診斷。其主要研究成果：（1）在分析大壩碾壓層物理參數(shù)漸變特性的基礎(chǔ)上，構(gòu)造了表征層內(nèi)本體和層面影響帶力學(xué)參數(shù)的連續(xù)分布規(guī)律函數(shù)及其流變協(xié)調(diào)關(guān)系，建立了碾壓混凝土壩切法向并層等效力學(xué)行為仿真分析模型，提出了基于GA-APSO混合罰模型的大壩結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)優(yōu)化反演方法；（2）通過對壩體滲流場和應(yīng)力場耦合機理分析，建立了考慮層內(nèi)參數(shù)漸變的碾壓混凝土壩流固耦合分析模型及參數(shù)確定方法，并編制了相應(yīng)計算程序，為分析運行期混凝土壩力學(xué)性能演化規(guī)律提供了新途徑；（3）構(gòu)建了碾壓混凝土壩服役性態(tài)安全綜合診斷體系，就其關(guān)鍵監(jiān)測指標(biāo)（變形、滲流等）時間序列，從層面滲流滯后與時變特性、序列殘差效應(yīng)等多個視角，分別建立了考慮滯后與時變雙重效應(yīng)的碾壓混凝土壩滲流監(jiān)控模型，顧及大壩位移殘差序列混沌效應(yīng)的GA-BP預(yù)測模型和蛙跳式組合監(jiān)測模型等，并給出了具體定性和定量指標(biāo)的隸屬度及賦權(quán)方法，提出了基于信息融合的碾壓混凝土壩工作性態(tài)融合診斷模型，發(fā)展了融合多源時空信息的碾壓混凝土壩服役性態(tài)綜合判診方法，其相關(guān)研究成果為部分碾壓混凝土壩安全監(jiān)控給予了技術(shù)咨詢，亦為相關(guān)水工結(jié)構(gòu)運行性態(tài)評判提供理論與技術(shù)支撐。 在該項目資助下，發(fā)表學(xué)術(shù)論文25篇，其中SCI論文3篇【JCR一區(qū)2篇、二區(qū)1篇】，EI收錄8篇，培養(yǎng)碩士研究生8名，項目達到了預(yù)期研究目標(biāo)。 2100433B

轉(zhuǎn)爐鋼渣微粉化是鋼渣資源化大宗量利用的有效途徑之一，然而制約鋼渣微粉化的主要問題是其易磨性差。本項目申請依據(jù)于項目組前期的工作積累和發(fā)現(xiàn)，分析了問題存在的根本原因，提出通過促進轉(zhuǎn)爐鋼渣相演變和自粉化以解決此難題的新思路，研究包括轉(zhuǎn)爐鋼渣中硅酸二鈣相（C2S）的優(yōu)勢析出；C2S析出相由β向γ相的演變和C2S相演變與轉(zhuǎn)爐鋼渣自粉化關(guān)系三個方面。研究集中在析出和演變的機理以及其實現(xiàn)條件等基礎(chǔ)科學(xué)問題，運用經(jīng)典的冶金、材料科學(xué)理論，結(jié)合SEM, XRD, EBSD等現(xiàn)代分析測試技術(shù)，來解決研究過程中遇到的科學(xué)難題。項目的目標(biāo)是降低轉(zhuǎn)爐鋼渣粉磨耗能，改善其易磨性，為實現(xiàn)轉(zhuǎn)爐鋼渣的高效循環(huán)利用提供科學(xué)依據(jù)和相應(yīng)的參數(shù)。