灾变条件下特高混凝土坝失效破坏的关键力学问题

本项目研究内容为：(1) 非均质脆性材料的损伤破坏机制，包括全级配水工混凝土材料静、动力特性和本构关系，地震作用下混凝土裂纹的萌生扩展机制，岩体和软弱结构面破坏特性。(2) 特高混凝土坝多场耦合模型与多尺度分析方法，包括应力场与温度场、应力场与渗流场的耦合作用机制，特高混凝土坝温度场、渗流场与应力场耦合的模型和分析方法，大尺度水工混凝土结构多尺度分析理论与方法。(3) 灾变条件下高混凝土坝失效破坏机制、分析方法与破坏判据，包括特高混凝土坝发生整体失效的灾变条件，裂纹对特高混凝土坝工作性态和安全性的影响，特高混凝土坝灾变破坏的全过程和破坏机制，破坏判据与安全控制标准。.通过研究，揭示温度场、渗流场和应力场耦合作用下特高混凝土坝裂纹萌生与扩展机理，极端条件下特高混凝土坝整体失效破坏的过程与动力学机制，建立三维大尺度水工混凝土结构破坏分析的理论和方法，为特高混凝土坝的建设和安全评价提供科学依据。

随着国民经济发展对绿色能源需求的急剧增大，我国正在西部地区大江大河上修建不少300米级的特高混凝土坝。由于坝址地区地形地质条件复杂、环境恶劣、地震烈度高，为了保证高坝在众多风险源作用下的建设和运行安全，需要对灾变条件下高混凝土坝失效破坏的关键力学问题进行深入研究。.本项目的研究内容为：(1) 非均质脆性材料的损伤破坏机制，包括非均质全级配水工混凝土材料静、动力特性和本构关系，地震动作用下混凝土裂纹的萌生扩展机制，岩体和软弱结构面的破坏特性。(2) 特高混凝土坝多场耦合模型与多尺度分析方法，包括应力场与温度场、应力场与渗流场的耦合作用机制，特高混凝土坝温度场、渗流场与应力场耦合的模型和分析方法，大尺度水工混凝土结构的多尺度分析理论与方法。(3) 灾变条件下高混凝土坝失效破坏机制、分析方法与破坏判据，包括裂纹对特高混凝土坝工作性态和安全性的影响，特高混凝土坝灾变破坏的全过程，破坏机制和破坏判据。.通过高混凝土坝在灾变条件下从局部损伤到整体失效过程中四个关键力学问题的研究，取得的重要成果主要有：(1) 在高混凝土坝局部损伤开裂方面，揭示了含初始缺陷混凝土静动态力学性能的变化规律, 建立了相应的损伤本构模型和破坏准则；发展了静动力荷载作用下、考虑非均匀性的混凝土开裂分析的扩展有限元方法；提出满足防渗要求的混凝土坝开裂判据，这是一种全新的基于结构性能的混凝土开裂判据。 (2) 在高混凝土坝整体失效破坏方面，建立了完整的PD算法体系，实现了高混凝土坝渐进破坏全过程的PD模拟；发展了基于比例边界有限元的大坝地震响应分析方法；提出结构整体破坏的能量判据。(3) 解决了高混凝土坝从局部损伤到整体破坏分析中的若干关键力学问题，包括构建了多尺度PD本构模型，实现了考虑渗流-应力耦合的水力劈裂过程数值模拟，揭示了热力耦合分析中开裂对混凝土导热系数的影响规律。.研究成果为高混凝土坝动力灾变破坏模拟和安全评价提供理论依据与分析手段。