碾压混凝土坝服役性态演化规律及融合诊断方法研究结题摘要

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

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。

碾压混凝土坝结构独特、影响因素众多，导致其工作性态演变过程的复杂性，目前突出碾压混凝土坝含有施工层面的结构特点，对其工作性态演变分析方法的系统研究还不够深入。鉴于此，本项目综合应用试验、理论分析、数值模拟成果，充分利用安全监测资料，开展碾压混凝土坝工作性态演变机理和规律研究，提出层面厚度和渗透系数等参数的确定方法，开发综合反映碾压混凝土坝层面影响的有限元结构分析程序，建立渗流、变形等工作性态演变分析模型，揭示渗流、变形等工作性态演变的机理和规律，探究渗流、变形等性态变化趋势的表征方法，以及相应的状态判别方法；在此基础上，研究多效应量融合的碾压混凝土坝工作状态变化综合评判方法，构建碾压混凝土坝工作状态变化的多层次综合分析指标体系，提出不确定性的描述和度量方法，及不确定性因素交叉关系的处理方法，对碾压混凝土坝工作状态变化进行全面评判和监控，为碾压混凝土坝有效维护和正确调度提供科学依据。 2100433B

盾构隧道结构性能随着运营时间不断演化，而渗漏水作为影响隧道长期结构性态演化的重要因素之一，越来越引起人们的重视。隧道所处环境复杂，周围为土体-注浆层-衬砌三重介质，但是，目前研究没有充分考虑隧道周围的介质特点。本项目从室内试验、理论解析和数值模拟等多角度开展复杂渗漏条件下盾构隧道长期受力性能的演化研究。研究成果对评价和维护运营盾构隧道结构安全提供了技术支撑。 具体的研究内容和研究成果如下：（1）注浆体渗透性能试验研究。通过室内实验得到了不同浆液在不同固结压力和龄期下的渗透系数。（2）建立了隧道均匀渗漏条件下考虑注浆层影响的盾构隧道渗流场解析解，可以用于预测均匀渗水时隧道周围的孔隙水压力分布、地层沉降及隧道的沉降、受力和变形等长期性态。提出了能完整反映注浆层和衬砌渗透系特性影响的参数RPg，并能依据RPg进行渗水影响预测。（3）通过数值模拟揭示了局部渗水时地层及隧道横向长期性态的发展及注浆层的影响。渗水位置越靠下，渗水引起的地表沉降越小，而隧道沉降、内力及变形均越大，单侧渗水还引起隧道的侧移，渗水位置越靠下，隧道侧向位移越大，对隧道结构越不利。（4）揭示了渗透系数不均匀性对隧道结构性能的影响。渗水时，地层渗透系数各向异性对隧道纵向受力和变形越有利，最大竖向和水平变形曲率和弯矩越小，但是，地层渗透系数各向异性导致隧道横断面水平向拉伸和竖向压缩显著增大，对隧道结构非常不利。（5）基于隧道结构受力特点，建立了隧道直径变化和混凝土受力、螺栓受力以及接头张开量之间的关系，提出了以隧道直径变化作为评价隧道横向结构性态的判定指标。（6）揭示了隧道横向变形注浆控制机理，注浆初期，注浆对隧道的影响以管片转动为主，该阶段隧道接头张开量减小显著，而隧道收敛减小则相对缓慢；随注浆量的增加，注浆引起的管片运动以刚体平动位移为主，该阶段隧道横向收敛显著减小，但注浆引起的接头错台量和隧道侧向位移则不断增加。 2100433B

建造在富水软土地层中的盾构隧道，渗漏水是诱发隧道长期沉降和变形，进而影响其结构安全的关键因素之一。由于软土盾构隧道注浆层和隧道渗漏非均匀性的影响，使隧道周围地层不同区域孔隙水压力发展规律、土层变形机理存在差异，在隧道和土层共同作用下，隧道结构性态发展规律也更加复杂。目前研究一般将其简化为隧道和土层均匀渗流条件下的固结问题，忽略了注浆层和隧道渗漏非均匀性复杂渗漏条件的影响，不能合理反映隧道结构性态的发展。因此，综合考虑注浆层和隧道渗漏非均匀性的复杂渗漏条件的影响，以渗漏水对隧道结构安全影响为目标，首先通过试验揭示注浆层对盾构隧道渗漏水发展的影响规律；提出隧道-注浆层-地层耦合条件下隧道渗漏模拟方法，揭示复杂渗漏条件下隧道变形的发展规律；提出隧道结构性态评价指标，研究隧道变形对隧道结构性态的影响，揭示隧道结构性态演化规律，提出隧道结构性态控制标准和控制方法。为运营盾构隧道结构安全提供依据。