基于改进IDA的混凝土坝地震易损性研究

针对目前混凝土坝易损性分析研究中震害等级划分多采用单一指标以及增量动力分析法(IDA)中选取步长增量时未考虑结构响应等问题,本文提出基于改进IDA的混凝土坝易损性分析方法:首先采用功效系数法以位移、应力、损伤区域为指标对坝体结构破坏进行综合评价,并应用变权模型考虑指标数值对指标权重的影响;然后通过计算得到的坝体综合破坏指数,根据坝体震害等级划分采用变增量步长法改进IDA法,从而可以更加全面地计算分析坝体在不同强度地震作用下从弹性状态到完全破坏的结构响应过程;最后,以某混凝土坝挡水坝段为例,建立有限元模型计算结构地震响应,应用改进IDA法绘制其地震易损性曲线.结果表明,该方法可以分析坝体结构在不同地震强度作用下产生各个等级破坏的概率,进而为混凝土坝结构抗震安全设计等提供理论依据.     

吴家沟赤泥尾矿库初期坝稳定性分析

吴家沟尾矿库初期坝包括下部天然岩土体初期坝和上部土石混填初期坝两部分。在分析初期坝基本特征的基础上,把初期坝视作重力式档土墙结构,采用极限平衡法计算堆积坝对初期坝的静止土压力和主动土压力,应用抗剪强度公式分析上部初期坝与基岩之间坝基面的抗滑稳定性,得到无水和有水工况下静止土压力和主动土压力作用下坝基面抗滑稳定安全系数,其安全系数值明显大于规范规定的安全系数。采用ABAQUS有限元软件对初期坝应力特征进行分析,初期坝(包括天然坝体和堆石坝体)的最大剪应力及最大竖向应力分别小于坝体的抗剪强度和抗压强度,初期坝是稳定的。     

考虑心墙不同破坏模式的黏土心墙坝漫顶溃坝过程数学模型

基于黏土心墙坝的漫顶溃决机理,提出一个模拟其溃决过程的数学模型.该模型基于坝体形状和漫顶水流特征确定下游坡冲蚀时的初始冲坑位置,采用宽顶堰流量公式计算溃口流量,并利用溯源冲刷公式模拟坝壳料的冲蚀;通过力矩平衡法与力学平衡法分别模拟了心墙的倾倒破坏与剪切破坏;为了模拟实际溃坝情况,模型考虑了坝体的单侧冲蚀、两侧冲蚀及坝基的冲蚀;采用按时间步长迭代的数值计算方法模拟溃坝时的水土耦合过程.选择国内外10个具有实测资料的心墙坝漫顶溃坝案例对模型进行验证,通过比对峰值流量、溃口最终宽度及溃坝历时等参数发现,模型计算结果与实测值的相对误差可满足工程需求,验证了模型的合理性.     

复杂条件下特高土石坝建设与长期安全保障关键技术研究进展

我国是世界上200 m以上特高土石坝数量最多的国家,复杂建坝条件和运行环境给这些高坝大库的建设和长期安全保障带来了严峻挑战.本文介绍了近年来我国在复杂条件下特高土石坝建设与长期安全保障关键技术等领域的主要研究进展:揭示了筑坝粗颗粒土石料力学特性的尺度效应、细观及劣化机理,建立了可考虑加载与流变耦合效应的堆石体流变计算模型;基于计算接触力学方法提出了高土石坝复杂接触系统数值模拟方法,并运用于面板坝面板损伤和心墙坝坝内廊道破损机理研究;研发了变形与渗流耦合的试验装置,进行了防渗土料渗透特性、坝体和坝基防渗系统服役性能试验;基于当量密度法提出了覆盖层密度的旁压试验方法,并进行了相关现场试验;研究提出了300 m级特高面板坝复式结构、坝体增模技术及面板设计方法;依托大石峡工程提出了特高面板砂砾石坝的安全评价和控制标准.上述研究成果已为如美心墙堆石坝、大石峡面板砂砾石坝等特高土石坝工程设计和优化等提供了重要的科技支撑.     

基于MSC.Marc的高混凝土坝非线性时效变形量化的程序实现

变形是混凝土坝结构性态的综合反映,尤其是时效变形,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.针对坝体混凝土徐变和坝基岩体蠕变等材料固有时效变形特征所引起的混凝土坝时效变形,组建了适合高混凝土坝变形的坝体、坝基非线性时变本构模型,并研究了三维应力状态下的时效变形方程,提出了基于Drucker-Prager屈服函数的坝基岩体蠕变分段准则;在此基础上,基于通用商业有限元软件MSC.Marc,研究了本文所建非线性时变本构模型的二次开发程序实现方法,进而实现对高混凝土坝固有时效变形的量化分析.通过算例验证了基于MSC.Marc进行二次开发的可行性和正确性,某高混凝土重力坝固有时效变形的正反分析结果表明了所建模型的工程实用性.     

