碾壓混凝土壩服役性態(tài)演化規(guī)律及融合診斷方法研究結(jié)題摘要

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(dòng)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(shí)變不可逆過程，如何利用大壩多源時(shí)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(xiàng)目以運(yùn)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(yàn)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(shí)空信息對其運(yùn)行性態(tài)實(shí)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(jī)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(jì)算程序，為分析運(yùn)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(shí)間序列，從層面滲流滯后與時(shí)變特性、序列殘差效應(yīng)等多個(gè)視角，分別建立了考慮滯后與時(shí)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(shí)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(yùn)行性態(tài)評判提供理論與技術(shù)支撐。 在該項(xiàng)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(xiàng)目達(dá)到了預(yù)期研究目標(biāo)。 2100433B

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(yàn)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(jìn)一步，通過對壩體兩場耦合作用機(jī)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(shí)空信息，完善構(gòu)建碾壓混凝土壩工作性態(tài)的融合評價(jià)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(shí)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)。

碾壓混凝土壩結(jié)構(gòu)獨(dú)特、影響因素眾多，導(dǎo)致其工作性態(tài)演變過程的復(fù)雜性，目前突出碾壓混凝土壩含有施工層面的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對其工作性態(tài)演變分析方法的系統(tǒng)研究還不夠深入。鑒于此，本項(xiàng)目綜合應(yīng)用試驗(yàn)、理論分析、數(shù)值模擬成果，充分利用安全監(jiān)測資料，開展碾壓混凝土壩工作性態(tài)演變機(jī)理和規(guī)律研究，提出層面厚度和滲透系數(shù)等參數(shù)的確定方法，開發(fā)綜合反映碾壓混凝土壩層面影響的有限元結(jié)構(gòu)分析程序，建立滲流、變形等工作性態(tài)演變分析模型，揭示滲流、變形等工作性態(tài)演變的機(jī)理和規(guī)律，探究滲流、變形等性態(tài)變化趨勢的表征方法，以及相應(yīng)的狀態(tài)判別方法；在此基礎(chǔ)上，研究多效應(yīng)量融合的碾壓混凝土壩工作狀態(tài)變化綜合評判方法，構(gòu)建碾壓混凝土壩工作狀態(tài)變化的多層次綜合分析指標(biāo)體系，提出不確定性的描述和度量方法，及不確定性因素交叉關(guān)系的處理方法，對碾壓混凝土壩工作狀態(tài)變化進(jìn)行全面評判和監(jiān)控，為碾壓混凝土壩有效維護(hù)和正確調(diào)度提供科學(xué)依據(jù)。 2100433B

盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)性能隨著運(yùn)營時(shí)間不斷演化，而滲漏水作為影響隧道長期結(jié)構(gòu)性態(tài)演化的重要因素之一，越來越引起人們的重視。隧道所處環(huán)境復(fù)雜，周圍為土體-注漿層-襯砌三重介質(zhì)，但是，目前研究沒有充分考慮隧道周圍的介質(zhì)特點(diǎn)。本項(xiàng)目從室內(nèi)試驗(yàn)、理論解析和數(shù)值模擬等多角度開展復(fù)雜滲漏條件下盾構(gòu)隧道長期受力性能的演化研究。研究成果對評價(jià)和維護(hù)運(yùn)營盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)安全提供了技術(shù)支撐。 具體的研究內(nèi)容和研究成果如下：（1）注漿體滲透性能試驗(yàn)研究。通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)得到了不同漿液在不同固結(jié)壓力和齡期下的滲透系數(shù)。（2）建立了隧道均勻滲漏條件下考慮注漿層影響的盾構(gòu)隧道滲流場解析解，可以用于預(yù)測均勻滲水時(shí)隧道周圍的孔隙水壓力分布、地層沉降及隧道的沉降、受力和變形等長期性態(tài)。提出了能完整反映注漿層和襯砌滲透系特性影響的參數(shù)RPg，并能依據(jù)RPg進(jìn)行滲水影響預(yù)測。（3）通過數(shù)值模擬揭示了局部滲水時(shí)地層及隧道橫向長期性態(tài)的發(fā)展及注漿層的影響。滲水位置越靠下，滲水引起的地表沉降越小，而隧道沉降、內(nèi)力及變形均越大，單側(cè)滲水還引起隧道的側(cè)移，滲水位置越靠下，隧道側(cè)向位移越大，對隧道結(jié)構(gòu)越不利。（4）揭示了滲透系數(shù)不均勻性對隧道結(jié)構(gòu)性能的影響。滲水時(shí)，地層滲透系數(shù)各向異性對隧道縱向受力和變形越有利，最大豎向和水平變形曲率和彎矩越小，但是，地層滲透系數(shù)各向異性導(dǎo)致隧道橫斷面水平向拉伸和豎向壓縮顯著增大，對隧道結(jié)構(gòu)非常不利。（5）基于隧道結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)，建立了隧道直徑變化和混凝土受力、螺栓受力以及接頭張開量之間的關(guān)系，提出了以隧道直徑變化作為評價(jià)隧道橫向結(jié)構(gòu)性態(tài)的判定指標(biāo)。（6）揭示了隧道橫向變形注漿控制機(jī)理，注漿初期，注漿對隧道的影響以管片轉(zhuǎn)動(dòng)為主，該階段隧道接頭張開量減小顯著，而隧道收斂減小則相對緩慢；隨注漿量的增加，注漿引起的管片運(yùn)動(dòng)以剛體平動(dòng)位移為主，該階段隧道橫向收斂顯著減小，但注漿引起的接頭錯(cuò)臺(tái)量和隧道側(cè)向位移則不斷增加。 2100433B

建造在富水軟土地層中的盾構(gòu)隧道，滲漏水是誘發(fā)隧道長期沉降和變形，進(jìn)而影響其結(jié)構(gòu)安全的關(guān)鍵因素之一。由于軟土盾構(gòu)隧道注漿層和隧道滲漏非均勻性的影響，使隧道周圍地層不同區(qū)域孔隙水壓力發(fā)展規(guī)律、土層變形機(jī)理存在差異，在隧道和土層共同作用下，隧道結(jié)構(gòu)性態(tài)發(fā)展規(guī)律也更加復(fù)雜。目前研究一般將其簡化為隧道和土層均勻滲流條件下的固結(jié)問題，忽略了注漿層和隧道滲漏非均勻性復(fù)雜滲漏條件的影響，不能合理反映隧道結(jié)構(gòu)性態(tài)的發(fā)展。因此，綜合考慮注漿層和隧道滲漏非均勻性的復(fù)雜滲漏條件的影響，以滲漏水對隧道結(jié)構(gòu)安全影響為目標(biāo)，首先通過試驗(yàn)揭示注漿層對盾構(gòu)隧道滲漏水發(fā)展的影響規(guī)律；提出隧道-注漿層-地層耦合條件下隧道滲漏模擬方法，揭示復(fù)雜滲漏條件下隧道變形的發(fā)展規(guī)律；提出隧道結(jié)構(gòu)性態(tài)評價(jià)指標(biāo)，研究隧道變形對隧道結(jié)構(gòu)性態(tài)的影響，揭示隧道結(jié)構(gòu)性態(tài)演化規(guī)律，提出隧道結(jié)構(gòu)性態(tài)控制標(biāo)準(zhǔn)和控制方法。為運(yùn)營盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)安全提供依據(jù)。