基于多场耦合的船闸结构时变演化力学特性和仿真模拟研究

China has a large number of Locks that are critical and controlling hydraulic structures in waterway engineering. According to the experience of construction, it is a universal and difficult problem that the concrete is easy to crack. So, the reasons and the measures are need to be found especially with the construction of high-grade channel. However, as present, researchers are so mostly focused on the analysis of physical field coupling that ignore the chemical change process of the concrete such as the hydrothermal reaction in the early stage and chemical erosion in the complex environment in the later stage. So, it can't fundamentally solve the crack problem. Therefore, the research project will bring the chemical field into the analysis of crack problem, and will combine the indoor model experiment and numerical simulation experiment to establish a numerical model to considerate the physical field and chemical field coupling effect according to the lock construction. In addition, the research project will also discuss the solving method of the coupling problem and will essentially explore the mechanism of crack. On the base of the above research, the research project will analyze and study the effect of the crack control methods and control measures by the physical field and chemical field coupling method, and will further put forward the corresponding technology and standards to provide a theoretical basis and scientific guidance to the engineering construction, operation and management in the future.

船闸是水路运输的关键性和控制性水工建筑物，我国拥有数量众多的船闸。多年建设表明，混凝土开裂是实践中遇到的普遍问题和难点问题，随着国家高等级航道建设的展开，此问题亟待解决。然而，目前的研究多集中在对船闸结构物理场及其耦合的分析方面，忽略了混凝土自浇筑起即开始发生剧烈的化学变化，成型后暴露于恶劣的外界环境中，也会产生缓慢化学反应等因素，因此仅从物理力学角度不能从本质上分析和解决问题。本项目引入化学动力学分析，采用室内模型试验与数值仿真试验相结合的方法，建立考虑化学场和物理场相耦合的时变演化模型，并研究其求解方法，对混凝土开裂的内在原因及其机理进行探索，同时对防裂方法和手段进行多场耦合量化分析，进而提出相应的控制标准和控制技术，为今后的工程建设、运行管理提供理论依据和科学指导。

混凝土是工程中运用十分广泛的一种材料，但是混凝土具有“受压不受拉”的特点，其受拉性能通常较弱，十分容易产生裂缝，实际生活中经常可以看到开裂的混凝土。对于大体积混凝土而言，由于温度应力的影响更是容易开裂，有“无坝不裂”之说。而对于船闸而言，它不仅是一种典型的大体积混凝土结构，而且还要受到地表水流力、土压力、地下水渗流力等多种荷载的作用，其受力更加复杂，混凝土开裂更是实践中经常遇到的普遍问题和难点问题，而这对工作在复杂水环境中的水工建筑物来说是应极力避免的。我国河流众多，水运发达，船闸数量庞大。作为水路运输的关键性和控制性水工建筑物，船闸混凝土开裂问题亟待研究和解决。影响混凝土开裂的因素众多，但总的来说，这些因素均可以归结为重力场、温度场、湿度场、化学场等基本场及基本场的相互作用来描述，以使分析得到简化。基于此，本课题在考虑混凝土凝结、硬化等基础上并借鉴和参考相关学科和领域的研究成果，引入了场及多场的概念，采用了多场耦合方法进行综合分析和研究，研究场的作用效应、相互作用过程和演化机理，对裂缝的产生原因，裂缝发生、发展过程，以及裂缝防治措施和方法、控制方法和控制标准进行了一系列的研究，取得了多项研究成果，分析出了船闸混凝土底板开裂原因和发生机理，指出了目前船闸规范的不足，提出了将来船闸设计规范修订的一些建议，同时还有针对性地提出和发明了新的防裂和改善受力新方法并获得国家专利授权，另外也提出了新型的船闸结构型式。本项目研究成果对补充和完善现有研究成果具有重要的学科理论意义和学术意义，同时对将来船闸设计规范的修订和编制也具有重要参考意义。另外，本项目研究成果也可直接指导工程实践，提高目前及今后船闸工程的建设水平。本项目部分研究成果还已直接运用于长沙综合枢纽船闸、土谷塘船闸等工程，并有效防止了混凝土开裂，取得了良好的效果和经济效益。