混凝土坝裂缝演变规律及转异诊断非线性理论与方法

许多混凝土坝存在影响其安全的裂缝,目前常采用断裂力学理论分析裂缝的扩展特性，而该理论中断裂参数存在明显的尺寸效应，难以反映裂缝扩展过程中的非线性。本项目通过理论和试验研究，结合具体工程进行数值模拟分析，研究了带缝混凝土坝系统的动态耗散结构特征，从熵变和能量转化等方面揭示了裂缝扩展演变过程中的耗散结构形成机理；根据裂缝表面分形性和裂缝扩展过程实际能量释放率的分形特征，建立了基于分形几何的裂缝扩展演变分析模型；探讨了裂缝发展演化过程中的熵变机理及信息熵的计算方法，提出了应力应变监测数据的熵值转化方法，结合具体实验及工程算例进行数值模拟，研究了带缝混凝土重力坝在加载过程中的熵变规律；在利用相空间重构技术重构裂缝时效变形相平面的基础上，提出了裂缝时效转异点的相平面识别法；应用信息论中的最大熵原理，根据各基本随机变量的数字特征值确定其概率密度函数，建立了基于最大熵原理的裂缝转异诊断判据。在国内外重要学术期刊和会议上发表论文近50篇，其中17篇SCI收录、30篇EI收录。 2100433B

国内外大量的混凝土坝都不同程度带缝服役，包括龙羊峡、陈村等高混凝土坝,目前采用较普遍的分析理论为断裂力学理论，而该理论中断裂参数存在明显的尺寸效应，难以反映裂缝扩展过程中的非线性。混凝土坝裂缝的实测数据中包含了裂缝扩展及失稳的大量非线性信息，而熵、混沌和分形等非线性理论在对数据进行分解、重构、提取与解释等方面具有较强的功能，可弥补断裂力学理论的不足。然而，目前非线性理论用于混凝土坝裂缝的研究存在着理论定位低、机械应用与理论研究相脱节、物理模型实验缺乏等突出问题。针对这一现状，本课题将利用实测数据，结合数值模拟和物理模型实验，融合断裂力学基本概念和非线性理论，研究裂缝发展演变过程的耗散结构特征，构建基于分形几何裂缝扩展演变分析方法，建立混凝土坝裂缝扩展演变的熵变理论与方法体系，并探索基于非线性理论的裂缝失稳转异诊断方法。拟在国内外重要期刊上发表论文8-10篇[SCI、EI收录4篇]。

碾压混凝土坝施工层面是坝体性态劣化的主要部位，申请人前期研究表明，层面状态是评判大坝安全性态的重要依据，目前有关碾压混凝土坝服役性态演化与诊断的系统研究相对较少。申请人拟采用理论分析、数值仿真、模型试验与原位观测相结合的研究方法，研究碾压层内主要物理参数的渐变规律及层面与本体变形协调力学特性，建立诠释坝体层面与本体力学性态的仿真分析模型，揭示在役碾压混凝土坝力学行为与其依存诸因素间的内在关联；更进一步，通过对坝体两场耦合作用机理分析，研究并提出基于参数渐变与劣化损伤的坝体流固耦合分析模型和关键参数的确定方法，以期揭示碾压混凝土坝服役性态演化规律；综合利用现役大坝的多维时空信息，完善构建碾压混凝土坝工作性态的融合评价指标体系，探究大坝多源信息中指标约简、融合权重与梯阶逐层集成技术，提出融合多源时空信息的碾压混凝土坝服役性态综合诊断方法，从而为服役期碾压混凝土坝的性态诊断、管理决策奠定基础。

碾压混凝土坝施工层面是坝体性态劣化的主要部位，其服役期受静动力荷载与不确定环境因素协同作用，层间材料性能演化是加剧大坝局部结构和整体性态衰减的重要因素，是一种导致大坝安全裕度降低的时变不可逆过程，如何利用大坝多源时空监测信息把控结构服役性能演化态势安全与否，是坝工领域亟需解决的科学技术问题。 本项目以运行期碾压混凝土坝为研究对象，通过理论分析、数值仿真、模型试验与原位观测相结合的研究方法，从其坝体结构宏观力学行为角度，在考量碾压混凝土坝服役性态演化程度的基础上，融合多源时空信息对其运行性态实施了综合诊断。其主要研究成果：（1）在分析大坝碾压层物理参数渐变特性的基础上，构造了表征层内本体和层面影响带力学参数的连续分布规律函数及其流变协调关系，建立了碾压混凝土坝切法向并层等效力学行为仿真分析模型，提出了基于GA-APSO混合罚模型的大坝结构力学参数优化反演方法；（2）通过对坝体渗流场和应力场耦合机理分析，建立了考虑层内参数渐变的碾压混凝土坝流固耦合分析模型及参数确定方法，并编制了相应计算程序，为分析运行期混凝土坝力学性能演化规律提供了新途径；（3）构建了碾压混凝土坝服役性态安全综合诊断体系，就其关键监测指标（变形、渗流等）时间序列，从层面渗流滞后与时变特性、序列残差效应等多个视角，分别建立了考虑滞后与时变双重效应的碾压混凝土坝渗流监控模型，顾及大坝位移残差序列混沌效应的GA-BP预测模型和蛙跳式组合监测模型等，并给出了具体定性和定量指标的隶属度及赋权方法，提出了基于信息融合的碾压混凝土坝工作性态融合诊断模型，发展了融合多源时空信息的碾压混凝土坝服役性态综合判诊方法，其相关研究成果为部分碾压混凝土坝安全监控给予了技术咨询，亦为相关水工结构运行性态评判提供理论与技术支撑。 在该项目资助下，发表学术论文25篇，其中SCI论文3篇【JCR一区2篇、二区1篇】，EI收录8篇，培养硕士研究生8名，项目达到了预期研究目标。 2100433B

转炉钢渣微粉化是钢渣资源化大宗量利用的有效途径之一，然而制约钢渣微粉化的主要问题是其易磨性差。本项目申请依据于项目组前期的工作积累和发现，分析了问题存在的根本原因，提出通过促进转炉钢渣相演变和自粉化以解决此难题的新思路，研究包括转炉钢渣中硅酸二钙相（C2S）的优势析出；C2S析出相由β向γ相的演变和C2S相演变与转炉钢渣自粉化关系三个方面。研究集中在析出和演变的机理以及其实现条件等基础科学问题，运用经典的冶金、材料科学理论，结合SEM, XRD, EBSD等现代分析测试技术，来解决研究过程中遇到的科学难题。项目的目标是降低转炉钢渣粉磨耗能，改善其易磨性，为实现转炉钢渣的高效循环利用提供科学依据和相应的参数。