混凝土坝裂缝性态转异机理及其诊断方法研究

Crack in concrete dam and its impact on structural safety are always the difficult issue and hotspot in the subject of hydraulic structure. However, there is no abnormality criterion of crack behavior from the unified perspective of material and structure at present. Relationships between abnormality of crack behavior and reliability of the crack are not reflected. Thus the corresponding abnormality diagnosis methods of crack behavior in concrete dam are missing. Based on the principles and multi-discipline integration of dam engineering science, fracture mechanics, applied mathematics and so on and through the multi-research-mean consolidation of modern test technology, structural monitoring, large scale tests and so on, the project focuses on abnormality diagnosis of crack behavior in concrete dam. Taking full advantage of the crack monitoring data and taking crack mouth opening displacement as the indicator, the abnormality criterion of crack behavior is constructed, which is able to reflect the subcritical propagation of crack in concrete dam. And the purpose of constructing this criterion is to reveal the abnormality mechanism of crack behavior and perfect the crack diagnosis theoretical system. On this basis, taking reliability of crack as the ligament, the abnormality diagnosis methods of crack behavior in concrete dam are proposed from a posteriori and online diagnosis of safety monitoring respectively. Achievements of this project will provide technical support and scientific basis for safety monitoring of concrete dam and are of great significance in theory and practice.

混凝土坝裂缝及其对结构安全的影响一直是水工结构学科的热点和难点。目前尚无材料和结构相统一的裂缝性态转异准则，无法反映裂缝性态转异与裂缝可靠性之间的关系，也无相应的裂缝性态转异诊断方法。本项目重点针对"混凝土坝裂缝性态转异诊断"主题，依据坝工学、断裂力学、应用数学等学科原理及其多学科交叉，通过现代测试技术、工程监测、大型室内外试验等多手段综合，充分利用混凝土坝裂缝安全监测资料，以裂缝口张开位移为指标，构建反映裂缝亚临界扩展的混凝土坝裂缝性态转异准则，揭示混凝土坝裂缝性态的转异机理，完善混凝土坝裂缝诊断的理论体系；在此基础上，以混凝土坝裂缝可靠性分析为纽带，分别从安全监控事后诊断及在线诊断两方面，建立反映裂缝性态转异机理的混凝土坝裂缝诊断方法。研究成果为混凝土坝安全监控提供科学依据及方法，具有重要理论意义与推广应用价值。

我国水利工程中混凝土坝结构众多，裂缝对混凝土坝安全的危害很大，裂缝已成为影响混凝土坝安全的关键问题之一。混凝土坝裂缝及其对结构安全的影响已成为水工结构学科的热点和难点。本项目针对混凝土坝裂缝性态评估问题进行了系统研究，通过将当前静态固定的裂缝尖端位移基本概念扩展为动态位置可变尖端位移，采用双参数对混凝土裂缝的亚临界扩展过程进行描述，依据虚拟裂缝模型和混凝土裂缝扩展的线性渐进叠加假设，构建了混凝土坝裂缝转异诊断的双裂缝尖端位移判据，根据室内实验和理论推导分析，验证了当前混凝土坝裂缝主要监测项目——裂缝口张开位移作为评估裂缝性态稳定性指标的科学合理性。在此基础上，考虑裂缝粘聚力作用以及外荷载变化特性等因素，借助权函数法，提出了改进峰值荷载法，克服了现有方法对试件几何尺寸和数量的不利限制。在诊断方法方面，基于混凝土坝裂缝参数型统计模型，采用统计学变点理论，构建了混凝土坝裂缝既有性态转异的变点诊断方法。通过分析裂缝性态转异的基本在线诊断特征，建立了混凝土坝裂缝性态转异在线诊断的数学模型，证实了事后诊断方法不适用于裂缝性态转异的在线诊断问题，构建了混凝土坝裂缝性态转异的残差累积和在线诊断方法。将上述研究成果扩展到混凝土坝变形性态分析上，针对混凝土坝安全监控模型中监测数据较少、自变量因子间相关性较强的问题，结合混凝土坝结构性态转异诊断的Bootstrap法和偏最小二乘回归分析方法，建立了混凝土坝小样本安全监控模型，采用正交偏最小二乘回归分析方法对自变量共线性问题进行研究，以增强混凝土坝小样本安全监控模型的分析和解释能力，工程实例分析证实了正交偏最小二乘回归分析方法在混凝土坝小样本安全监控模型应用上的合理性。目前，共发表相关学术论文5篇，其中SCI检索论文2篇、EI检索1篇，联合培养硕士研究生4名。研究成果为混凝土坝安全监控提供科学依据及方法，具有重要理论意义与推广应用价值。