胶凝面板堆石坝优化设计

采用非线性数学规划法对胶凝面板堆石坝进行断面优化设计，建立了以大坝的关键几何尺寸为设计变量，以造价为目标函数，以坝体稳定、应力、应力水平及几何尺寸为约束条件的优化设计数学模型，并采用罚函数法求解此优化模型。与原设计方案比较，优化设计方案的堆石方量少、造价低。与普通面板堆石坝相比，胶凝面板堆石坝的优化方案坝坡可以更陡，堆石方量更少、造价更低，且满足应力、稳定的约束条件，得到的断面安全可靠、经济合理。     

基于首次超越概率理论的混凝土坝时变风险率研究

随着我国大坝安全管理工作逐渐由传统的工程安全管理向工程风险管理方向发展,在役大坝风险水平成为了越来越重要的研究课题.混凝土坝实际运行过程中受到众多随机不确定因素和模糊因素影响,导致大坝自身风险率具有显著的时变特性,本文尝试引入二元高斯算法采用并联体系方法计算混凝土坝系统时变风险率,将时变风险率分析问题转化为静态并联体系失效概率计算问题,通过在广义随机空间内采用JC法计算固定时刻混凝土坝风险率,并基于首次超越概率理论转化为混凝土坝时变风险率.最后,在工程算例分析中以某混凝土重力坝沿坝基抗滑失效为例,通过引入合理的抗力和荷载效应随机过程变量模型,采用该算法对混凝土重力坝抗滑稳定时变风险率进行了分析,验证了该模型的有效性,具有一定的理论和工程应用价值.     

邓肯E-ν模型与E-B模型的比较

为探讨邓肯E-ν模型和E-B模型的差异，首先利用糯扎渡堆石料的两种模型参数计算各自模型所反映的泊松比，并进行了比较分析；然后对两种模型自身理论公式所反映的泊松比的差异进行分析；最后，以261．5m高的糯扎渡心墙坝为例，进行了有限元计算，研究两种模型计算得到的坝体内不同位置处的应力水平、弹性模量和泊松比的差异，进一步认识了两种模型的差异。     

堰塞坝漫顶溃决机理与溃坝过程模拟

堰塞坝作为自然作用的产物,由于其自身特点,极易发生漫顶溃决.基于小比尺堰塞坝溃决模型试验与唐家山泄流现场实测资料揭示的堰塞坝漫顶溃决机理,建立了一个堰塞坝漫顶溃坝过程数学模型.模型基于堰塞坝的几何特征和坝料物理力学特性,统一分析坝顶与下游坡溃口的发展,并充分考虑堰塞体沿河流运动方向的形态变化;模型可考虑坝体的单侧与两侧冲蚀、不完全溃坝与坝基冲蚀等溃坝模式.选择唐家山堰塞坝泄流案例对模型的合理性进行验证,通比对峰值流量、溃口最终宽度、峰值流量到达时间等参数发现,模型计算结果与实测值的相对误差在10%以内;另外,计算获取的溃口流量过程和库水位变化过程与实测值基本吻合,验证了模型的合理性;参数敏感性分析结果显示,残余坝高、冲蚀系数等参数对溃坝过程具有重要影响,单侧或两侧冲蚀对溃坝过程影响较小.     

不同粘性均质土坝漫顶溃决实体试验研究

针对我国现有土石坝粘粒含量范围, 开展了国内外最高均质粘土坝漫顶溃决实体试验. 揭示了粘土均质坝“陡坎式”后退、坝顶“双螺旋流”淘刷与溃口边坡失稳坍塌的溃决机理. 并提出坝体材料的粘性(C值)对坝体溃决方式的具体影响机制. C值较大时, 坝体溃决过程缓慢, 溃口峰值流量较小, 最终溃口宽度、深度较小, 溃决过程以“多级陡坎”和“倾倒坍塌”为主要特征; C值较小时, 坝体溃决过程较快, 溃口峰值流量较大, 最终溃口宽度、深度较大, 溃决过程以“单级大陡坎”和“剪切坍塌”为主要特征.     

