《多場耦合下高混凝土壩水力劈裂機理及數值模擬》是依託河海大學，由沈振中擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：多場耦合下高混凝土壩水力劈裂機理及數值模擬
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：沈振中
- 依託單位：河海大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
高混凝土壩等水工混凝土結構在澆築成形過程中普遍存在的微細裂紋和缺陷常可引起新裂紋甚至巨觀裂縫。針對高混凝土壩的結構特點，利用地下水溫度環境耦合模擬試驗系統建立滲流-應力-溫度等多場耦合的試驗模型，進行多場耦合條件下水工混凝土結構裂縫萌生、發展的室內模擬試驗，研究並揭示水力劈裂的機理。結合斷裂力學、損傷力學理論和雙K斷裂模型，採用無單元法與有限元法耦合分析技術，分析研究水工混凝土結構在滲流和溫度作用下裂縫從萌生、發展到失穩的過程，揭示裂縫擴展的變化規律以及水力劈裂的形成和擴展機理，建立溫度-滲流-應力耦合條件下水工混凝土結構水力劈裂的數值分析模型，以預測裂紋的萌生位置和擴展長度，實現水工混凝土結構水力劈裂全過程的仿真模擬。高混凝土壩易出現裂縫並進一步擴展危及結構安全，尤其是壩踵等部位，故該成果可廣泛套用於水工混凝土結構的計算分析和安全評價，不僅具有理論意義，而且具有重要的套用價值。
結題摘要
隨著築壩技術的快速發展，大批水利水電工程的不斷建成並投入運行，一批200m~300m級的高混凝土壩被興建及投入運行，高混凝土壩在澆築成形過程中普遍存在的微細裂紋和缺陷常可引起新裂紋甚至巨觀裂縫。高混凝土壩在高壓水流和庫水溫度變化情況下運行，壩身存在的損傷裂縫在深水壓力作用和低溫水作用下有可能進一步擴展，從而可能破壞壩體的整體性，甚至成為滲漏通道，進而影響結構的安全性、實用性和耐久性。本項目通過室內試驗、理論分析和數值模擬等方法，開展混凝土結構水力劈裂試驗及數值模擬研究： （1）研製了混凝土試件水力劈裂試驗高壓水密封裝置、縫內水壓量測採集模組及應變採集模組等，完成了無拉壓應力條件以及壓應力條件下的混凝土結構單裂縫水力劈裂試驗，研究了混凝土結構水力劈裂機理，提出了臨界劈裂水壓與軸壓和材料抗拉強度之間的定量關係，揭示了裂縫內水流的雙重力學效應。 （2）基於斷裂力學和試驗研究，提出了水壓作用下的混凝土結構裂縫尖端應力強度因子計算表達式，導出了拉剪及壓剪應力狀態下的混凝土結構水力劈裂裂縫開裂判據準則。 （3）研究了混凝土結構水力劈裂縫內水壓分布規律，提出了可以考慮縫內非飽和滲流的縫內流體流動模型及縫內水壓力差分疊代計算方法；考慮裂縫擴展過程中縫內水流與結構的耦合作用，提出了滲透係數與應力的耦合關係式；建立了基於無單元法的混凝土結構水力劈裂數值分析模型，並研製了相應計算程式。 （4）對比分析無單元法和有限元法各自的優缺點，闡述了無單元法和有限元法耦合的基本理論，採用耦合算法處理相關問題，施加了本質邊界條件並提高了計算效率，編制了耦合程式並模擬了某重力壩裂紋擴展的過程，通過與模型試驗結果的對比表明該方法的正確性與精確性。 （5）提出將溫度應力作為節點荷載力作用於混凝土結構裂縫的分析方法，建立了無單元法分析溫度裂縫的分析模型，研究了溫度場的變化對應力強度因子的影響。 （6）套用提出的裂縫擴展判據和混凝土結構水力劈裂數值分析模型，研究了高混凝土重力壩水力劈裂裂縫擴展過程，揭示了不同裂縫位置、不同裂縫深度等因素對高混凝土重力壩水力劈裂裂縫穩定性的影響規律。
