考虑材料劣化空间变异性的混凝土坝结构性能退化正反分析方法

The current structural performance is an important basis for evaluating the safety of concrete dam in service, and the deterioration of material property under environmental erosion is a main reason for the degradation of structural performance. Therefore, it is of great significance to study the degradation characteristics from the perspective of structural performance, especially considering the influence of the spatial variability of deterioration degree of aged concrete dam's material property. Making full use of test, numerical simulation and in-situ monitoring, degradation characteristics of concrete dam structural performance will be revealed by the analysis and back analysis methods in this project. The spatio-temporal evolution law of erosion factors of freeze-thaw cycles and leakage dissolution will be analyzed, and a spatial variability model will be proposed to characterize the uneven deteriorated dam material property. On this basis, environmental damage model of concrete dam will be established, and the spatial variability considered-numerical simulation method for concrete dam structure performance degradation under the coupling action of loads, freeze-thaw cycles and leakage dissolution will be proposed. Furthermore, to identify, monitor and diagnose the performance degradation behavior of concrete dam, back analysis will be conducted by proposing two kinds of mathematical model based on the in-situ monitoring information. Through this project, some new technical support and scientific basis will be provided for the long-term service state diagnosis of existing concrete dams.

在役混凝土坝现状结构性能是评估大坝安全性的主要依据之一，而环境侵蚀作用下材料劣化是混凝土坝结构性能退化的重要原因。因此，系统开展材料劣化作用下混凝土坝结构性能退化的分析研究具有十分重要的意义。鉴于混凝土坝结构性能退化机制的复杂性和现阶段混凝土坝材料劣化空间变异性方面研究的不足，本项目充分利用物理试验、数值仿真和原位监测，研究冻融-渗透溶蚀作用下侵蚀影响因素的时空演变规律，构建混凝土坝材料劣化空间变异性的表征模型；建立冻融-渗透溶蚀作用下混凝土坝的环境损伤时变模型，提出考虑材料劣化空间变异性的混凝土坝结构性能退化正分析方法；基于原位时空监测信息，研究并建立旨在辨识、监控和诊断混凝土坝结构性能退化行为的反分析模型，进而从正反分析两个角度揭示材料劣化作用下混凝土坝结构性能的退化特征，为长期服役混凝土坝结构性态诊断提供技术支撑和科学依据。

随着我国老坝、病坝数目的增多，科学合理地反演和感知大坝现状结构性态具有重要实际意义。变形是评价大坝结构性态转异和长效服役健康状况的重要指标，为揭示材料劣化作用下混凝土坝结构性能的退化特征，本项目以大坝变形为聚集点，主要从渗透溶蚀作用下混凝土坝材料性能劣化的空间变异性、考虑材料劣化空间变异性的混凝土坝结构性能退化正分析方法和基于原位时空监测信息的混凝土坝结构性能退化反分析模型三个方面开展了研究工作。通过加速试验研究了混凝土的抗溶蚀性能，建立了溶蚀作用下基于固相钙溶蚀程度表征的混凝土抗压强度和浇筑层面劈裂抗拉强度的预测模型，提出了混凝土坝渗透溶蚀的数值模拟方法，初步揭示了混凝土坝渗透溶蚀劣化的时空分布规律；在此基础上，构建了考虑环境损伤的非线性时变本构模型，提出了粘弹性人工边界的二次开发实现方法，从长期变形和抗震性能两个方面探索了混凝土坝结构性能退化的特征。为实现对高混凝土坝时效变形的量化分析，组建了非线性时变本构模型，提出了基于Drucker-Prager屈服函数的坝基岩体蠕变分段准则，并基于MSC.Marc软件研究了二次开发程序实现方法，以锦屏一级拱坝历年1880 m高水位稳定期监测发现的坝体向下游侧位移持续增大的异常变形性态为例，揭示了高混凝土坝的粘弹性滞后变形机理。基于变形监测量和小波多分辨分析技术，利用相同频率特性下坝体位移小波分量和环境量小波分量两者之间关联性的变化，提出了混凝土坝结构性能变化引起的变形时变效应的辨识方法；基于时间序列形状相似度理论，提出了混凝土坝温度场空间聚类方法和变形空间关联性的量化表征方法，建立了多尺度协整监控模型、融合因果因子和邻近点变形因子的组合预测模型、多测点空间整体监控模型、以及最小MSE和最大关联性双目标约束下的概率性预测模型等多种面向变形空间关联性的数学模型。项目研究成果对混凝土坝结构性能退化机制与安全监控理论的发展和完善具有一定的贡献，对确保混凝土坝的长效服役安全性具有重要意义。