三峡工程泥沙问题解决途径与运行效果研究

泥沙问题是三峡工程的关键技术问题之一,在三峡工程论证、设计、建设和运行的各个阶段,针对重大的工程泥沙问题进行了系统和持续的研究,提出了相应的解决方案.本文对三峡工程采用的减缓水库泥沙淤积与保持长期有效库容的运用方式、水库变动回水区港口与航道泥沙问题治理措施、枢纽引航道与电站引水防沙布置方案、坝下游河道长距离冲刷预测、河势变化及对航道影响的对策等进行了分析总结.2003年三峡水库蓄水运用以来水库淤积和坝下游河道冲刷情况分析表明:水库泥沙主要淤积在死库容,有效库容损失较少,库区航运条件得到大幅改善;坝下游河道发生长距离冲刷,冲刷强度不断向下游发展,河势总体基本稳定;长江中下游航道经过治理,航道维护水深有了较大提高.三峡工程泥沙问题的解决方案已得到初步检验,泥沙问题及其影响基本未超出论证与初步设计的预测.本文还对今后一段时期需要进一步研究的泥沙问题提出了建议,包括水库优化调度、坝下游河道冲刷、江湖关系变化和长江口演变等.     

碾压混凝土坝力学参数的反分析

针对碾压混凝土坝力学参数的多样性和复杂性，利用碾压混凝土坝力学参数和坝体位移间复杂的非线性关系，将均匀设计法、偏最小二乘回归（PLS）和最小二乘支持向量机（LSSVM）灵活地应用于碾压混凝土坝力学参数的反分析中．首先利用均匀设计法设计出碾压混凝土坝力学参数的样本，再利用MSC．Marc软件，建立碾压混凝土坝横观各向同性模型，然后，通过建立的碾压混凝土坝横观各向同性模型得到LSSVM模型的训练样本，进一步建立坝体位移水压分量相对值和力学参数间复杂的非线性关系，最后利用PLS法分离出实测坝体位移的水压分量相对值，并将其输入到训练好的LSSVM模型中，即可得到碾压混凝土坝力学参数的反分析值．实例分析表明，通过上述反分析方法得到的力学参数是合理的，该反分析方法是可行的     

考虑尺度效应的微平板声振耦合特性研究

长宽厚均处于微米级的微平板结构广泛存在于微机电系统(MEMS)中,开展其声振耦合特性研究对于MEMS在声激励下的稳定性研究以及微型声传感器的性能研究具有重要意义.针对声压激励下的四边简支微平板结构,基于Cosserat理论与Hamilton变分原理建立了考虑尺度效应的结构声振耦合理论模型,并结合流固耦合条件求解了声振耦合系统控制方程.基于理论模型开展数值计算,系统研究了尺度效应对微平板结构声振耦合性能的影响,具体讨论了不同尺度效应下板厚度、板长宽等关键系统参数对微平板声振耦合特性的影响,为MEMS中微平板结构的工程优化设计提供了理论参考.     

高混凝土坝气幕隔震控制的模拟分析理论与试验验证

针对高坝动力灾变过程控制这一核心科学问题,首次提出高坝气幕隔震控制的液-气-固三相耦合建模理论和数值实现方法,给出三相强耦合-热力学状态-材料-接触/非接触双重非线性的复杂动力学问题的理论描述和气幕隔震高坝工程的动力灾变关键效应的全过程数值模拟;给出刚性坝-平面波简化情况的解析解.完成了高305m锦屏拱坝的地震灾变过程控制与非控制的对比模拟,结果与振动台实验相互印证,基本相符.提出整体式气室和变厚度优化气幕,发展了高坝控制优化方法.首次完成大型振动台拱坝隔震的模型实验并满足基本动力相似准则,实验数据合理可信,并与模型坝的动力模拟结果基本符合,为模拟理论方法提供了实验验证.数值模型与物理模型相结合的试验表明,动水压力削减可达70%以上,坝体第一/第三主应力峰值降低20%～30%以上,有效地提高了高坝工程的整体抗震能力,表明气幕减震是高混凝土坝防震控制的优先发展方向.     

