岩体非平衡演化和稳定控制理论及高拱坝长期安全性评价研究

High arch dam project has an intense disturbance to its geological environment with high in-situ stress in the critical unstability state, and foundation creep and damage of rock mass resulting in the process of non-equilibrium evolution has large influence on long-term safety problem of the arch dam. Based on investigation and survey, experiment and numerical examples, the self-organizing collaborative stress characteristics of structure after disturbance and the direction or driving mechanism of non-equilibrium to equilibrium state would be manifested, and then the law of non-equilibrium evolution system is revealed. The characteristics of effective driving force and damage of rock mass would be studied to establish the theory of non-equilibrium evolution and stability control for rock mass engineering structure based on effective driving force. With the viscoplastic model based on the irreversible internal state variable thermodynamics, a mathematical model of non-equilibrium evolution will be derived. A unified FEM analysis system based on data mining and back analysis for strength parameters would be developed and applied in long-term safety analysis of arch dam after verified by geomechanical model test. Arch dam-foundation deformation stability curve would be gained through numerical simulation of the non-equilibrium evolution process. Eventually, the current stability status (i.e. whether it is unstable, necessity to support and how) would be quantitatively determined and the future of the stable evolution would be predicted for early warning. The effective driving force could be used in reinforcement for stability control. All of the above will provid scientific evidence for the long-term safety evaluation of high arch dam system.

高拱坝工程规模巨大，对其赋存的、处于临界稳定状态的高地应力地质环境形成强烈的扰动，在由非平衡向平衡的演化过程中，岩体会产生蠕变大变形和损伤，这对工程的长期安全影响巨大。项目拟结合调研、试验和数值分析，研究岩体结构受扰动后的自组织协同受力特征，以及由非平衡状态向平衡状态演化的方向和驱动机理，揭示岩体结构系统的非平衡演化规律。通过研究岩体结构系统非平衡演化的有效驱动力分布规律和损伤特征，建立基于有效驱动力的岩体结构系统非平衡演化和稳定控制理论。研究基于不可逆内变量热力学的粘弹-粘塑性损伤本构理论，建立非平衡演化、稳定及控制的数学模型。基于岩体工程海量监测数据筛选技术和软弱带强度参数反演理论，建立通用有限元拱坝分析平台，采用地质力学模型试验进行验证，然后应用于高拱坝长期安全性分析。通过模拟得到的拱坝-坝基系统的变形稳定演化曲线，可定量判断当前稳定状况（是否失稳及如何支护），并可对变形稳定的演化趋势进行预测预警，根据有效驱动力定量进行调控，为高拱坝系统的长期安全性评价提供科学依据。

高拱坝工程规模巨大，建基面开挖、坝体施工和蓄水对其赋存的高地应力地质环境形成强烈扰动，在由非平衡向平衡的演化中产生的蠕变大变形和岩体损伤等对工程长期安全影响巨大。项目对岩体结构受扰动后，由非平衡向平衡演化的方向和驱动机理进行了研究，揭示了系统的非平衡演化规律，建立了基于有效驱动力的岩体结构系统非平衡演化和稳定控制理论。基于不可逆内变量热力学的粘弹-粘塑性损伤本构理论，建立了非平衡演化、稳定及控制的数学模型。采用并行计算在岩体结构静动稳定仿真分析平台TFINE上实现。并成功应用于已建成运行的锦屏一级拱坝、溪洛渡拱坝、拉西瓦拱坝等，正在设计施工中的白鹤滩拱坝等，以及典型岩质高边坡工程中。.岩体结构工程为复杂的多自由度结构系统，稳定安全的核心是受扰动后的非平衡演化规律。项目研究成果揭示了岩体结构非平衡演化的驱动机制，为岩体结构稳定判别和控制指明了方向，为后面的岩体结构工程的长期安全性评价奠定了基础。基于此建立的岩体结构稳定控制理论及仿真分析平台，已经成功进行了工程应用，对于保障重大工程安全起到了重要的作用，具有广阔的应用前景。.项目研究成果共发表期刊论文20篇，其中SCI收录11篇（另有4篇SCI源刊投稿论文，其中3篇已经在线发表，1篇已经返回修改意见）。获授权专利4项，申请专利2项（实质性审查阶段）。培养研究生11名，负责人获IACMAG国际学会“杰出贡献奖”（2017年）。