三门峡水库水沙调度过程的数值模拟研究

针对大部分水库调度模型中水沙输移计算大幅简化且与库水位计算过程间只有单向耦合的问题,本研究构建了基于激波捕捉式有限体积法与河网算法的库区水沙调度模型.该模型采用河段连接单元内水沙质量与动量守恒方程的准二维求解算法,河网算法可以反映干支流交汇角的影响,并且使用OpenMP技术实现了并行求解.该模型的水库调度模块将调度方案表示为5个触发条件和4个调度指令参数构成的调度规则表,由水沙动力学模型向调度模块提供入库监测断面的水沙条件与实时更新的水位库容关系,水库调度模块为水沙动力学模型提供库区下游边界条件,从而实现两者双向耦合.采用2020年三门峡库区实测水沙数据进行了模型验证,库区三个河段的水位、流量和含沙量计算结果与实测值相符,在坝前水位最快下降速度达到2.3 m/h的敞泄排沙时段,数值计算过程稳定且成功预测了出库沙峰.针对近年黄河来沙量减少而潼关高程下降趋势并不稳定的问题,应用模型开展了三门峡水库水沙调度过程的数值模拟研究,通过对不同的汛期和非汛期调度方案的模拟分析,初步确定了坝前控制水位对于年内库区冲淤量和潼关高程影响显著的时期,研究结果可以为三门峡水库调度方案进一步优化提供思路.     

功能驱动的超材料结构数字化设计与3D打印

本文提出了一种以功能驱动的超材料结构数字化设计新方法,以实现电磁波传播方向90°偏折的伊顿(Eaton)透镜为典型应用目标,研究了其介电常数理论分布模型的数字化离散方法,获得了三维90°伊顿透镜介电常数离散化分布工程模型;通过理论计算建立起超材料单胞结构几何参数(木堆单胞结构柱宽ω与单胞尺寸a)与其等效介电常数之间的映射关系,从而实现三维90°伊顿透镜的工程模型向结构模型的转化;以光固化树脂(介电常数为3)、混合液体介质(介电常数从2.2到40)为原材料,采用光固化3D打印工艺,实现了液固耦合的三维90°伊顿透镜宏/微结构一体化制造;通过仿真和实验测试表明,所实现的三维伊顿透镜能够调控入射电磁波的传播方向,实现入射电磁波的90°偏折,且在12～18 GHz频段范围内具有宽频特性.本文所提出的数字化设计方法与3D打印工艺相结合,为实现面向电磁波传播调控的新型电磁波器件提供了一种途径.     

基于POF-OTDR的混凝土坝裂缝定量监测及POF布设研究

塑料光纤由于弥补了石英光纤易发生断裂的不足,且具有大纤径、良好韧性、高可塑性、低成本等优良特性,在结构健康监测领域具有广阔的应用前景.为了利用塑料光纤实现对混凝土坝裂缝的定位、定宽和定向监测,本文结合理论分析和模型试验研究了基于塑料光纤-光时域反射技术(POF-OTDR)的裂缝定量监测方法.首先通过大量试验建立了裂缝的定量监测模型,在分析裂缝监测的可能构型的基础上提出了双支塑料光纤的裂缝定量监测方法,并通过试验加以验证,然后以此为基础提出了塑料光纤混凝土坝裂缝监测基本网络构型.最后,以某混凝土拱坝为例结合数值计算研究了塑料光纤裂缝监测网络布设.     

基于社会网络分析法的城镇基础设施健康评价研究——以重庆万州城区电力基础设施为例

为提高城镇电力、交通或给排水等工程型基础设施的规划设计与健康评价能力,减小因其故障而可能导致的城镇全局性破坏风险,以重庆万州电力基础设施为例,采用社会网络分析(SNA)原理和方法,分别建构了电力基础设施现状和规划网络,提出了由网络完备度等指标构成的网络健康评价体系,运用网络密度等计算模型进行了网络拓扑结构和运行状态的健康评价.实证研究显示,社会网络分析方法能够对网络拓扑结构与网络运行稳定性进行客观评价.     

阶梯溢流坝水流数值模拟及特性分析

针对Mixture模型,考察了Realizable k-ε模型,SSTk-ω模型,v2-f模型,LES模型等4种湍流模型对阶梯溢流坝水流数值模拟的适用性.通过对非掺气区域坝面平均流速、旋度大小、边界层厚度的计算,并与实验结果进行分析比较,结果表明：Realizable k-ε模型考虑了流体微团的旋转效应,提高了对较大曲率流动、旋流流动和涡旋运动的计算精度,对阶梯溢流坝有很好的适用性.以Realizable k-ε模型计算结果为基础,进一步分析了边界层内的速度分布、阶梯面压力分布等坝面水流特性.     

一种基于证据理论的结构可靠性优化设计方法

针对包含认知不确定性的结构可靠性问题,提出了一种基于证据理论的可靠性优化设计方法.首先,在优化过程中基于代理模型对迭代点处各约束进行可靠性分析,计算其似真度;其次,通过证据变量均匀化方法构造了一种证据理论可靠性的近似梯度计算方法,从而可采用基于梯度的常规优化算法进行优化求解;最后,数值算例和工程算例表明了本方法的有效性.